实体膨胀管膨胀工具优化分析

为了使膨胀管技术在国内得到大范围应用,采用三维弹塑性接触问题有限元法着重研究膨胀工具的锥角、定径长在膨胀过程中变形力以及残余应力的变化规律。采用ANSYS10.0建立膨胀管模型以及膨胀锥三维实体模型,单元类型选择Solid95,网格划分采用映射网格。研究结果表明,在膨胀锥锥角保持不变的情况下,膨胀锥定径长对膨胀后套管的残余应力没有太大影响,但对套管膨胀所需要的膨胀力有较大影响;膨胀锥锥角对套管最大残余应力没有影响,但对膨胀力的影响十分明显,当膨胀力的径向分力大于材料的抗拉强度时,材料将发生破坏。     

膨胀管技术中膨胀力的理论计算

结合膨胀管材料的应力-应变试验曲线,考虑管材在膨胀过程中发生的应力强化现象,将膨胀管材看作幂强化模型,并采用单一曲线假设引入中间应力影响系数,将膨胀管在膨胀变形过程中的周向应力和等效应力联系起来,导出了管材膨胀过程中膨胀力的计算公式。应用该公式计算出的膨胀力与试验值和用有限元软件模拟计算出的膨胀力值很接近,其误差在-7.3%～-3.4%之间,验证了公式的合理性。     

两种典型膨胀管膨胀工艺技术研究

膨胀管技术目前已广泛应用于钻井、完井、修井和采油等各石油工程领域,膨胀工艺是其关键技术之一。针对两种最典型的"自下而上"和"自上而下"膨胀工艺,利用弹塑性有限元法建立了膨胀管膨胀过程的三维非线性接触问题力学模型,直观地模拟了不同接触条件下的膨胀过程。对比分析得到两种膨胀工艺下摩擦系数对膨胀管的轴向位移、膨胀力、壁厚减薄量、残余应力以及膨胀过程中的接触应力的影响,所得结论为膨胀管膨胀工艺的设计提供了理论依据。     

膨胀管的加固技术

大庆油田膨胀管加固方式有两种:一种是胀头自上而下膨胀方式,另一种是胀头自下而上膨胀方式。自下而上膨胀方式的轴向总位移大于自上而下方式;自下而上膨胀方式所需的膨胀力小于自上而下膨胀方式所需的膨胀力,随着摩擦系数的增加,膨胀力均呈现先降低后增加的变化趋势;两种不同膨胀工艺下膨胀后管体内最大残余应力基本接近,而随着摩擦系数的变化,管体内最大残余应力的变化趋势也基本一致。基于以上原因,推荐膨胀管加固选用自下而上的膨胀方式。     

屈服强度对膨胀管残余应力分布的影响

为了获得膨胀管膨胀后的残余应力分布,应用ANSYS/LS-DYNA有限元软件模拟膨胀管膨胀过程.膨胀管材料采用双线性随动硬化模型,改变材料的屈服强度,得到了残余应力随屈服强度的变化趋势,为膨胀管材料的选取、过大残余应力的预防和消除等工作提供了依据;改用应变率相关的材料模型,验证了应变率效应对残余应力的影响,对膨胀管材料...     

不同应力状态下膨胀管力学性能试验研究

通常膨胀管在变形后壁厚不均匀度、管体弯曲程度会增加,导致膨胀管的抗拉、抗挤毁等力学性能下降。利用网格法分析了不同应力状态下膨胀管在膨胀过程中的金属塑性流动过程,并通过室内试验进行了对比研究,详细分析膨胀过程中的宏观现象。结果表明,残余应力会增加膨胀管塑性变形力,使膨胀过程困难,膨胀后管体弯曲变形严重;处于应力状态的膨胀管膨胀后管体网格在一侧堆积,表明金属塑性流动过程沿轴向不均衡。     

膨胀管变径膨胀工具结构优化设计

目前的膨胀工具对膨胀管的螺纹接头不能实现高膨胀率。设计的变径膨胀工具由6个能够相互运动的膨胀块组成，能够径向收缩、胀大，主要用于膨胀实体管和筛管。锥角关系到轴向膨胀力和膨胀管的残余应力，以内径160 mm的膨胀管膨胀到内径196 mm为例，利用有限元软件对变径膨胀工具进行了结构优化，10°锥角角度较好，还优化设计了该工具的长度及厚度。理论研究和计算机仿真表明，该工具能够使内径160 mm的膨胀管的内径胀大22.5%，达到该膨胀管的最大膨胀率。     

