螺杆钻具挠性轴力学模型建立及主控因素敏感性分析

挠性轴是螺杆钻具中的关键零部件，也是易失效件之一。针对挠性轴常见的失效特征，结合具体工况，建立了力学模型和有限元计算模型，通过大量的数值计算，研究了挠性轴主控因素对整体应力水平的敏感性，并根据计算结果进行了结构优化。计算结果表明，优化方案可大幅度降低挠性轴的整体应力水平。     

关于挠性轴计算问题的讨论

本文利用Laplace变换获得了挠性轴在螺旋弯曲状态下的变形与应力计算公式.根据实例计算发现现有挠性轴寿命极短的主要原因在于轴的强度不够.这一观点,有可能使螺杆钻具与螺杆泵的寿命短的现状有所改善.     

井下动力钻具新型万向轴研制及应用研究

井下动力钻具配合高效 ＰＤＣ钻头的复合钻井技术是目前提高复杂结构井钻井速度和定向的主要手 段,井下动力钻具的易损部件（马达和万向轴）的寿命决定了复合钻井技术钻井效率的高低。笔者在分析了井下动力钻具常规万向轴的优缺点及运动特性的基础上提出新型万向轴的设计原则,继而设计出了新型万向轴结构,并利用有限元对万向轴主要易损部位（万向节）进行了强度分析,新研制的万向轴具有寿命长、承受大扭矩、方向可调性强、自动补偿润滑等特点。配合 １９７ｍｍ高温高压螺杆在塔里木油田超深井钻井中进行了现场应用,使高温高压螺杆寿命提高了 ４０％以上,应用结果表明该万向轴在井下动力钻具中具有广阔的应用前景。     

挠性轴的动态分析

从理论上详细分析了螺杆钻具与螺杆泵中挠性轴的动态问题.借助于加权残数法获得了挠性轴的自振频率及动力学失稳条件,从而为挠性轴的结构设计及工作参数选择提供理论依据.     

螺杆钻具中的齿瓣式万向轴

目前，国内生产使用的万向轴均为化瓣式万向轴，其结构简单、加工速度快，但其寿命极短，成为制约螺杆钻具寿命的关键部位。现文以合理受力为依据，设计了与花瓣式万向轴截然相反的线型，称齿瓣式万向轴，其合理的受力、耐磨性及工艺处理使寿命成倍提高。现场使用表明，齿瓣式万向轴成为螺杆钻具中寿命最长的部件。     

5LZ95×7.0同体双弯螺杆钻具研制

侧钻中短半径水平井钻井技术是国家"九五"期间的攻关研究项目。螺杆钻具是其中的一项关键技术,其主要目的是研制满足侧钻中短半径水平井需要的小尺寸高造斜率的弯外壳螺杆钻具。文中从双弯与单弯螺杆钻具的结构等效关系等多方面进行了探讨,根据油田需要设计和制造了5LZ95×7.0同体双弯螺杆钻具,在油田得到了现场验证,受到了使用单位的好评,为我国水平井钻井技术增添了一种新型实用工具。     

φ177.8 mm套管内大角度单弯螺杆下入阻力分析

钻中短半径水平井,在采用弯角较大的单弯螺杆钻具以满足高造斜率的需要时,由于套管内径较小,螺杆钻具钻头处位移比较大,螺杆钻具能否顺利通过直井段是钻中短半径水平井面临的一个重要问题。研究大角度螺杆钻具通过直井段时的力学特性对于合理选取螺杆钻具组合具有重要意义。文章采用有限元方法,以φ177.8 mm(7英寸)套管内单弯螺杆钻具为例,分析了单弯螺杆通过直井段时的应力分布规律及不同弯角大小对单弯螺杆通过直井段的影响。     

中短半径水平井弯壳螺杆钻具造斜率预测方法研究

准确的造斜率预测是侧钻中短半径水平井成功的关键。根据中短半径水平井的特点,提出了用极限曲率法和修正的三点定圆法来预测弯壳螺杆钻具的造斜能力,并对典型螺杆钻具的造斜率进行了预测和敏感性分析,以指导螺杆钻具的设计、选择和井眼轨迹控制。文中所述两种预测方法可较好地预测工具的造斜率,能满足中短半径水平井的需要,并得到了现场验证。     

