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铁钻工上卸扣的最大主动扭矩分析.pdf
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1、1958西南石油大学学报(自然科学版)2024 年 4 月 第 46 卷 第 2 期Journal of Southwest Petroleum University(Science&Technology Edition)Vol.46 No.2 Apr.2024DOI:10.11885/j.issn.1674 5086.2021.09.29.01文章编号:1674 5086(2024)02 0176 11中图分类号:TE93文献标志码:A铁钻工上卸扣的最大主动扭矩分析陆文红,赵广慧*,李 涛,冯 闯西南石油大学机电工程学院,四川 成都 610500摘要:针对铁钻工在上卸扣过程中管柱被咬伤和剥皮
2、现象,从管柱抵抗钳牙咬入、切削和摩擦的角度,建立了铁钻工能提供的最大主动扭矩与夹紧力之间关系的研究方法。首先,对钳牙咬入管柱的过程进行了弹塑性计算和损伤失效分析,获得钳牙咬入深度;然后,通过齿形摩擦块与摩擦环的摩擦实验确定钳牙与管柱材料之间的摩擦系数,并利用单齿切削管柱材料的三维有限元计算得到切削力,由摩擦力和切削力确定铁钻工能提供的最大主动扭矩;最后,研究了钳牙的牙型角、齿顶宽和齿尖倒角对上卸扣扭矩的影响。为优化钳牙结构和作业参数、改进铁钻工性能提供理论依据。关键词:铁钻工;牙板齿;咬入深度;金属切削;最大主动扭矩An Analysis of the Maximum Torque Provi
3、ded by Iron RoughnecksLU Wenhong,ZHAO Guanghui*,LI Tao,FENG ChuangSchool of Mechanical Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,ChinaAbstract:Aiming at the biting and peeling phenomenon of pipe string in the process of makeup or breakout with iron rough-necks,a research meth
4、od is established to describe relationships between the maximum active torque and the clamping forcefrom aspects such as biting,cutting and friction between tong dies and pipe string.Firstly,elastoplastic calculation and da-mage failure analysis were carried out for the process of tong dies biting i
5、nto the pipe string,and biting depths were obtained.Secondly,friction experiments between tooth-shaped friction blocks and friction rings,which was made with materials of tongdies and pipe strings respectively,were conducted to determine friction coefficients.Cutting forces were simulated by a three
6、-dimensional finite element model of a single tooth cutting pipe steel,and maximum active torques were determined.Finally,influencesoftoothshapeparametersonthemaximumactivetorqueprovidedbytheironroughneckduringmakeupandbreakoutwere analyzed.A theoretical basis is provided for optimizing both tong di
