常规液压钳钳牙对防腐蚀合金套管磨损破坏行为分析.pdf

2 0 1 6年 2月 第 4 1 卷 第 2 期 润滑与密封 LUBRI CAT I ON ENGI NEERI NG F e b ． 2 0 1 6 Vo 1 ． 4l No ． 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 4 0 1 5 0 ． 2 0 1 6 ． 0 2 ． 0 2 3 常规液压钳钳牙对 防腐蚀合 金套管磨损破坏行为分析 徐建宁周欣 西安石油大学机械工程学院陕西西安 7 1 0 0 6 5 摘要目前油田普遍采用的防腐蚀合金 C R A套管材质较软。工作时常规动力钳易破坏管两端处的表面镀锌 层．加速硫化氢对套管的腐蚀。为减轻液压管钳对套管损伤，减缓硫化氢对套管的腐蚀 ，基于普通液压管钳工作原 理 ．建立钳 12 1 力学模型 ，确定影响管钳加紧的具体 因素 。根据摩擦疲 劳学理论 ，分析钳牙对套管 的磨损成因和磨损过 程，通过钳牙与油管上卸扣实验发现，磨损与接触区域、循环次数、相互接触材料等因素有明显关系。通过分析接触 区域的应力应变，表明影响钳牙对套管的磨损的主要因素是摩擦因数、接触载荷。并且摩擦因数对拉伸应变的影响更 加明显 。 关键词硫化氢腐蚀；套管；液压管钳；钳牙；摩擦损伤 中图分类号T H1 1 7 ． 1 文献标志码 B 文章编号 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 6 0 2 1 1 6 - 0 5 Be ha v i o r An a l y s i s o f Co r r o s i o n Re s i s t a n t Al l o y s Ca s i n g W e a r Da ma g e b y Cl a mp J a ws o f Co n v e n t i o n a l Hy d r a u l i c To n g s XU J i a n n i n g ZH0U Xi n S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， X i ’ a n S h i y o u U n i v e r s i t y ， X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a A b s t r a c t T h e g a l v a n i z e d l a y e r o n b o t h e n d s o f t h e c o r r o s i o n r e s i s t a n t a l l o y s C R Ac a s i n g s u a c e i s e a s i l y t o b e d a m a g e d b y t h e c o n v e n t i o n a l p o we r t o n g s d u r i n g wo r k i n g f o r t h e ma t e r i a l o f CRA c a s i n g u s u all y u s e d i n t h e o i l fi e l d i s r e l a t i v e l y s o f t ， wh i c h wi l l a c c e l e r a t e t h e h y d r o g e n s u l fid e c o rro s i o n o f t h e c a s i n g ． I n o r d e r t o r e d u c i n g t h e d a ma g e o f h y d r a u l i c t o n g s o n c a s i n g， a n d s l o w d o wn t h e c o rro s i o n o f h y d r o g e n s u l fi d e o n c a s i n g， b a s e d o n t h e wo r k i n g p rin c i p l e o f t h e c o n v e n t i o n a l h y d r a u l i c p o w e r t o n g s ， t h e m e c h a n i c s m o d e l o f j a w s w a s s e t u p ， a n d t h e s p e c i fi c f a c t o r s a f f e c t i n g t o n g s t i g h t e n