降低螺杆钻具使用费用的有效方法

通过对螺杆钻具特殊结构的分析，提出一种延长螺杆钻具主机寿命的方法，从而大幅度降低螺杆钻具的使用费用，部分试验证明，可行性成立。     

螺杆钻具球铰接万向轴失效分析

螺杆钻具的最薄弱部件为万向轴,万向轴结构有花瓣式、球铰接式、挠轴式3种形式。对球铰接万向轴进行受力分析,主要承受轴向力、转矩、交变应力等,容易发生失效。利用现场失效拆解、转矩试验、有限元分析等方法论述了球铰接万向轴的失效形式,其失效形式包括轴断裂、螺纹断裂、密封失效、磨损失效等,并针对不同失效形式提出优化方案。     

瓣形万向轴瓣齿的拉伸强度分析

提出了瓣形万向轴承受拉伸载荷时瓣齿强度的理论分析方法,利用该方法对万向轴的瓣齿进行了应力分析,根据应力分析的结果讨论了瓣形万向轴的2种主要失效形式,并分析了瓣齿的结构参数对万向轴失效形式的影响。应用ANSYS分析软件对瓣形万向轴承受拉伸载荷时瓣齿的强度进行了有限元分析,从计算结果与实验结果的对比可以看出,两者基本上是一致的,说明利用ANSYS处理瓣形万向轴瓣齿的拉伸强度问题是可行的,计算结果可信,因此有限元计算可以作为今后瓣形万向轴结构设计和强度校核的重要参考依据。     

往复式压缩机曲轴强度影响因素研究

过渡圆角形式和半径、润滑油道直径以及连杆轴颈的长度等是影响曲轴强度的重要因素。结合正交试验设计,运用三维建模技术建立16组不同影响因素组合下的往复式压缩机曲轴模型,按照有限宽度轴径油膜压力分布规律对其施加载荷,经求解分析,得出各因素与曲轴强度的关系。针对由曲轴结构复杂而导致在过渡圆角处出现的应力奇异现象,提出外插值的方法进行评估。结果表明,除连杆轴颈的长度对曲轴的强度影响不大外,过渡圆角的形式以及半径大小均有不同程度的影响,其中内圆角的应力值远大于外圆角。研究往复式压缩机曲轴强度的影响因素,对曲轴设计时部分尺寸的选用以及强度校核有一定指导作用。     

钻杆加厚过渡带几何结构对应力集中的影响

油气井钻井过程中,钻杆主要失效部位是加厚过渡带处,该处容易形成应力集中,尤其在狗腿井段中的交变载荷作用下,表面易形成疲劳裂纹源,导致刺漏甚至断裂事故的发生。针对这一情况,应用有限元软件建立钻杆加厚过渡带力学模型。该模型公母接头共同建模,可以施加轴向拉力、内外压力、扭矩和弯矩,能很好地模拟狗腿井段的钻杆受力,为改进钻杆加厚过渡带结构设计提供理论依据。力学分析结果表明,最大应力出现在加厚过渡带内锥面消失处,且母接头端的应力比公接头端应力水平高;减小加厚过渡带内孔直径、增加内锥面长度、加大内锥面消失处圆角半径都可以减小钻杆应力集中系数。但在现有加厚过渡带结构的基础上改变加厚过渡带尺寸对减小钻杆应力集中效果并不明显,建议从改变加厚过渡带结构上入手来降低钻杆的应力集中系数。     

封隔器坐封过程有限元模拟分析

根据封隔器的结构特点及其工作原理,用VB开发了压缩式封隔器、扩张式封隔器和套管外封隔器在坐封过程中,各部件之间接触问题的有限元计算力学模型。在进行封隔器的有限元分析之前,只需要输入封隔器结构参数、橡胶材料力学特性参数、坐封过程中的力学参数以及有限元网格控制参数,该软件将自动调用有限元解算器内核,并将接触压力分布结果、Von Mises应力结果自动存入Word文件报告中。详细地分析了3种封隔器接触压力分布的大小,同时通过Von Mises应力分布大小,讨论了封隔器胶筒的失效部位,为封隔器的结构优化设计和封隔器结构的改进提供了理论依据。     

