石油開采注水管內壁切削刀具分析

摘 要：注水管內壁切削除垢技術是一種機械除垢方式，能有效地增大注水管工作內徑，從而提高注水效率。相對于化學除垢以及高壓水射流除垢，機械除垢更加環保、操作更加方便，除垢效果也更加顯著。根據垢物切削機理模型的特點，對所設計的刀具進行有限元分析。對注水管結垢試件進行了切削除垢試驗，為進一步改進刀具提供了依據。

關鍵詞：人工注水；切削除垢；脆性材料；刀具；應力分布

引言

在石油開采過程中，為提高原油采收率常常利用人工注水或注氣的方法，增補油藏能量使原油得到連續開采，所采用的人工注水方法會使注水管內壁形成垢物，導致工作管徑縮小，影響注水效率。國內外對管內壁除垢技術展開了大量研究，這些研究主要集中在化學除垢和高壓水噴射除垢方面，而在機械除垢方法研究相對較少，故通過對脆性材料切削機理的研究及設計合適的切削裝置，對注水管內壁切削除垢技術進行試驗和理論研究，進而提高注水管除垢的效率和可靠性，這對于注水管內壁除垢技術實踐應用具有現實指導意義[1]。

1 注水管內壁切削除垢刀具設計

除垢器結構如圖1所示，主要由切削裝置、磨銑裝置、傳動裝置、密封扶正裝置組成。這里將針對切削裝置的刀具進行研究分析，提高刀具切削性能。刀具是切削除垢系統的核心部分，刀具結構決定了切削除垢過程應力、應變的變化效果，以及除垢能力的強弱等因素[1、2]。考慮到切削除垢對象為環狀結構，垢物粘接在注水管內壁，呈凹凸起伏，不均勻狀，適合于深孔鏜削作業，因此除垢刀具設計參照深孔加工刀具來進行設計。

本除垢器內部安裝的渦輪轉子在動力液的作用下轉動，并產生扭矩，帶動主軸轉動。主軸端部與除垢刀具連接，帶動其旋轉，對注水管結垢進行清除。

2 刀片材料的選擇

考慮到被加工材料為脆性材料，即其主要成分為CaCO3，結構分布不均勻，大部分呈致密分布，同時伴隨有明顯氣孔產生[3]。根據砂巖力學性能分析，其抗拉強度為4～25MPa，該材料為脆性材料，切屑形態為蹦碎切屑，因此，對于除垢刀具的刀片材料應選擇強度高的硬質合金材料，這里選擇刀具材料為YG8。該材料抗彎強度不低于20MPa，因此，可以滿足被加工材料的要求[4、5]。

3 刀具結構靜力分析

3.1 切削力分析

以所設計刀具結構為依據進行受力分析。由于刀具結構完全對稱，兩個刀齒上所受的切削力Fz和Fy理論上完全抵消，此時刀具上只有兩個刀齒所承受的軸向切削力Fx，Fz和Fy產生的導向塊軸向摩擦力和摩擦扭矩，以及Fz產生的切削扭矩MF，其受力簡圖如圖2所示。

依據空間一般力系的平衡條件列X軸的平衡方程，得：

依據空間一般扭矩的平衡條件列圓周方向的平衡方程，得：

由摩擦力公式可以得到：

式中：Fx總-總支軸向力；M總-總支扭矩；Fx-軸向切削力分量；Ff1、Ff2-導向塊1和2上的軸向摩擦力；Ffx1、Ffx2-導向塊1和2上的正壓力；Fn1、Fn2-導向塊1和2上的周向摩擦力；μ1、μ2-導向塊1和2與孔壁的摩擦系數

3.2刀具網格劃分

首先，對模型材料進行參數的定義，其包括單元類型、單位制、材料的特性等。在單位制的制定中，在保證單位統一的前提下，可以使用任一種單位制。材料的性質參數被稱作材料特性，進行分析前，首先要定義材料的彈性模量、泊松比和密度等參數。除垢刀具使用的材料是高速工具鋼，材料參數特性如表1所示。

