連續管倒管器優化設計

殷卓成，馬 青，段文益，郝 軍，楊 高

(中石油 江漢機械研究所有限公司，武漢 430000)

連續管相對于常規螺紋連接油管具有無需接單根、自動化程度高、減輕勞動強度等優勢，在油田現場得到了廣泛應用[1-2]。目前主要應用于鉆井、修井、完井、壓裂、鉆磨、射孔及管道集輸等領域，并且其應用數量和前景正在不斷提高[3-4]。連續管倒管器作為支撐運輸滾筒并配合工作滾筒完成連續管釋放和纏繞的重要設備，其結構設計的合理性不僅決定了倒管效率而且對連續管在運輸和作業過程中的可靠性及安全性具有重要影響。

目前，國內針對連續管倒管器的研究相對較少、結構設計較為單一[5-8]。常規倒管器中用于插入運輸滾筒小孔提供驅動轉矩的短桿固定于大鏈輪輪轂上，無法適應運輸滾筒上不同中心孔及均布小孔的布置形式。工作過程中，鏈輪主軸不旋轉，導致主軸磨損嚴重、需頻繁加注潤滑油且運轉不平穩；排管臂只能限制于特定角度的位置，無法根據注入頭導向器高度調整排管角度，可能使連續管經過排管器時出現大角度彎折，導致連續管表面損傷等問題，難以實現快速、高效、整齊地排管及起下作業。

筆者通過廣泛的現場調研，針對現有連續管倒管器結構中所存在的不足，以及現場作業的實際需求，研制了一種新型連續管倒管器。采用有限元分析方法對所設計的倒管器關鍵部件進行強度校核，驗證其設計的可靠性。通過現場應用，驗證了該倒管器既能實現運輸滾筒的快速安裝、高效倒管，也能驅動運輸滾筒實現連續管起下作業，大幅提高了現場作業效率，減小了人員勞動強度。

1 總體方案

1.1 總體結構及性能特點

新型倒管器主要由底座、排管器總成、可調計深器、連接系統、驅動系統等組成，總體結構如圖1所示。

為了適應我國道路運輸條件和油田現場工作環境，將該連續管倒管器設計為撬裝結構，其動力取自連續管作業機，運輸時倒管器總體外形尺寸(長×寬×高)≤5 000 mm×2 800 mm×3 000 mm。

1—底座；2—支撐液缸；3—支臂液缸；4—排管器總成；5—轉盤；6—短桿；7—左軸；8—左支撐；9—驅動系統；10—滑軌；11—護欄；12—鋼板網；13—滑軌液缸；14—右軸；15—右支撐；16—插銷。

為實現連續管運輸滾筒在倒管器上的快速安裝、高效倒管，以及利用倒管器驅動運輸滾筒直接進行連續管起下作業，可免去將運輸滾筒上連續管纏繞至工作滾筒后進行起下作業的常規操作，在優化、吸收國內現有連續管倒管器的基礎上，解決了同類型設備使用過程中的不足，并形成了以下特點：

1) 可適應運輸滾筒上不同中心孔及均布小孔的布置形式。倒管器中用于插入運輸滾筒小孔并提供驅動轉矩的短桿固定于轉盤上，可隨小孔布局形式不同加以更換。

2) 倒管器工作時鏈輪驅動主軸一同旋轉，并且采用軸承傳遞轉矩，增強其運轉平穩性。此外，主軸上增加可更換銅套，避免主軸磨損，延長其使用壽命。

3) 排管臂采用可折疊形式，方便運輸時減小高度和空間，并能夠調整排管角度以適應注入頭導向器高度和方向，避免連續管進出排管器時出現大角度彎折而引起連續管表面損傷等問題。

4) 倒管器底座采用滑軌結構，可通過液壓缸左右調節，實現運輸滾筒的快速安裝和夾緊。

5) 倒管器底座前、后部4個角處配置有插銷，作業時增加倒管器抗傾覆力矩，可防止其被拉動。液壓管線連接形式為快速接頭，可實現快速拆裝。

1.2 工作原理

該連續管倒管器主要用于快速安裝連續管運輸滾筒，并配合工作滾筒進行連續管的纏繞與釋放實現倒管，也可以替代連續管作業機工作滾筒，直接配合注入頭對運輸滾筒上的連續管實現起下作業[9]。