7、e structure and operating parameters and improvingperformances of iron roughnecks.Keywords:iron roughneck;tong die;biting depth;metal cutting;maximum active torque网络出版地址:http:/ 涛,等.铁钻工上卸扣的最大主动扭矩分析J.西南石油大学学报(自然科学版),2024,46(2):176 186.LU Wenhong,ZHAO Guanghui,LI Tao,et al.An Analysis of the Maximum To
8、rque Provided by Iron RoughnecksJ.Journal of Southwest PetroleumUniversity(Science&Technology Edition),2024,46(2):176186.*收稿日期:2021 09 29网络出版时间:2024 03 25通信作者:赵广慧,E-mail:基金项目:石油天然气装备教育部重点实验室项目(OGEHH202002)第 2 期陆文红,等:铁钻工上卸扣的最大主动扭矩分析177引言铁钻工是石油钻采过程中对管柱进行自动上卸扣的作业装备,能够大幅度缩短管柱起下钻周期,提高作业效率1。调研发现,油田现场存在由于铁
9、钻工的夹紧力与扭矩不匹配导致管柱被咬伤甚至剥皮的现象(图 1),降低了管柱的工作寿命,增加了油气开发成本2。建立铁钻工的夹紧力、管柱咬入深度以及能提供的最大主动扭矩之间的关系,对于确保铁钻工的安全高效作业具有重要意义。图 1管柱剥皮2Fig.1String skinning牙板和钳牙结构直接影响铁钻工的上卸扣性能。魏磊3和闫文辉等4将铁钻工的夹紧力与扭矩之间的关系等效为当量摩擦系数,以钳牙咬入深度和当量摩擦系数为目标进行了正交优化分析,确定最优的牙型角为 110、齿顶高度为2 mm、齿间距为 4 mm。裴峻峰等5采用应力线性化原理,对牙板齿关键参数进行了正交优化,以减小牙板齿与管柱接触部位的应
10、力。Sha 等6针对钻杆处理机械手的钳牙建立了参数优化的目标函数,在咬痕深度小于 1 mm、降低钻杆损伤以及增大钳牙与钻杆之间摩擦力的要求下,通过正交优化分析确定钳牙齿的最优参数。董学成等7采用有限元方法对卡瓦牙前角、牙顶圆角和齿间距进行了优化分析,确定了牙前角 60、圆角 0.3 mm 为最合理的防上顶卡瓦牙型。石昌帅等8基于断裂力学理论分析了牙板几何参数对钻具表面损伤的影响,发现牙板齿与钻具的接触应力分布受牙型角影响较大。冯文荣等9分析了刚性齿压入深度和犁沟沟槽投影面积,用修正系数描述犁沟前金属材料堆积影响,计算了犁沟摩擦阻力,并分析镶齿型卡瓦的坐封可靠性。蒋发光等10采用有限元分析方法研
11、究连续油管 摩擦块受力状态,确定了连续油管 摩擦块的最优配合。文献11 12对不同激光织构化表面钢材的干摩擦性能进行了研究。文献13 17采用理论和有限元方法分析了特殊螺纹接头上扣扭矩及其影响因素。目前,针对铁钻工或液压大钳的上卸扣问题,多是从摩擦力的角度进行研究,将上卸扣扭矩与夹紧力之间的关系全部反映在摩擦系数中。深入研究钳牙与管柱之间在上卸扣各个环节的相互作用,有助于找到管柱表面咬伤或剥皮问题的内在原因。钳牙对管柱的剥皮现象,实质上是钳牙咬入管柱表面并横向切削管柱所致,铁钻工能提供的最大主动扭矩对应管柱发生切削的临界状态。针对P110 油管和套管钢的摩擦磨损性能,文献18 20通过实验揭示
12、了主要损伤形式为剥层、黏着和氧化。剥皮现象中作为刀具的牙板齿具有负前角,其前刀面与切屑之间的强烈挤压作用增大了研究的难度。庆振华21通过快速落刀实验和金相分析,研究了负前角刀具硬态切削切屑的形成机理。Puls 等22通过极负前角的正交切削实验,模拟高速成型和摩擦过程,研究了 AISI 1045、AISI 4140 和 Inconel 718 共3 种钢材与 WC 6Co 硬质合金刀具的摩擦和塑性变形情况,提出与温度相关的摩擦模型,并进行了有限元评估。本文将从管柱抵抗钳牙切削和摩擦的角度,研究铁钻工紧扣时出现的咬伤和剥皮现象。首先,对钳牙咬入管柱的过程进行弹塑性计算和损伤失效分析,获得钳牙咬入深