i n g w e r e d e t e r m i n e d ． A c c o r d i n g t o t h e t r i b o l o g i c al t h e o r y o f f a t i g u e ， c a u s e s a n d p r o c e s s o f w e a r o f t h e c a s i n g b y j a w s w e r e a n a l y z e d ． T h r o u g h t h e e x p e ri m e n t s o f s c r e w o n - o ff b y t h e j a w s o n o i l p i p e ， t h e r e s u l t s h o w s t h a t w e a r h a s o b v i o u s r e l a t i o n s h i p w i t h c o n t a c t a r e a， n u mb e r o f c y c l e s ， t h e mu t u a l c o n t a c t ma t e r i a l s a n d o t h e r f a c t o r s ． Th r o u g h t h e s t r e s s a n d s t r a i n a n a l y s i s o f c o n t a c t a r e a ， i t i s s h o wn t h a t f ri c t i o n c o e f f i c i e n t a n d c o n t a c t l o a d a r e t h e ma j o r f a c t o r s i n fl u e n c i n g t h e c a s i n g w e a r b y j a w s ， a n d t h e f r i c t i o n c o e f f i c i e n t h a s mo r e o b v i o u s i n nu e n c e o n t e n s i l e s t r a i n ． K e y w o r d s h y d r o g e n s u l fi d e c o rr o s i o n； c a s i n g ； h y d r a u l i c t o n g s ； j a w s ； f ri c t i o n d a ma g e 我国油田的开发 目前已进入中后期 ，为应对硫化 氢严重腐蚀套管的问题 ，油田已陆续将处在腐蚀区域 的普通套管更换为合金套管和双防硫套管。防腐蚀的 合金套管 C R A材质较软 ，油井上在使用常规动 力钳拆装管子的过程中，套管两端处被啃上深深的啮 痕，表面镀锌层被完全破坏．加速硫化氢对套管的腐 蚀 ] ，缩短套管的使用寿命。 收稿日期2 0 1 5 0 4 - 3 0 作者简介徐建宁 1 9 6 3 一 ，男 ，教授 ，硕士生导师 ，研究方 向为先进采油装备设计及应用 、机械采油工作行为分析． 通讯作者 周欣 1 9 8 9 一 ，男，硕士研究生 ，研究方向为石油 钻采机械设计和行为分析， E ． m a i l z h o u x i n l 2 0 4 1 2 6 ． c o n． 本文作 者基于 常规液压管 钳结构 ，研究 其对 C R A套 管的磨 损成 因和磨 损过 程 ，利 用摩 擦疲 劳 学 理论。分析其力学行为，为减轻液压管钳对套管损 伤，减缓硫化氢对套管的腐蚀提供理论依据。 1 管钳工作原理 如图 1 所示 ，液压钳在卸扣的过程中．当开始上 扣时．颚板架在制动盘的作用下保持静止，闭口齿轮 通过液压动力带动旋转 ] 。当闭口齿轮旋转时，固定 在闭 口齿轮 内圆柱面上对称布置 的坡板开始挤压颚板 内滚轮 ，迫使颚板 向颚板架的矩形槽 内中心滑动 。在 坡板 曲面约束下 ，闭口齿轮转动 的同时造成坡板推动 颚板 向中心运动 ，最后触及管径外表面 ，压迫 、挤压 钳牙 咬紧套管 。 1 1 8 润 滑与密封 第 4 l 卷 环 次数 增 加 ，就 加 速 了套 管 表 层 材 料 上 发 生错 位 ， 迁 移和增 殖等一系列现象 。前 阶段套 管磨损 产生的微 小 固体颗 粒 ．在对偶 件接触之 间充 当表面活性剂增 加 摩擦作用 ，磨屑被挤压进入套管材料表面。造成材料 表面参差不齐的细微台阶，同时反作用于钳牙，造成 表 面磨损 ，钳 牙的材料偏硬 ，但套 管表层 防腐 涂层 材 料脱套管本体离后渗进钳牙表面，致使钳牙更加坚 硬 ，破坏 后续套 管表层 。当上 扣结束 时 ，钳 牙脱离 套 管 ．