倒管器位置選定后，將底座前、后部4個角處配置的插銷固定，并將快速接頭液壓管線與連續管作業機動力連接后即可完成倒管器動力連接和準備工作。通過控制底座液壓缸的伸長以適應不同運輸滾筒的寬度，配合吊車將運輸滾筒吊裝至倒管器中并確保其中心孔與倒管器左、右主軸大致平齊后，控制底座液壓缸收縮，將倒管器左、右軸及轉盤上的短桿插入運輸滾筒中心孔及圓周小孔后，利用螺栓將左支撐固定于滑軌上以實現機械鎖死，避免其由于工作過程中的振動可能導致的左右竄動，即可完成運輸滾筒在倒管器上的安裝。通過倒管器控制，配合吊車將連續管端部拉出并穿過可調計深器后，固定于工作滾筒內部管匯或插入注入頭，配合滾筒或注入頭即可完成連續管倒管或直接實現連續管起下作業，并且能夠根據注入頭高度或倒管時的具體要求任意調整排管臂角度。

1.3 主要技術參數

驅動型式：液壓馬達+直角減速器+鏈條，減速器配有制動裝置。

工作轉速：滾筒轉速最大可滿足20 m/min的連續油管起下速度，且速度可無極調控。

工作轉矩：≤38 600 N·m，可滿足滿滾筒時速度要求。

運輸時外形尺寸(長×寬×高)：≤5 000 mm×2 800 mm×3 000 mm。

旋轉軸心離地高度：2.3 m。

運輸滾筒外徑：2 700～3 700 mm。

運輸滾筒寬度：1 780～2 300 mm。

運輸滾筒質量：30 t。

2 主要部件及結構特點

2.1 底座

底座由框架、左右支撐、滑軌、插銷、護欄、鋼板網等組成，用于承受整個倒管裝置以及連續管、運輸滾筒質量的主要結構。框架由若干方鋼整體焊接而成，滿足承載要求。框架結構采取以連續管排管方向作為長邊，以增加倒管器工作過程中的抗傾覆力矩，并且其前、后部4個角上分別配置有插銷，將倒管器固定于地面，進一步增強倒管器的工作穩定性，避免其倒管或起下油管過程中被連續管拉動或者晃動[10-12]，從而無需為倒管器單獨增加懸重。倒管器左、右支撐用于直接承受運輸滾筒和連續管的自重力，以及確定滾筒轉動中心高度，進而決定了倒管器的倒管能力。左支撐配合焊接于底座滑軌上，通過滑軌液缸實現左右調節，適應寬度為1 780～2 300 mm的運輸滾筒，并且倒管器工作過程中可利用螺栓將左支撐固定于滑軌上任意位置，實現機械鎖死，避免其由于工作過程中的振動可能導致的左右竄動。在靠近液壓馬達一側的底座梁中心高處焊接有鋼板網、護欄，用于存放液壓連接管線，以及保護人員安全。

2.2 排管器總成

排管器總成由支臂、液缸、鏈輪、菱形軸、滑舌盒等組成，主要用于連續管倒管過程中工作滾筒上連續管纏繞不整齊時需將連續管倒回運輸滾筒或起出連續油管至運輸滾筒，此時排管器總成能夠通過調整滑舌盒的位置，迅速將連續管整齊地排列到運輸滾筒上。由于在連續管實際倒管過程中往往需要適應不同的排管角度，并不斷地倒上、倒下調整才能實現連續管的整齊排列，這就對排管支臂角度調整的靈活性提出了較高的要求。本倒管器在排管支臂部分采用兩組支撐液缸和支臂液缸，能夠快速實現連續管倒管或作業過程中支臂角度的靈活調整，從而實現連續管快速、高效的整齊排列，并且在倒管器運輸過程中也可通過收縮支臂液缸來降低整體高度，節省運輸空間。

2.3 連接裝置

倒管器連接裝置由左軸、右軸、短桿、轉盤等組成，其主要作用為支撐、連接以及驅動運輸滾筒。其中，短桿被用于插入運輸滾筒均布圓周小孔中，驅動運輸滾筒旋轉；左、右軸用于直接承擔運輸滾筒質量，倒管器工作時鏈輪驅動左、右軸一同旋轉，采用滾動軸承傳遞轉矩，增強運輸滾筒運轉平穩性，左、右軸上均增加可更換銅套，避免主軸磨損，延長其使用壽命，并且可根據運輸滾筒中心孔尺寸的不同加以更換。短桿通過螺栓固定在轉盤上，方便短桿磨損失效后更換，轉盤在運輸滾筒轉動過程中起到限位作用，避免其左右竄動而影響作業效率，并且可根據運輸滾筒上均布小孔布置形式更換轉盤及短桿。

