懸掛式自動泵抽排液裝置受力分析

孫峰，張能

(1.中國石油大學(華東)美術系，山東青島 266580; 2.中國石油大學(華東)建筑學系，山東青島 266580)

懸掛式自動泵抽排液裝置受力分析

孫峰1，張能2

(1.中國石油大學(華東)美術系，山東青島 266580; 2.中國石油大學(華東)建筑學系，山東青島 266580)

懸掛式自動泵抽排液裝置是針對探井施工而研發的一項新型裝備。本文應用ANSYS對上提作業時懸掛式自動泵抽排液裝置進行了靜、動力有限元分析。分析結果顯示，上提作業過程中，提升鋼絲繩軸向應力較大，可以適當提高鋼絲繩的尺寸規格，繃繩彈性模量對固定架整體偏移有較大影響，建議選取剛度較高的鋼絲繩。

懸掛式自動泵抽排液裝置;靜動力分析;鋼絲繩

0 前言

排液是石油工業探井試油施工中的重要環節，也是試油施工過程中用時最長的工序。目前石油勘探井的試油工程，常用的有抽油機排液、通井機排液和電動絞車排液等三種方法。但這些方法都存在能耗成本高及安全性差等問題，嚴重影響石油工業的經濟效益和排液效果。

新研發的懸掛式自動泵抽排液裝置主要包括作業井架、抽汲換向裝置。作業井架一端通過井架大繩與地面固定，另一端與掛鉤或通井機游動系統連接，掛鉤或通井機游動系統懸掛抽汲換向裝置。抽汲換向裝置設有電機與滾筒，傳動皮帶搭在滾筒上，一端與井下抽油泵的光桿連接，另一端與沿固定軌道滑動的平衡塊相連。懸掛式自動泵抽裝置通過固定架和繃繩固定，免除了抽油機的井架，降低了抽油機的成本和抽汲能耗。同時，固定架底部通過插銷與地面連接，靠四根繃繩限制其位移。作業時在動載荷作用下固定架繃繩受力較大，固定架的頂部位移也會引起抽汲換向裝置及傳動皮帶的晃動，影響作業過程。因此有必要對懸掛式自動泵抽排液裝置的部件進行受力分析。

1 有限元模型

懸掛式自動泵抽排液裝置如圖1所示。根據裝置固定系統的設計圖，應用ANSYS軟件建立有限元模型，對系統的上提作業過程進行仿真。其材料參數與載荷參數分別見表1、2。計算過程中，假設井架、滾筒及滾筒架的重力都均勻作用在井架、滾筒及滾筒架的各個節點上。上提時12 t鉤載、8 t配重以及下放時4 t鉤載、8 t配重，根據滾筒上皮帶的寬度及滾筒縱向的節點分布，以集中力的形式均勻分配在滾筒與負荷皮帶相切的節點上。井架與底座之間為銷連接，作業時允許繞Z軸轉動，方便井架的起升。在模型中，井架底部約束為X、Y、Z方向的平動和繞X、Y軸的轉動，繃繩與地面之間的約束處理成固定支座。懸掛式自動泵抽裝置固定系統整體有限元模型如圖2所示。

圖1 懸掛式自動泵抽排液裝置Fig.1Hanging automatic pumping device

表1 材料參數Tab.1Material parameters

表2 固定系統上提時的主要載荷Tab.2Major load while fixed parts upward

圖2 懸掛式自動泵抽裝置固定系統整體有限元模型Fig.2FEM of hanging automatic pumping fixed device

2 靜力分析

上提過程懸掛式自動泵抽裝置固定系統的橫向偏移如圖3所示，井架頂部的橫向偏移最大，位移為567.3 mm，主要由于作業載荷作用導致井架整體傾斜。圖4為上提過程中繃繩及提升鋼絲繩的軸向應力分布圖，提升鋼絲繩的軸向應力最大，為189 MPa;井架背面繃繩的軸向應力為61.2 MPa;滾筒架繃繩的軸向應力為34.2 MPa。

圖3 上提過程系統橫向位移圖Fig.3Lateral displacement map for system upward

圖4 上提過程鋼絲繩軸向應力圖Fig.4Axial stress distribution of rope upward

3 動力分析

實際作業中，井下光桿及抽油泵所受載荷一般是以突加載荷的形式作用到負荷皮帶上。相對于靜力分析，突加載荷會引起滾筒及滾筒固定架的晃動，使負荷皮帶偏移井口晃動。同時突加載荷也會大大提升井架、繃繩等的峰值應力，從而對結構強度提出更高要求。