大膨胀率实体膨胀管膨胀载荷的塑性力学计算

已有的可膨胀管膨胀模型的力学分析和载荷计算多数建立在弹塑性力学基础上,忽略了套管材料在塑性阶段的应力强化效应,以及膨胀区向定径区过渡时的管体弯曲对轴向应力增量的影响。鉴于此,在已有模型的基础上,采用单一曲线假设和幂强化力学模型,建立了大膨胀率膨胀管膨胀载荷的力学模型,运用ANSYS Workbench14.5建立了膨胀管膨胀过程的三维轴对称模型,并进行了大膨胀率膨胀管膨胀载荷计算。研究结果表明,当膨胀率在15%～30%之间变化、膨胀力最优半锥角在12°～22°之间变化时,所需膨胀力最小;当其他参数恒定,摩擦因数、管半径、壁厚和膨胀率中任一个作为自变量时,膨胀力与该自变量呈线性递增关系。因此,选择合适的摩擦因数、膨胀率和壁厚对降低膨胀管施工难度相当重要;膨胀管应选择强化系数相对较小、硬化指数较大的管材,这样膨胀时所需膨胀力较小。     

膨胀管抗外挤强度试验研究

膨胀管膨胀后其抗外挤能力降低是制约膨胀管技术发展的重要因素。通过试验模拟实体膨胀管膨胀时的力学环境,分析了管材壁厚及残余应力在塑性膨胀过程中的变化规律。结果表明:膨胀管大塑性变形会导致壁厚减少,壁厚不均匀程度放大,并产生残余应力;膨胀管内表面产生拉应力,外表面产生压应力,应力差值在薄壁端最大,薄壁端也是膨胀管在外压作用下的屈服点;在膨胀管变形过程中薄壁端的变形速率高于厚壁端的变形速率,产生的残余应力与实测值基本相符,说明膨胀管原始壁厚的不均匀变形是残余应力增加、抗外挤能力降低的主要因素。     

新一代旋转可膨胀管系统力学特性研究

利用有限元模拟分析方法,研究了新一代旋转可膨胀管系统的力学特性,得出如下结论:(1)膨胀心头旋转角速度对可膨胀管自由端面总轴向位移、对可膨胀管壁厚减薄量、对膨胀后膨胀管最大残余应力的影响均很小;(2)随着膨胀心头旋转角速度的增加,所需最大膨胀力迅速减小,可用拟合多项式表示;(3)随着膨胀心头旋转角速度的增加,膨胀过程中产生的最大接触应力整体上呈增加趋势,也可用拟合多项式表示。     

316L不锈钢膨胀筛管基管井下膨胀有限元分析

针对膨胀筛管膨胀变形涉及到材料、几何和结构的非线性接触大变形难以运用现有理论精确求解的问题,利用ANSYS有限元分析技术,分析了316L不锈钢膨胀筛管井下工作的力学性能。选取适当的约束条件,模拟计算了φ114.3 mm(4 12英寸)316L不锈钢膨胀筛管基管在不同井下温度时的不同膨胀率膨胀和膨胀后的抗挤毁过程。分析结果表明,膨胀率和膨胀温度对膨胀前后基管的最大等效应力分布的影响不大,残余应力的峰值随膨胀温度的升高而下降;井下温度一定时,Bauschinger效应是降低抗挤毁性能的主要因素。     

实体膨胀管实物膨胀评价装置设计

针对现有简易膨胀试验装置存在的膨胀力小、膨胀速度慢、膨胀过程和现场实际不一致等问题,设计了专业的实体膨胀管实物膨胀评价装置。该装置可模拟油田现场井下膨胀情况,对膨胀管进行膨胀检测和评价,且可在单纯的机械拉力或单纯的水压或两者共同作用下对膨胀管进行膨胀试验。利用该装置还可进行钢管膨胀变形规律研究、膨胀管材料选择和开发、膨胀锥优化设计、膨胀工艺研究等,在保证膨胀管产品质量的同时将大力促进实体膨胀管的国产化。     

