楊秀光，張剛剛，姜 紅，李光澤，李 寧

(1.中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司，吉林 長春 130103；2.長慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心，陜西 西安 710000；3.吉林省科技館，吉林 長春 130103)

1 引 言

抽油桿作為有桿采油系統(tǒng)的重要組成部分,其可靠性及穩(wěn)定性是油井生產(chǎn)的重要保障。抽油桿疲勞試驗(yàn)是以實(shí)物加載來模擬其在井下的整體受力情況。抽油桿疲勞性能評(píng)價(jià)通常采用抽油桿Ⅱ型試樣，如圖1所示，該試樣中間粗兩頭細(xì)，導(dǎo)致抽油桿易在夾持部位斷裂。研究夾持部位的斷裂機(jī)理，提高抽油桿Ⅱ型試樣疲勞試驗(yàn)成功率，一直是困擾相關(guān)技術(shù)人員的難題。

圖1 抽油桿Ⅱ型試樣

在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，夾塊直接作用于抽油桿Ⅱ型試樣桿體上。為保證在試驗(yàn)過程中不發(fā)生滑移現(xiàn)象，需加大夾持力，這使得抽油桿夾持部位受到較大的載荷，甚至產(chǎn)生一定的損傷。由于抽油桿直線度的原因，試樣在夾持時(shí)不在試驗(yàn)機(jī)的中心軸上，如圖2所示。上下夾塊夾緊后，抽油桿存在軸向力，導(dǎo)致抽油桿桿體的夾持部位存在較大的應(yīng)力集中，加大了抽油桿在夾持部位斷裂的概率。因此，降低夾持部位的應(yīng)力和應(yīng)力集中，可以有效提高抽油桿疲勞試驗(yàn)的成功率。

(a)試樣直線度差 (b)存在軸向力圖2 夾持部位受力分析

本文采用有限元技術(shù)對(duì)常規(guī)V形夾塊夾持抽油桿進(jìn)行了夾持受力分析，并對(duì)夾塊進(jìn)行了優(yōu)化分析，為抽油桿試驗(yàn)夾塊的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2 抽油桿夾持有限元分析

現(xiàn)有抽油桿疲勞試驗(yàn)楔塊為V形夾塊(楔塊)，如圖3所示，夾持試樣直徑16mm。由于抽油桿受動(dòng)載(拉-拉)時(shí)，液壓夾頭需要提供20MPa以上的油壓，才能保證試驗(yàn)時(shí)抽油桿與夾塊間不發(fā)生滑移現(xiàn)象。因此，在仿真中，設(shè)置液壓夾頭壓力為20MPa。

圖3 抽油桿疲勞試驗(yàn)常規(guī)V形夾塊

2.1 仿真三維模型

按照抽油桿實(shí)際試驗(yàn)狀態(tài)，建立仿真模型(如圖4所示)，包括試樣、夾塊、夾頭體、活塞、壓蓋，重點(diǎn)對(duì)抽油桿與夾塊接觸部位建立仿真模型。

圖4 V形夾塊仿真三維模型

2.2 劃分網(wǎng)格

對(duì)仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格模型

2.3 施加載荷和約束

對(duì)壓蓋與液壓油接觸表面施加20MPa壓力，對(duì)活塞桿與液壓油接觸的表面施加20MPa壓力，對(duì)活塞桿上表面施加固定約束，其它接觸采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.15。

2.4 仿真分析結(jié)果

抽油桿應(yīng)力云圖如圖6所示，可以看出，提供20MPa油壓時(shí)，抽油桿最大應(yīng)力2935.6MPa，應(yīng)力主要分布在1450MPa～1750MPa之間，此應(yīng)力分布在抽油桿與普通夾塊全部接觸面上。

圖6 抽油桿應(yīng)力云圖(20MPa)

圖7 普通夾塊應(yīng)力云圖(20MPa)

夾塊夾持部分應(yīng)力云圖如圖7所示，夾持區(qū)域從上端到下端應(yīng)力逐漸減小，最大應(yīng)力11252MPa，發(fā)生在齒頂部，其它部分應(yīng)力分布在5000MPa～7000MPa之間。通過對(duì)抽油桿疲勞試驗(yàn)時(shí)桿體所受應(yīng)力、夾塊所受應(yīng)力進(jìn)行有限元模擬分析，可知在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，抽油桿桿體上受到來自夾塊的應(yīng)力是相當(dāng)大的。

