油管扶正装置的研制

王英强 张伟强 武新强

摘 要：本文结合机械化修井作业中油管扶正装置结构、工作原理和技术特点等情况分析，通过应用中的有限元分析对扶正装置应用工作进行了探究。

关键词：油管扶正；机械自动化；修井作业

随着修井井口机械自动化程度提高，管柱起下自动化通过井口机械化模块和油管机械化拉排模块等可顺利实现，克服了管柱起下中人工劳动强度大、受恶劣环境影响和风险系数高等缺陷。但在起油管中，大钩吊起后是垂直状态，无法直接自动转向油管机械化拉排模块。因此，需要研究油管扶正装置，对倾斜的油管实现一次性自动化扶正和对中，使油管能在作业系统间实现运移平稳和对中精准，提升机械化修井作业水平。

1 油管扶正装置基本情况

1.1油管扶正装置结构

井口修井作业机械的油管扶正装置由主辅扶正臂、对中装置、液压缸、扶正桶等结构构成，如图1所示。该装置主体技术参数为：外部尺寸1900mm*640mm*2870mm；工作时油压7MPa；适用油管外径规格为Ф60.3-114.3mm；水平摆动幅度为2360mm；主扶正臂与机架角度为50-112度之间；油管扶正和推送时间在10s以内。其中，主扶正臂铰接井口支架，上端配套机械扶手能够随着液压缸完成退让位等动作；辅助扶正臂主体为“四连杆”机构，与主臂利用主杆铰接，下端与支架铰接，可跟随主臂进行摆动；导向锥桶上部为“喇叭口”形状，在支架轨道底板上固定，液压钳与锥桶中心对中，油管下入中导向锥桶可控制油管的活动幅度，确保油管能对中准确。

1.2油管扶正装置运行原理

油管扶正装置主要功能是实现修井作业时油管下入井口的限位、扶正和对中，特别是在井口位置油管的起升装置操作时实现油管扶正，功能的实现主要是由液压缸提供动力，带动扶正臂的摆动完成作业。在吊起油管并由扶正臂接住后，受重力和扶正臂支撑作用，油管可随着扶正臂平稳摆动移动到井口。扶正臂上的机械扶手可以在移动过程中对油管发挥“限位”功能，确保运移安全、防止油管运移中脱离扶正臂。辅助扶正臂可以配合主臂构成“六连杆”结构，形成夹持油管的特殊构造，实现油管初步对中。导向锥桶具有精准控制轻微摆动油管的位置变化的作用，能够根据对中需要进行精确的导向作用，做好油管上扣各类准备工作。为提升工作效率，油管下入和上扣要由液壓缸提供动力，带动机械扶手旋转90度与主扶正臂运动到同一条直线上，并利用主扶正臂让位，做好下一根油管对中的准备工作。在起油管作业时，该装置可以借助扶正臂将油管运移到油管输送装置的油管滑道上。

1.3油管扶正装置的技术特点

该井口油管扶正装置具有以下鲜明技术特点：在井口部位，主辅扶正臂可在一定空间内构成“六连杆”结构，实现对油管夹持功能，并且该结构能最大限度的降低油管整体摆动幅度，控制好油管末端的摆动，提升对中效率和成功率。主臂上的机械扶手是“V”型结构，以滚轮形式作业，可以降低滚轮上油管移动中的摩擦阻力，并能在油管对中中发挥一定的限位作用。主辅扶正臂的铰接轴与扶正臂间存在一定夹角，便于辅助扶正臂在跟随主臂摆动中的下移让位，能配合油管运移机构实现自动化作业。导向锥桶上部为圆筒状结构，在油管轻微摆动中能够发挥导向作用，提升油管与井口对中的精准性。扶正作业中无需人工辅助，工人无需接触摆动中的油管，防止了作业伤害事故发生，并能提升对中效率，实现不间断的“起下管”作业。

2 油管扶正装置有限元分析

油管扶正装置主臂主要受两个力——液压缸的驱动作用力和油管末端侧向摆动力，所以在作业时承受弯矩较大，工作性能和安全系数取决于其自身刚度和强度。所以，需要借助ANSYS Workerbench软件对主臂进行有限元分析，确保状态可预见、可控制，提升装置运行的可靠性。

有限元分析的主扶正臂主要是机械手和正臂两部分，是“装配型”模型，其中扶正臂以矩形钢为材料，机械扶手以45号钢为材料，承担连接功能的螺栓和螺母是以不锈钢材质的标准配件，主要技术参数如表1所示。

扶正臂属于规则结构，网格划分可通过六面体为主方式，以10mm为单元划分有限元模型，共划分有170538个单元和53472个节点。在运行中扶正臂承受复杂的受力状态，模型建立中需要妥善处理载荷，基于主臂与液压缸和支架是铰接连接在一起的，所以必须设置固定式铰接点。因本装置适用的油管对中规格为Ф60.3-114.3mm，以Ф114.3mm油管的受力分析，可看出扶正臂受力轴向分力最大值在50度时出现，侧向分力在62度时出现，可将扶正臂静应力分析时取值50度和62度两种工况条件模拟扶正臂运行时应力分布状况。其运行参数如表2所示。施加载荷后的模型中，重力加速度约为9806mm/s2，辅助扶正臂重力为178N，扶正臂受力273.54N。

在强度分析上，利用Mechanical模块直接求解器分析，因扶正臂材质属于塑性材质，所以选择第四强度理论计算，Workbench求解得出的结果选项选择与第四强度理论对应的等效“EQUVIALENT STRESS”和总变形“TOTAL DEFORMATION”。结合计算结果分析，在62度工况条件下，扶正臂应力集中点与50度工况条件下一致，但最大应力值增大，达到21.72MPa，变形最大位置处于扶手末端部位，最大变形量是0.48mm，比在50度工况条件下略小。

根据以上有限元分析，得出扶正臂工作最大应力值为21.72MPa，以安全系数为2计算，得出扶正臂的应力许用范围最大值为125MPa，所以扶正臂强度符合使用要求。扶正臂变形最大量是在50度工况条件下出现，约为0.76mm，许用的挠度为5mm，说明变形量不会对装置现场应用产生不良影响，刚度同样符合使用要求。

3 结论

综上所述，油管扶正装置是修井作业井口机械自动化重要装置，对油管起下作业中对中自动化等具有重要作用，通过对其结构、原理和技术特点等基本情况的分析和有限元应用探究，有利于加深对油管扶正装置的认识程度。

参考文献：

[1]叶勇，石永军，温长飞，曹凤婷.一种基于动压润滑结构的自旋转扶正器设计[J].石油钻采工艺，2011（04）.

[2]王春雨.抽油杆扶正器对下入井的影响[J].中国石油和化工标准与质量，2011（07）.