固定管板换热器膨胀节设计应注意的几个问题

介绍了固定管板换热器设计中与膨胀节的设置相关的几个问题,包括膨胀节设置原理:因管程与壳程的膨胀系数不同致使两者的膨胀差过大,导致壳程筒体拉伸应力、换热管拉伸或压缩应力、换热管拉脱力中出现的不合格项,需要设置膨胀节。介绍了膨胀节与筒体对焊连接时,允许筒体削薄的限制条件,包括膨胀节设置位置的确定:对于立式换热器,膨胀节宜设置于耳式支座的下方;而卧式换热器应设置于管道约束小的一侧等等。     

带N型管箱换热器中筒体厚度对管板设计厚度的影响

对于带N型管箱的固定管板换热器,管板与两侧筒体直接焊接;文章从基本原理入手,考察管板周边区域的受力情况,分析了筒体厚度对旋转刚度参数Kf及管板边缘支撑条件的作用;区分壳程带与不带膨胀节两种情况并结合换热管加强系数K的调整,文章通过八个算例来分析圆筒厚度变化对管板内径向应力分布以及极值的影响.由于壳程筒体的轴向刚度与其自身厚度有关并会直接影响到管板的设计厚度,文章分析了这一影响规律并提出了壳程筒体由不同厚度段组成时的轴向刚度计算.     

ERW直缝套管残余应力分布规律的研究

采用盲孔法配合计算机数据采集技术对 7种不同规格或状态的ERW直缝套管残余应力分布状态进行了测定。结果表明 ,ERW直缝套管上存在着较大的残余应力 ,个别区域的残余应力值达到材料的屈服极限 ,但焊缝及其附近区域的残余应力值较低 ;自然时效处理可以显著降低残余应力水平 ,特别是显著降低焊缝及其附近区域的残余应力水平 ,但其降低的程度与套管的直径大小有关 ,在相同条件下 ,小直径套管残余应力降低的幅度较大 ;在线热处理对其残余应力大小和分布的影响不明显 ,甚至有可能使焊缝及其附近区域应力水平升高 ;国产ERW直缝套管的残余应力水平与日本同类套管相当 ,可以替代同类进口产品。     

膨胀套管中的残余应力问题

为探求套管径向扩张膨胀后的残余应力大小、产生原因及对套管性能的影响,进行了套管的实物膨胀试验,用切环法对膨胀后套管的横向残余应力进行了测量分析,发现套管膨胀后具有高的环向收缩残余应力,这种残余应力削弱了套管的抗挤强度。分析了套管膨胀后残余应力较高的原因,认为套管膨胀过程中的不均匀变形是套管膨胀后残余应力大的主要原因。介绍了衡量套管不均匀变形程度的指标-截面形状变化指数,并用试验数据对该指标的应用进行了检验。最后从制管工艺及膨胀工艺2方面提出了减弱套管膨胀后残余应力的措施。     

数值模拟法在膨胀套管修复套损井技术中的应用

为了分析膨胀套管在套损井修复过程中的应力、应变及残余应力情况,剖析膨胀过程中管材内部变化规律,利用ANSYS软件建立了膨胀套管在套损井修复应用中的有限元模型,优选模型的边界条件,进行模型的数值模拟分析.数值模拟结果直观地反映了管材膨胀过程中的应力一应变情况,结合实验室台架试验及现场施工,总结出可在制管、套管膨胀和后处理3个阶段采取有效措施消减残余应力;膨胀套管在高压液体作用下发生二次形变后.内径尺寸比膨胀锥的外径单边增加0.9～1.3 mm,据此修正了膨胀锥、膨胀套管和原套管尺寸间的经验公式.在华北油田京708井采用膨胀套管技术修复套损井,施工完成后,产油量增加,含水率降低,达到施工要求,表明膨胀套管补贴套损井技术的有限元数值模拟分析符合油田现场施工的需求.     

膨胀套管膨胀力的理论计算

根据弹塑性的理论，推导了膨胀套管在弹性变形区和塑性变形区的周向应力和径向应力计算模型，确定了膨胀套管膨胀时在膨胀芯头与套管之间所需的最小接触载荷。对膨胀芯头的受力进行了分析，考虑了膨胀芯头几何参数和金属间摩擦系数等影响因素，建立了作用在膨胀芯头上膨胀套管所需膨胀力的计算方法，对相关参数对膨胀芯头拉力的影响进行了讨论，并用实验数据对理论计算结果进行了验证，结果表明，采用本文推导的计算模型所得到的芯头膨胀拉力的计算精度满足工程应用的需要。