在套 管表层 的牙痕 已稳定 成型 ，防腐层 薄膜 已破 坏 ．与套管内层金属材料形成原电池 ，发生化学腐 蚀 _ 8 ] ，造成腐蚀损伤。 3钳牙接触套管表面力学分析 3 ． 1 钳 口加 紧受力分析 分析钳 牙对 套 管 的 作 用 力 “ ] ，如 图 4所 示 ， 当管钳工作时 ，产生旋 转力矩 ，齿 轮上 的坡板在 滚 子的接触点 K产生一个对 于滚子 的法 向力 Q 。则有 F 1 ， _ _ ■ l j 2 r 2 KO F Q S l n F p 2 K0 s i n o 2 2 KD．t a n o L 式 中F为 Q过 K对 于 圆心 O ． 的切 向力 P为 Q过 圆心 O 的正压力 ；N为 Q对鄂 板 的正压力 ；T为 Q 对 鄂板 的切向力 。 图4 液压管钳受力模型 Fi g 4 Th e f o r c e mo d e l o f h y d r a u l i c t o ng s 把切向力 换算成作用在套管表面的切 向力 S ， 由力矩平衡得 Ⅳ Q c o s o 4 Q s i n o 5 S R T0． D 6 0． D 5 Q s i 素 7 在管钳设计 中 ．定 义切 向力 S与径 向力 Ⅳ 的 比 值为切径 比 m，即 S 0I Ds i n a 3 K Ol s i n l O ／ 2 ⋯ m RC O S O L __RC O S O L ～ Ⅳ ， ， 、 依据 国内外 大 量 现场 实 验证 明 ，取 m 0 ． 4 5 ～ 0 ． 5 0较为经济合理。当m值小于 0 ． 4 5时，为满足强 度要求 ，钳头质量 明显地增加 ，并且易使管子挤压变 形。当 值大于 0 ． 5时，常规钳牙尖稍有磨损就易 打滑 。为减少钳牙对套管 的伤害 ，在保证上卸扣质量 时 ，必须满足最佳切径 比。由于套管管径与所需接触 载荷是一一对应，当确定套管规格后．在选定的最佳 切径 比下 工 作 时 ，切 径 比 只 与 管 钳 结 构 几 何 参 数 有关 。 3 ． 2 摩擦接 触 区域应力分析 分析单个钳牙与有套管的接触作用 ，简化力学模 型 ，如 图 5所示 ，其接 触载荷 正压力 和摩擦 对偶 件初 始接触线相互垂直 的切 向力共 同作用下 ，圆柱体与平 面接触 区域 的应力一应变 问题 。 图5 钳牙与套管接触示意网 F i g 5 T h e c o n t a c t b e t we e n j a W S a n t]c a s i n g 将应力 分量用 直 角坐标 系 ， 和椭 圆坐 标 系 O L ， 进行耦 合 y 6 c h ； z b s h ‘ sin ／3 ； Y ； 9 式 中 Y ， 是直角坐标 ；b是接触 域 的宽度 。 应力方程 为 2 0 1 6年第 2期 徐建宁等常规液压钳钳牙对防腐蚀合金套管磨损破坏行为分析 1 1 9 p 。 [ 2 v 一 毛 c 。 一 sc s i n 2 fl i c o JBsf1 ] 2 一 十 1o -- P ～ o s i n fl ，一 s 。 。 一 1 1 ，p。I 八 厕 一 2 sc2sin 4f1 一 s i n2fl ic o spfl I 12 式中p 。 ，p 。 是接触部位的最大应力； 3 ． 3 摩擦接触区域应变分析 p 。 是法向线性载荷 ；E是弹性模量；D是 圆柱体直 根据 H o o k e定律 ，在弹性状态下，应变 与 径。 应力 满足线性比例，即 t r E e 。 主应 力为 在各 向同性材料 中 ，弹性剪切模量 G 、弹性模 量 p 。 e 一 1 c 。 一 s i ] E和泊松 比 之 间满足关 系式 E 2 G 1 。结合应 。 一 I f 1 - c o s ／ 3 i n fl 力分量，应变分量为 f ， 3 l 2 { [ 一 cth a - 1 1 一 一 瓣sh 3otch ot十 1 ] [ 2 1 c th a - 1 一 ] 13 s { [ 一 cth a - 1 1 一 一 瓣sh 3a ch a 一 1 ] 2 cth a - 1 ～ sh 4a 2] c th a 14 cth a - 2 瓣sh 3a ch x ㈠_ } 15 根据如 图 6所示 的应 力 图像 ，在接 触部 位前方 ， 应力为负值 ，材料受压；在接触部位后方 ，材料受双 向拉伸。钳牙接触套管区域内，材料受压，钳牙接触 区域附近 ，材料受到双向拉伸作用，并且压应力远大 于拉应力 。主要体 现出钳 牙对材 料的挤 压效果 。 l 0 5 0 z ’ 0 5 -1 ． 1． 5 目 - 2 _2 5 3 ．3． 