13、度;然后,通过摩擦实验确定摩擦系数,通过单齿切削计算得到切削力,由摩擦力和切削力确定夹紧钳的最大主动扭矩;最后,研究钳牙结构参数对上卸扣扭矩的影响,为钳牙结构和作业参数的设计提供理论依据。1 结构模型与受力分析铁钻工对油管进行上卸扣作业时,夹紧钳夹持接箍,冲扣钳夹持在油管管体上通过旋转实现紧扣与松扣。夹紧钳有两个钳体,每个钳体由牙板座与两块牙板组成,如图 2 所示,牙板安装角=22.5,每个牙板与接箍表面为单排齿接触(图 2b)。牙板高 H=120 mm,宽度为 31.66 mm,每个牙板的钳牙数量为 416 个,钳牙的齿顶宽 b=3.5 mm、牙型178西南石油大学学报(自然科学版)2024
14、 年角=90、齿尖倒角半径 R=0.2 mm。油管外径为88.9 mm,壁厚为 6.35 mm,接箍外径=107.95 mm,长度为 142.88 mm,两段油管与接箍完全啮合。夹紧钳的夹紧力由夹紧油缸提供,油缸的作业压力 6 MPa、缸径 150 mm,则油缸输出的作业夹紧力为 106 kN。夹紧力以均布载荷 p0的形式作用在钳体承载面上,钳体承载面的尺寸为100 mm120 mm,则 p0=8.836 MPa。!#$%$%&()*d$%c+$,b-.,/a 012HRb图 2夹紧钳夹持接箍的结构示意图Fig.2Schematic diagram of clamping pliers cla
15、mps coupling首先,计算夹紧力作用下牙板齿在接箍外表面的咬入深度,然后,以咬入深度作为切削深度,计算牙板齿横向切削接箍的切削力,通过分析咬入 切削过程,研究上卸扣过程铁钻工能够提供的最大主动扭矩与夹紧力之间的关系。2 管柱咬入深度分析在夹紧力作用下接箍受到牙板齿的挤压作用,随着夹紧力增大,接箍外表面与牙板齿接触的局部区域将依次发生弹性变形、弹塑性变形直至失效。下面将建立牙板齿与接箍相互作用的有限元模型,通过弹塑性力学计算和失效分析,研究夹紧力与牙板齿咬入深度之间的关系。2.1 有限元模型牙板齿与接箍间的咬入计算涉及接触问题和大变形分析,且咬入引起的接箍变形和损伤集中在接触的局部区域。
16、为提高计算效率,取夹紧钳的 3 排齿进行计算,即钳体的轴向长度取(3/16)H,由于结构和载荷的对称性,取 1/4 结构建立模型,如图 3 所示。采用 workbench 计算,对称面施加对称约束,油管的轴向端面施加轴向位移约束,钳体承载面施加均布的夹紧力 p0。牙板齿与接箍表面之间建立摩擦接触,摩擦系数为 0.25,采用四面体单元,在齿与接箍接触的区域引入“Convergence”设置,进行局部网格自动加密,设置收敛条件为最大应力的变化不超过 5%。!#$%&(%&(%&!#$%&p0 xzyo图 3简化后的力学模型Fig.3Simplified mechanical model牙板材料为硬
17、质合金钢 20CrMnTi,渗碳淬火后表面硬度 HRC58 62,齿尖的屈服强度为2 450 MPa,弹性模量 212.0 GPa、泊松比 0.25。油管接箍材料为 P110 钢,应力 应变曲线如图 4 所示23,弹性模量 204.5 GPa,材料的失效应变为8.5%,泊松比 0.3024。012345678902004006008001000!/MPa!#/%图 4P110 钢应力 应变曲线Fig.4The stress strain curve of P110 steel第 2 期陆文红,等:铁钻工上卸扣的最大主动扭矩分析179对模型进行弹塑性计算,达到失效应变的单元判定为失效,删除失效单
18、元,得到牙板齿在接箍表面的咬入深度。2.2 钳牙咬入深度分析在钳体承载面上均布载荷 p0=8.836 MPa,则单颗牙板齿对接箍的压力为 Fs=3 586 N。计算得到接箍外表面的径向变形云图如图 5 所示,在接箍表面沿着齿坑轴向定义路径 AB,以 A 点为原点、沿路径AB 建立坐标轴 z,则路径 AB 上各点的径向变形如图 6 所示。可见,接箍外表面出现与 3 排齿相对应的齿坑,径向变形集中在齿坑及其附近区域,齿坑的边缘略高于周围表面,距齿坑较远处受到的影响很小,且 3 个齿坑的深度基本一致,表明以少数齿计算得到的咬入结果具有合理性。以齿坑底部与表面初始位置之间的高度差为咬入深度,则 3 个
19、齿坑的平均咬入深度为 0.33 mm。夹紧力的大小直接影响咬入深度。将夹紧力分别取为 p=0.50p0、0.75p0、1.00p0、1.25p0和 1.50p0,对应的夹紧力分别为 4.418、6.627、8.836、11.045 和13.254 MPa,得到接箍表面沿路径 AB 的径向变形曲线如图 7a 所示,图 7b 为平均咬入深度随夹紧力的变化曲线。可以看到,平均咬入深度随夹紧力的增大而增大,其变化关系近似呈线性。0.02-0.02-0.06-0.10-0.14-0.18-0.22-0.26-0.30-0.34!#$/mmZAB图 5接箍表面径向变形Fig.5Radial deforma