因此，在對懸掛式自動泵抽裝置進行動力分析時，對與抽油泵光桿連接的負荷皮帶施突加載荷，載荷隨時間變化如圖5所示。其它載荷處理成靜載，約束情況與靜力分析完全一致。模擬時間為10 s，時間步長為0.01 s。上提過程中，井架頂部的橫向位移響應如圖6所示。由于突加載荷，井架頂部偏移峰值為992 mm，經歷8 s之后井架頂部偏移趨于穩定，穩定的偏移值與靜力分析一致，動力分析井架頂部偏移峰值較靜態分析提高了約80%。

圖5 上提過程載荷隨時間變化圖Fig.5Load V.S.time when system upward

圖6 井架頂部偏移時間歷程Fig.6Journey of derrick top deviates time

井架頂部的四根繃繩中，背面2根繃繩的軸向應力最大，軸向應力時間歷程如圖7所示，軸向應力峰值為69.7 MPa。支撐滾筒架架頂的八根繃繩中，滾筒架右側下方2根繃繩的軸向應力最大，軸向應力時間歷程如圖8所示，軸向應力峰值為52.4 MPa。上提過程中提升鋼絲繩的軸向應力時間歷程如圖9所示，軸向應力峰值為250 MPa。

圖7 滾筒固定架頂部繃繩軸向應力時間歷程Fig.7Axis stress V.S.time journey of roller fixing top frame rope

圖8 滾筒固定架繃繩軸向應力時間歷程Fig.8Axis stress V.S.time journey of roller fixing frame rope

圖9 提升鋼絲繩軸向應力時間歷程Fig.9Axis stress V.S.time journey of lifting rope

4 繃繩剛度對分析結果的影響

由于繃繩的剛度范圍較大，其彈性模量范圍約為4～18 GPa。以上分析過程中繃繩的彈性模量取為4 GPa。為研究繃繩剛度對分析結果的影響，在繃繩截面尺寸不變情況下，取繃繩彈性模量為18 GPa進行了分析，結果對比見表3、4。

表3 靜載上提時繃繩剛度對系統最大等效應力和井架頂部橫向偏移的影響Tab.3The guy rope stiffness affects on maximum equivalent stress and derrick top deviates of dead load lifting

表4 動載上提時繃繩剛度對系統最大等效應力和井架頂部橫向偏移的影響Tab.4The guy rope stiffness affects on maximum equivalent stress and derrick top deviates of live load lifting

對比發現，繃繩剛度對懸掛式自動泵抽排液裝置的靜動態分析結果影響較大。繃繩剛度越高，靜、動力分析中井架偏移幅值降低幅度越大，同時提升鋼絲繩的軸向應力峰值也有所下降。建議采用剛度較大、規格更高的繃繩。

5 結束語

通過對上提作業時懸掛式自動泵抽排液裝置進行了有限元靜、動力分析，計算了井架頂部偏移，提升鋼絲繩、井架及滾筒固定架繃繩的應力，得出如下結論:

(1)上提過程中，由于提升鋼絲繩軸向應力較大，可以適當提高鋼絲繩的尺寸規格;

(2)繃繩彈性模量對固定架整體偏移有較大影響，建議選取高剛度、高規格的繃繩;

(3)作業時緩慢加載，盡量降低作業載荷的動載效果;

(4)在參數設計合理的情況下，懸掛式自動泵抽裝置固定系統能夠有效滿足預定設計目標。

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Mechanical analysis of hanging automatic pumping device

SUN Feng1，ZHANG Neng2
(1.Department of Arts Design China University of Petroleum，Qingdao 266580，China; 2.Department of Architecture，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China)

Hanging automatic pump device is a new equipment designed for the construction of wildcat.In this paper，ANSYS is applied to analyze the static and dynamic process of hanging automatic pump device during operation.The results show that during the lift operation，the axial stress of the hoisting rope is relatively larger and a wire rope with higher dimension is needed.The elastic modulus of guy wire has a greater influence on the lateral displacement offset of the fixation，and a guy wire with a higher stiffness is recommended.

hanging automatic pump device;static and dynamic analysis;rope

TE935

A

1001-196X(2014)06-0040-04

2014-04-02;

2014-07-02

中央高校基本科研業務費專項資金(12CX04017B，13CX02090A)

孫峰(1978-)，男，中國石油大學講師，主要研究方向:石油機械產品設計研發，海洋平臺人機關系方面研究。