5 图 6 主应力分布 Fi g 6 Th e ma i n s t r e s s d i s t r i b u t i o n 深度有限，剪切作用不太明显。同时根据应变方程式 发现，若摩擦因数增大，接触载荷增大，都会导致应 变增大 ，应变幅值也会随之增加。若干参数中，相 比 较而 言 ．摩擦 因数对拉伸应变 的影响更加 明显 。后续 在设计微牙 痕套管 钳时 ，套管管径与所需接触载荷是 一一 对应。为减少钳牙对套管的伤害，在保证上卸扣 质量 ，满足最佳切径 比的前提下 ，减轻牙痕深度 ，必 须适当降低摩擦因数，增大钳牙接触个数 ，加大钳牙 与套管的接触面积，有效减少应力集中。 200 150 lO0 50 毯 0 ．50 1 00 ．40 根据如图 7 所示的应变图像 ，材料承受方向可变 的应变，钳牙经过一次套管表面时，表层材料承受一 次正 负应变 变化 。在接触 区域前 方 ，应 变为负值 ，表 明接 触区域 前方受压缩 作用 。在 钳牙 接触 区域后 方 ， 应变 为正值 ，表 明接触 区域后方 受拉伸作用。与应力 4 结论 分析结果基本 吻合 。切应 变稳定 在 0附近 ，由于咬人 1 1 ． Ep i s l o nY 2 ． S i g ma Z 3 ． g a mma Zr -20 图 7 应变分布 F i g 7 Th e s t r a i n d i s t r i b u t i o n 建立 常规 钳牙 咬 紧套管 的力 学模 型 ，用解 1 2 0 润滑与密封 第 4 1 卷 析法求出切径 比，并分析 了切径 比对于液压钳 的影 响。取切 径 比 0 ． 4 5 ～ 0 ． 5 0范 围之 间 较 为经 济 合 理。 当 m值过低 ，钳头过重并且易使管子挤压变形 ；当 m值过高．常规钳牙尖稍有磨损就易打滑。 2 根据磨损定义，分析钳牙对 C R A套管的磨损 机制 ，发现磨损与接触区域、循环次数 、相互接触材 料等因素有明显的关系。根据液压钳咬紧套管步骤， 通过实验研究发现，开始时，钳牙与套管开始间歇性 接触 ，对材料造成轻微 滚动摩擦疲劳损 伤 ；当钳牙咬 入套管 时 ，套管表 面发 生弹性 堆积 。产生 明 显形变 ； 同时．接触部位温度升高，促使套管表层防腐材料局 部相变。套管磨损产生的微小固体颗粒，嵌人钳牙， 加剧表面摩擦，导致表面发生复杂化学变化，致使钳 牙更加坚硬。破坏防腐层薄膜，在套管内层金属材料 形成原电池，发生化学腐蚀，最终造成腐蚀磨损。 3 建立钳牙与套管接触部位 的力学模型，计 算套管本体在载荷作用下的接触应力和应变。研究发 现 ，在接触 部位前方材料受压 ；在接触 部位后 方材料 受拉；在接触区域内，材料受到双向拉伸作用，表层 材料承受一次正负应变变化，并且压应力远大于拉应 力 。切应 变稳定 在 0附近 ．由于咬人深度有 限 ．受 到 轻微 剪切作 用 。摩 擦因数 、接触 载荷增 大 ，都会 导致 应变增大，但摩擦 因数对拉伸应变的影响更加明显。 参考文献 【 1 】K I N Z E L H， B U E T Y N E R K ， J A E N S C H M． G ri p p i n g w i t h o u t s l i p p i n g t h e s a f e h a n d i n g a nd r u n n i n g o f c h r o me p i p e wi t h h a r d s u rf a c e s [ C ] ／ ／ S P E ／ I A D C 7 7 2 4 ， A s i a P a c i f i c D ri l l i n g T e c h n o l o g y， 9-1 1 S e p t e mb e r ， 2 0 0 2 ． 【 2 】L O N G M N A， S A M A D M E I B ， O S U J I B E L L S G， e t a 1 ． 2 5 C r c o mp l e t i o n c a mp a i g n s u c c e s s f u l l y me e t s u nu s u a l ， h i g hl y c o r r o s i v e r e s e r v o i r c o n d i t i o n s a c a s e h i s t o r y [ C ] ／ ／O T C 一 2 4 9 7 9 一 MS ， Of f s h o r e Te c hn o l o g y Co n f e r e n c e， 25 2 8 Ma r c h， 2 01 4． 【 3 】于鹏． D 6 0 - 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