表1 高速工具鋼材料特性

選取合適的單元類型是有限元分析的前提，文章選取solid45單元，該單元用于三維實體結構模型，單元由8個節點結合而成，每個節點有x、y、z 3個方向的自由度。具有塑性，蠕變，膨脹，應力強化，大變形和大應變的特征，可以獲得簡化的綜合的微控選項，滿足刀具的分析要求。考慮到刀具在切削過程中刀片與試樣直接接觸，預期接觸面上應力達到最大值，故網格劃分時對刀片處加密，劃分網格后的效果如圖3所示。

3.3 加載及求解

結構分析是有限元分析方法最常用的一個應用領域，用于求解外加載荷引起的應力、應變和位移。當有限元模型建立后，各單元的應力、應變關系可根據塑性力學的應變增量理論寫為：

式中；ε-應變，Pa；dε-以張量表示的應變增量，Pa；σ-應力，Pa；dσ-應力增量，Pa；σ'ij-應力導數；P-平均主應力，Pa；δ-質點位移，μm；E、G、μ-分別為彈性模量、剛性模量和泊松比

用矩陣表達式，各元素結點的力增量{dF}與結點的位移增量{dδ}之間的關系即剛度方程，可表示為：

式中：[B]-應變-位移矩陣，定義為： ；[D]-應力-

應變矩陣，定義為： ；Δ、aw-微元素元面積和厚度；

[KG]-圖形非線性修正項。

整體應力應變分布狀態是根據每個節點的位移增量和應力增量，以及每個單元上的平均應變和應力而得到的，通過考慮特定的邊界條件解方程求解得到，根據以上分析方法，當前處理合適時，就可以得到較為理想的數值解。

3.4 約束及求解

根據刀具工作時的裝夾方式，即在刀具柄部外表面的軸向圓柱面上施加全位移約束，使得刀具不能在軸向和徑向發生竄動和跳動。另外，簡化刀具受力情況，施加載荷時假設切削力作用在主切削刃上，給一定切削力大小，通過有限元求解得到對刀具工作過程中的應力變化情況，如圖4所示。

從應力結果圖可以看出，刀具應力由外到內逐漸減小分布，最大應力集中在刀具主切削刃處。通過對刀具進行結構靜力學分析，一方面可以得到刀具受力時，其應力分布情況，以及其最大受力點；另一方面，當得知刀具具體受力大小時，可以通過加載相應載荷以得到其是否超過刀具彎曲強度，使刀具變形。

4 結束語

（1）結合物相分析理論針對垢樣成分進行分析，從結垢管線解剖情況來看，管線結垢呈現兩種形式：一種是堅硬致密的結垢物，其主要成分為CaCO3；另一種是與致密結垢物混合附著在注水管內壁的雜質，其成分為砂土、松軟油泥等。（2）通過對刀具結構的靜力分析可以得出，刀具在靜態條件下受指定載荷作用時的應力和應變分布情況，即刀具應力由外到內逐漸減小分布，最大應力集中在刀具主切削刃處。（3）通過對帶垢注水管進行建模，用ANSYS軟件對注水管內壁進行應力分析，從應力云圖可以看出垢物受力由里向外逐漸減小，并且最大應力出現在與刀具接觸的接觸面內。

參考文獻

[1]楊建華，南國立.注水管線酸洗除垢工藝[J].石油工程建設，2004，20

（6）：42-43.

[2]孫定華.高壓水射流技術在石化管道清洗中的運用[J].化學工程與裝備，2008（6）：82-83.

[3]李媛.淺談油田注水結垢現象[J].內蒙古石油化工，2013，39（9）：57-58.

[4]楊俊飛，田欣利，劉超，等.非金屬硬脆材料加工技術的最新進展[J].新技術新工藝，2009（8）：10-16.

[5]姜春榮，劉翻海.YCG-100/10型油管內壁除垢機[J].石油機械，1994（12）.

作者簡介：劉德，研究方向：機械制造及其自動化。