完井工具中的悬臂梁式弹性爪结构参数模拟与试验研究

王磊

中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司（天津 300452）

悬臂梁式弹性爪是完井滑套和封隔器中最重要的工作部件[1-2]，完井滑套中主要为锁定弹性爪机构，封隔器中主要为解封弹性爪机构。在砾石充填作业中，充填滑套的锁定弹性爪机构发生失效，将导致滑套打开、关闭失败，无法建立正常循环通道，直接造成充填砾石失败，甚至导致工具砂卡等大修井事故。封隔器的解封弹性爪失效，则直接导致封隔器无法顺利解封回收。因此，在完井作业中，弹性爪的工作可靠性是安全生产的重要影响因素之一。弹性爪机构的主要失效形式为弹性爪发生塑性变形。为了准确掌握弹性爪在实际工作状态下的轴向最大拉力，以及增加弹性爪动作的有效使用次数，最终保证滑套和封隔器的工作可靠性，本文基于有限元数值模拟数据和工具试制后的功能试验，优化弹性爪结构的关键参数，固化弹性爪生产制造工艺，并为后续提高弹性爪工作的可靠性提供理论依据和试验基础。

1 悬臂梁式弹性爪结构原理

悬臂梁式弹性爪在现有完井系列工具中十分常见[3-4]，它主要包括弹性爪和限位套两大部分，如图1和图2所示。该部件的特点有结构简单、工作有效，其径向变形与轴向拉力载荷互换值精度较低，弹性爪机构有效动作次数有限。基于完井防砂工具需求的特殊性，弹性爪机构需要满足常用的负荷显示、形变限位或形变释放等功能。

图1 滑套弹性爪

图2 封隔器弹性爪

2 滑套弹性爪的有限元分析与测试

有限元分析前处理：选用152.4 mm（6"）充填滑套为研究对象，设定滑套打开和关闭到位的轴向锁紧力为1.2×104～1.7×104N，滑套中的锁定爪与锁环分别对应弹性爪与限位套[5]。弹性爪与限位套材质均选择40CrMnMo，材料的弹性模量为2.06×109Pa，泊松比为0.3，屈服强度为790 MPa。设定弹性爪与锁环之间为摩擦接触，且摩擦系数为0.1，设定锁环端部为固定约束，弹性爪相对限位套的轴向位移为3 mm；划分网格时，弹性爪采用四面体实体网格，单元个数为101 024，限位套采用四面体实体网格，单元个数为11 668。

有限元分析后处理：根据前处理设置结果，得到弹性爪和限位套的等效应力分布结果如图3所示，提取弹性爪在轴向运动过程中的轴向拉力载荷曲线如图4所示。

图3 锁定爪和锁环的等效应力分布

图4 锁定力载荷曲线

根据理论计算结果得到滑套打开和关闭到位的轴向最大锁紧力为1.69×104N，满足设计要求；且滑套弹性爪在运动过程中最大应力发生在弹性爪根部，且局部应力638.47 MPa小于材料的屈服强度，满足设计要求[6]。

功能试验：按设计要求对已加工完成的152.4 mm（6"）充填滑套进行功能试验，试验目的为测试充填滑套最大锁紧力，即轴向拉力载荷，其理论计算值为16 908N。采集并整理152.4 mm（6"）充填滑套打开或关闭的最大锁紧力试验数据见表1。

表1 锁紧力测试数据

由表1中数据可知，充填滑套的试验测试最大锁紧力偏大于理论计算值，且充填滑套的弹性爪有出现微屈服变形的现象，所以在设计弹性爪机构时需要提高设计所选的安全系数，以及在有限元分析过程中提取弹性爪机构的轴向拉力载荷时需考虑适当的修正系数1.1~1.4倍。

3 封隔器弹性爪的有限元分析与测试

有限元分析前处理：封隔器解锁回收时，弹性爪依靠下锥体接触挤压其收缩以满足回收需要，弹性爪与下锥体分别对应弹性爪与限位套[7]。弹性爪和限位套材料均为4145H，弹性模量2.1×1011Pa，泊松比0.3，屈服强度658 MPa。建立弹性爪与限位套的三维有限元分析模型，简化分析弹性爪为单片结构进行模拟分析，弹性爪和限位套均采用实体单元。弹性爪与限位套之间建立面面接触，摩擦系数为0.1。限位套设置为固定约束，弹性爪设定轴向位移使其通过限位套，网格划分为四边形单元。模拟实际工作状态[8]，首先分析弹性爪通过限位套的整个过程中，其弹性爪受到限位套施加的轴向载荷曲线，如图5所示，然后观察弹性爪承受最大载荷工况位置的应力强度，如图6所示。

图5 弹性爪运动变形的轴向载荷曲线

图6 弹性爪最大工作载荷下的应力分布

有限元分析后处理：由图5和图6可知，单片弹性爪通过限位套的运动变形过程中的最大轴向载荷为1 485.3 N，共12片爪子的轴向累计载荷为17 823.6 N，其最大应力发生在弹性爪根部，且局部应力639.4 MPa，小于材料的屈服强度。因此，弹性爪满足可收缩和强度的回收需要[9]。

功能试验：对加工成型的封隔器进行坐封、验封、拉压和解封回收功能测试，采集回收弹性爪的最大轴向载荷为19.5 kN，相比理论值偏差为8.6%，低于许用安全系数10%，且弹性爪经多次测试后尺寸未见变形，故其强度和释放变形载荷均满足设计要求[10]。

4 弹性爪生产制造工艺分析

为了保证弹性爪的工作稳定性，综合弹性爪的生产制造经验，在材料选型、调质处理、机械加工和表面处理的整个过程进行了经验总结。

材料选型方面：优选65Mn、60Si2MnA和718等弹簧钢材质，推荐热处理硬度42~47 HRC，较高的强度可避免弹性爪发生屈服变形。

机械加工方面：提出了精铣（留尾）+调质（时效）+线切割（低应力）的精密化组合加工工艺，建议弹性爪切槽时采用线切割不会造成较大加工应力的机加工艺，如图7所示，最后精加工成型后需对弹性爪进行时效处理，进而避免加工应力对工具的影响。

图7 弹性爪加工切槽

通过上述经验解决了弹性件成型精度低和负载变化大的普遍问题，提高了其挠度与负载力的精准度，保证了弹性爪工作变形的可靠性和稳定性。

5 现场应用

通过上述研究生产的充填滑套和封隔器累计在海上油田应用500余套，未出现滑套误打开和关闭问题，封隔器作业和回收成功率100%。该项研究指导了完井工具在自主化过程中使用悬臂梁式弹性爪的稳定性和可靠性，实现了悬臂梁式弹性爪生产制造工艺过程的固化推广，为完井工具系列化、规模化应用奠定了经验基础。

6 结束语

1）对比有限元分析和试验结果，滑套弹性爪的实际锁紧力约高于理论计算的1.1~1.4倍，动作4次后基本趋于稳定；封隔器弹性爪的实际轴向载荷约高于理论计算的8.6%。

2）根据有限元分析结果和实验结果可知，在弹性爪与限位套接触的肩部棱边处存在应力集中较大的现象。因此，弹性爪设计时可适当忽略棱边上应力奇异值，同时设计中可提高该处的安全系数，以实现弹性爪机构的工作可靠性。

3）为了提高弹性爪机构在钻完井工具中的广泛适用性和工作可靠性，可复制本研究过程，对其他结构形式的弹性爪进行拓展研究，进一步修正相关系数和固化弹性爪结构尺寸的设计制造，对提高井下工具作业安全有参考意义。