20、tion of tubing coupling05101520-0.4-0.3-0.2-0.10+,-./mm/,01/mm!#$%&()*25图 6接箍表面沿路径 AB 的径向变形Fig.6Radial deformation of tubing coupling along path AB05101520-0.5-0.4-0.3-0.2-0.100.1!#$/mmp=4.418MPap=6.627MPap=8.836MPap=11.045MPap=13.254MPa25%&/mm4681012140.200.250.300.350.400.450.50()*+,-/mm./0/MPa0.1
21、5b()*+,-a 12%3%&AB图 7夹紧力作用下的径向变形和咬入深度Fig.7The radial deformation and the biting depth variation with clamping forces3 基于单齿切削模型的最大主动扭矩夹紧钳夹紧接箍后冲扣钳施加扭矩完成紧扣或松扣,当扭矩超过接箍表面抵抗钳牙切削的阻力矩时,接箍表面将发生剥皮现象。在一定的夹紧力作用下,以接箍表面开始剥皮对应的扭矩作为夹紧钳能够提供的最大主动扭矩。最大主动扭矩来自两个方面,一个是钳牙与接箍之间的摩擦力,另一个是钳牙切削接箍表面的切削力。首先,通过单齿摩擦实验获得钳牙与接箍之间的摩擦系
22、数;然后,以牙板齿在接箍表面的咬入深度作为切削深度,计算单齿正交切削接箍材料的切削力;最后,以牙板齿与接箍之间的摩擦力和切削力推算铁钻工能提供的最大主动扭矩,建立最大主动扭矩与夹紧力之间的关系。180西南石油大学学报(自然科学版)2024 年3.1 单齿摩擦实验牙板齿与管柱材料之间的摩擦系数测定实验是在 UMT TriboLab 摩擦磨损试验机上进行的。为了分析钳牙结构对摩擦过程的影响,分别用接箍材料制作了摩擦环、用牙板材料制作了齿形摩擦块,实物如图 8 所示,摩擦环的外径为 35 mm、宽度为 8.7 mm,摩擦块的外形尺寸为6.35 mm16.60 mm12.00 mm。实验中,摩擦环在摩
23、擦块的法向力 50 N 作用下,以低速 1.143 rad/s(对应接触点的线速度为20 mm/s)旋转,测得摩擦系数随时间的变化如图 9所示,平均摩擦系数为 0.25。改变法向力,则摩擦系数随法向载荷的变化如图 10 所示,可以看到,当法向载荷分别增大至 150 N 和 200 N 时,摩擦系数急剧增至 0.43 和 0.45,此时摩擦环的表面出现刮伤,发生切削现象。将摩擦环不发生切削对应的摩擦系数记为 s,即 s=0.25,表示两种材料之间的摩擦效应;将发生切削而额外增大的切向力与法向力之比定义为切削切径比 c,则法向力为 200 N 对应的 c=0.20。a!#b$%!&图 8摩擦实验块
24、Fig.8The friction test block0123456780.100.150.200.250.30!#$?%&/()/s图 9摩擦系数随时间的变化Fig.9The friction coefficient variation with time501001502000.250.300.350.400.45!#$?%&/()*+/N0.20图 10摩擦系数随法向载荷的变化Fig.10The friction coefficient variation with normal load3.2 单齿切削管柱的模拟管柱的剥皮现象是由于钳牙咬入后横向切削管柱所致。由于接箍面积远大于齿,忽
25、略接箍周向曲率,以尺寸为 10 mm10 mm3 mm 的长方体模拟接箍,建立单颗齿正交切削的三维有限元模型,如图 11所示,牙齿的切削前角为 45,工件底部和后部固定约束。以 2.2 节得到的钳牙咬入深度 0.33 mm作为切削深度(对应夹紧力 p0=8.836 MPa),计算单齿切削力,预测夹紧钳能提供的最大主动扭矩。vyzxo图 11单齿切削模型Fig.11The cutting model of single tong die金属切削为动力学过程。接箍材料 P110 钢的密度为 7 800 kg/m3,采用 Johnson Cook 本构模型第 2 期陆文红,等:铁钻工上卸扣的最大主动
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