從抽油桿受力云圖可以看出，抽油桿受到的應(yīng)力從上至下依次遞減。抽油桿被夾持部位的斷裂處，不但受到來自夾塊的夾持應(yīng)力，同時(shí)由于抽油桿直線度的原因，還存在一定的剪切應(yīng)力。因此，要提高抽油桿疲勞試驗(yàn)的成功率，主要是降低抽油桿夾持部位的應(yīng)力，特別是夾塊上部夾持應(yīng)力。

3 抽油桿夾塊優(yōu)化分析

3.1 夾塊優(yōu)化設(shè)計(jì)

要提高抽油桿疲勞試驗(yàn)的成功率，主要是降低抽油桿受到的夾持應(yīng)力，降低夾持應(yīng)力最有效的方式之一是增加接觸面積。在夾持力不變的情況下，增加接觸面積可有效降低抽油桿受到的夾持應(yīng)力。在參考V形夾塊的夾持方式、螺紋連接的連接特點(diǎn)后，設(shè)計(jì)了一款圓弧形夾塊，如圖8所示，可有效增加抽油桿的受力面積，降低夾持應(yīng)力。

圖8 圓弧形夾塊

該夾塊的主要特點(diǎn)是采用圓弧式齒牙，最大程度增加了試樣與夾塊的接觸面積，有效減小了夾持應(yīng)力。另外，在夾塊頂端采用過渡齒牙，減小了應(yīng)力集中。夾塊研制完成后，對(duì)圓弧形夾塊進(jìn)行了仿真分析。

3.2 仿真分析

對(duì)液壓夾頭提供20MPa的油壓，對(duì)抽油桿進(jìn)行鎖緊，查看抽油桿的受力狀況。

抽油桿夾持部分應(yīng)力云圖如圖9所示，抽油桿上端受到夾塊的夾持力，最大應(yīng)力1418MPa，應(yīng)力主要分布在472MPa～945MPa之間。應(yīng)力在1000MPa～1418MPa范圍內(nèi)分布在一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，此點(diǎn)為應(yīng)力集中點(diǎn)，不考慮。

圖9 抽油桿應(yīng)力云圖(圓弧夾塊20MPa)

夾塊夾持部分應(yīng)力云圖如圖10所示， 夾持區(qū)域從上端

到下端應(yīng)力逐漸減小，最大應(yīng)力10323MPa，發(fā)生在齒頂部，其它部分應(yīng)力在4600MPa～6900MPa之間。

圖10 圓弧夾塊應(yīng)力云圖(20MPa)

對(duì)抽油桿疲勞試驗(yàn)夾塊的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于常規(guī)V形夾塊，新設(shè)計(jì)的圓弧夾塊由于接觸面積大幅提高，有效降低了抽油桿受到的夾持應(yīng)力，對(duì)于降低抽油桿夾持部位斷裂幾率有著積極的影響。采用兩種夾塊進(jìn)行試驗(yàn)，抽油桿所受到的主要應(yīng)力范圍如表1所示。

表1 抽油桿主要應(yīng)力范圍

相較于抽油桿受到的夾持應(yīng)力，夾塊受到的夾持應(yīng)力更大，說明夾塊不但受到來自被夾持試樣抽油桿的應(yīng)力，同時(shí)還受到來自液壓夾具的應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)力的平衡。通過受力模型可知，夾塊與抽油桿之間的力，主要是夾塊齒牙與抽油桿之間的夾持應(yīng)力，與液壓夾具之間的受力主要是夾具斜面與夾塊本體背面之間的受力。因此，在設(shè)計(jì)制造夾塊時(shí)，需要考慮夾塊本體受到的壓向載荷與夾塊齒牙受到的縱向載荷。

4 結(jié) 論

本文采用有限元仿真技術(shù)對(duì)抽油桿試驗(yàn)夾具進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，圓弧形夾塊夾持優(yōu)于V形夾塊，為抽油桿夾塊的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。