轴向斜接管内压容器爆破压力的预测

接管是容器必不可少的结构,在接管部位由于开孔产生应力集中,加之与接管的连接处发生边缘效应,使得该部位的应力分布相当复杂。对3台具有不同结构尺寸的轴向斜接管内压容器进行水压爆破试验,并采用静态非线性有限元法对3种模型的爆破压力及失效位置进行了预测分析,并与试验结果做比较。比较结果表明:(1)开孔结构削弱了结构的强度,降低了容器的承载能力;(2)有限元预测得到的爆破压力与试验及理论计算所得的爆破压力比较接近;(3)带轴向斜接管内压容器的等效应变最大节点都位于筒体和接管相交的锐角侧。     

提高抽油机减速箱中间轴疲劳寿命的试验研究

针对抽油机减速箱中间轴断轴失效特点,进行模拟实物对比试验。试验分析表明,增大中间轴轴肩圆角半径,对轴肩圆角实施滚压强化和喷丸强化处理,可改善应力分布状态,大大提高中间轴的疲劳寿命。     

螺杆压缩机阳转子轴断裂及预防措施

对输送放火炬气的LG-30/8型湿式水冷双螺杆压缩机阳转子轴断裂的原因进行了分析,通过分析腐蚀产物和观察断口形貌,判断为湿硫化氢环境下发生的腐蚀疲劳破坏,并存在有应力腐蚀开裂倾向。影响轴断裂的主要因素:介质成分复杂、腐蚀性强,压缩机转子处于化学腐蚀和应力腐蚀的环境;梳齿密封与轴的磨擦;变截面处应力集中倾向大;转子轴所承受交变应力;马氏体不锈钢对钝化膜破坏的自修复能力不足;热处理中组织相变不均匀等。对于2Cr13整体转子,采取改进热处理工艺、提高材料的机械性能、减小断裂处的应力集中和控制冷却水的腐蚀性等措施,可有效防止轴断裂。采取2Cr13螺杆与35Cr Mo(或25Cr2Mo VA等)轴组合的镶嵌结构转子,螺杆的耐腐蚀和轴的抗断裂性能皆较好,可用于新制转子和旧转子的修复。     

修井机井架危险截面部位的结构改进

对进口修井机井架结构进行的有限元分析表明，这种井架最大应力出现在前大腿与天车下第一层门框联结处，其次在大腿与天车联结处。这些部位都是井架的危险截面，其应力几乎高出大腿平均应力的1倍。为了改善危险截面部位的应力状况，分析了产生应力集中的原因，针对这些原因提出几种结构改进方案，并通过分析和比较选出最佳方案，得到了整体应力分布均匀的新井架结构。新结构最大应力比原结构降低30％，设计质量有较大提高。     

异径三通有限元强度分析

三通作为高压管汇中的关键部件,在实际使用中经常出现刺裂现象。为了验证三通设计的合理性及安全性,对90°铸钢异径三通在额定工作压力和静液压试验压力工况下,进行了有限元分析计算。按照ASME规范应力分析法分析了其应力类别及应力组合,证明有高应力区存在。改进模型结构后重新进行了有限元分析计算,并采用ASME规范分别就额定工作压力和静液压试验压力条件下的强度进行了校验,分析结果完全满足规范要求。     

螺杆钻具和螺杆泵挠性轴的等应力设计

在给出挠性轴静动态研究的主要成果基础上，参照满应力设计准则，提出了挠性轴的等应力设计方法，这是通过调整受弯类构件的结构参数，实现构件各截面的相当应力趋于均衡的一种设计方法。详细介绍了未定结构型式的挠性轴的等应力设计方法与步骤，并应用修正的勒让德多项式作松弛因子，以加速迭代收敛过程。算例表明，等应力设计法不但可以降低挠性轴各截面的应力差值，而且还可较大幅度地减少轴用材料。