2.4 驅動系統

倒管器驅動系統主要由液壓馬達、直角減速器、鏈條等組成，采用液壓馬達+直角減速器+鏈條驅動型式，減速器配有制動裝置，倒管器驅動的動力源來自連續管作業機滾筒動力。液壓馬達經直角減速器減速后通過鏈條傳動，驅動倒管器大鏈輪旋轉，為左軸、轉盤提供轉矩，帶動轉盤上的短桿旋轉，進而驅動運輸滾筒轉動。

3 有限元分析

前期基于機械設計理論計算，對該連續管倒管器各零部件選材、尺寸等均已進行詳細理論分析。為了保證該優化設計的可靠性，采用有限元分析方法對該倒管器設計進行驗證。主要對倒管器中左軸、右支撐強度進行有限元校核。

3.1 左軸

倒管器工作過程中左軸既承受運輸滾筒重力，又承受大鏈輪驅動轉矩，其所受載荷形式較為復雜且屬于承載關鍵部件。該倒管器可承受最大運輸滾筒質量為30 t，選取安全系數為1.25。校核計算時施加于左軸上的集中力為187.5 kN；最大工作轉矩為38 600 N·m，取安全系數為1.25，校核計算時對左軸施加的轉矩為48 250 N·m。左軸選用的材料為35CrMo，屈服強度835 MPa，密度為7 870 kg/m3，彈性模量213 GPa，泊松比為0.286。

利用Ansys Workbench軟件進行有限元仿真分析計算[13]，得到左軸的等效應力及總體變形云圖如圖2所示。由圖2可知，左軸最大應力為165.8 MPa，遠小于材料許用應力835 MPa；最大變形量為0.78 mm。因此，左軸強度滿足要求。

a 等效應力云圖

3.2 左右支撐

連續管倒管器作業過程中，左、右支撐屬于承受運輸滾筒重力的關鍵部件，其直接決定了倒管器作業安全性。由于正常工作狀態下，倒管器左、右支撐幾乎平均承受滾筒重力且它們結構尺寸完全相同，故本文中僅以右支撐為例進行強度校核。校核計算時施加于右支撐上集中力為187.5 kN。右支撐選用的材料為Q345，屈服強度345 MPa，密度為7 850 kg/m3，彈性模量206 GPa，泊松比為0.28。

利用Ansys Workbench進行有限元仿真分析計算，得到右支撐的等效應力及總體變形云圖如圖3所示。由圖3可知，右支撐最大應力為190.9 MPa，遠小于材料許用應力345 MPa；最大變形量為1.1 mm。因此，左右支撐強度滿足要求。

a 等效應力云圖

4 現場應用

該新型連續管倒管器已分別在江漢油田和長慶油田進行了現場倒管試驗，成功將?50.8 mm(2英寸)3 500 m連續管運輸滾筒上連續管倒入作業機工作滾筒。倒管過程中，各部件運轉正常，工作狀況良好，能夠實現高效倒管、整齊排管。

2020-08，在長慶油田多個油井，利用該新型連續管倒管器直接驅動?50.8 mm(2英寸)、3 500 m連續管運輸滾筒，配合注入頭進行起下管作業(如圖4)，完成了連續管完井管柱施工作業，最大下深達3 256 m，連續管最高運行速度20 m/min。起下管作業過程中，倒管器各部件運轉正常，工作狀況良好，設備現場適應性良好。

5 結論

1) 根據有限元分析結果以及現場應用，驗證了該新型連續管倒管器設計可靠性及現場適應性。既能實現運輸滾筒的快速安裝、高效倒管，也能直接驅動運輸滾筒實現連續管起下作業。

2) 該新型連續管倒管器可適應不同運輸滾筒尺寸、中心孔及均布小孔的布置形式，具有運轉平穩、減少勞動強度，排管臂角度可靈活調整等優點。

圖4 倒管器現場作業示意