（机械工程专业论文）钻杆矫直原理分析及矫直机构设计.pdf

摘要 在油田的开发过程中需要使用大量的钻杆、套管和油管，这些管材在使用时经常发 生弯曲变形现象，特别是钻井过程中使用的钻杆发生弯曲变形的现象更多，很多钻杆弯 曲变形后无法继续使用。为了节省材料、降低成本，保证现场工作的顺利进行，采用先 进的工艺修复变形的钻杆具有重要的实际意义。 本文在现有矫直理论的研究基础上结合钻杆的材料特性，依据金属材料的弹塑性变 形理论建立了钻杆压力矫直过程的力学模型，分析了矫直过程中压力载荷与矫直行程之 间的关系，并推导出了相应的数学表达式。利用数值模拟方法对钻杆矫直过程中应力应 变间的关系进行了分析，并通过分析数据对理论计算公式进行了一定的修正。 目前用于管材矫直的设备主要分为两大类，其中辊式矫直设备已经做得比较成熟， 但是由于钻杆的两端存在有直径较大的接箍使得钻杆整体上存在凸缘，不方便在辊式矫 直设备上进行矫直，所以本文采用了液压三点式矫直方案。针对钻杆这类大直径、大跨 距的待矫管材，根据其矫直特点设计了相应的矫直机构，其中主要包括矫直机的可移动 主机机构、钻杆旋转机构、上料机构、机架以及可移动支座等。使用三维建模软件建立 了各机构的三维实体模型并利用有限元分析方法对部分机构的关键部件进行了强度分 析，最后利用3 d s m a x 软件模拟了各机构以及整机在实际工作时的动作过程。 本文的研究为钻杆矫直机的矫直计算提供了一定的理论依据，同时也为矫直机的研 制开发提供了一定的参考。 关键词：钻杆矫直，弹塑性变形，力学模型，矫直机构 a n a l y s i so fd r i l lp i p es t r a i g h t e n i n gp r i n c i p l ea n d d e s i g no fs t r a i g h t e n i n gm e c h a n i s m b a il i j i a n ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl i uy a n t o n g a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so fo i l f i e l dd e v e l o p m e n t ，ag r e a tq u a n t i t yo fd r i l lp i p e s ，c a s i n g sa n dt u b i n g s a r en e e d e d i nt h ec o u r s eo fu s i n g ，t h e s ep i p e se m e r g ed e f o r m a t i o n ，b e n d i n ga n dd i s t o r t i o n e x t r e m e l ye a s i l y e s p e c i a l l y , t h ed r i l lp i p e su s e di nt h ed r i l l i n gp r o c e s se m e r g eg r e a tn u m b e r b e n d i n g sa n dd i s t o r t i o n s s o m ed r i l lp i p e se v e nb e c o m eas p i r a lw h o l e l y i no r d e rt os a v e m a t e r i a l s ，r e d u c ec o s t , a n de n s u r et h es m o o t hp r o g r e s so ft h ef i e l dw o r k , i th a st h ei m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et h a tu s ea d v a n c e dt e c h n o l o g yr e p a i rd e f o r m a t i o nd r i l lp i p e b a s e do ns t u d y i n gt h ee x i s t i n gs t r a i g h t e n i n gt h e o r ya n dm e t a lm a t e r i a l s e l a s t i c - p l a s t i c d e f o r m a t i o nt h e o r y , c o m b i n e dw i t hp i p e sm a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h et h e s i se s t a b l i s h e dt h e m e c h a n i c a lm o d e lo fd r i l lp i p ep r e s s u r es t r a i g h t e n i n gp r o c e s sa n da n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e np r e s s u r el o a da n ds t r a i g h t e n i n gt r i pi np r o c e s so fs t r a i g h t e n i n ga n dd e r i v e dt h e c o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n i n t h ea n a l y s i s p r o c e s s ，t h et h e s i sa d o p t e dt h e r e s e a r c hm e t h o dw h i c hc o m b i n e dt h e o r e t i c a ls t u d ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h r o u g h c o n t r a s t i n gt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l ta n dt h ea n s y ss i m u l a t i o na n a l y s i sr e s u l t ，i t f o u n dt h a tt w oc a l c u l a t i o nr e s u l t sa r ec l o s ea n dh a v es m a l le r r o r t oac e r t a i nd e g r e e ，i tp r o v e d t h ev a l i d i t yo ft h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n n o wt h ep i p es t r a i g h t e n i n gd e v i c ei sd i v i d e di n t ot w ot y p e sa n dt h er o l l e rs t r a i g h t e n i n g e q u i p m e n th a sb e e nm a d em o r em a t u r e b u ti to c c u r st h ef l a n g eo nt h ep i p e ，d u et ot h el a r g e r d i a m e t e rc o n n e c t o ro ft h eb o t he n d so ft h ed i l lp i p es oi t si n c o n v e n i e n tt os t r a i g h t e n i n gr o l l e r o nt h es t r a i g h t e n i n ge q u i p m e n t t h i sa r t i c l eu s e sah y d r a u l i ct h r e e - p o i n ts t r a i g h t e n i n g p r o g r a m f o rt h el a r g ed i a m e t e ra n ds p a no ft h ed r i l lp i p e ss t r a i g h t e n i n g ，a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fi t ss t r a i g h t e n i n ga n dd e s i g nt h es t r a i g h t e n i n gi n s t i t u t i o n s t h em a i nd e s i g n o ft h i sa r t i c l ei sl e v e l e rm o b i l eh o s ti n s t i t u t i o n s ，d r i l lp i p er o t a t i o nm e c h a n i s m ，t h ef e e d i n g m e c h a n i s m ，r a c ka n dr e m o v a b l eb e a r i n gb o d i e s t h e nu s et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g i i s o f t w a r et ob u i l da3 ds o l i dm o d e lo ft h ep a r t so ft h eo r g a n i z a t i o n ，u s et h e3 d s m a xs o f t w a r e t os i m u l a t et h ev a r i o u si n s t i t u t i o na sw e l la st h ew h o l ec o u r s eo fa c t i o nw h e ni nt h ea c t u a l w o r kf i n a l l y t h i s s t u d yp r o v i d e s at h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed i l l p i p es t r a i g h t e n i n g m a c h i n e s s t r a i g h t e n i n gc a l c u l a t i o n a n dp r o v i d es o m er e f e r e n c et ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h e s t r a i g h t e n i n gm a c h i n e a tt h es a m et i m e k e yw o r d s ：d r i l lp i p es t r a i g h t e n i n g ，e l a s t i c - p l a s t i cd e f o r m a t i o n ，m e c h a n i c a lm o d e ， s t r a i g h t e n i n gi n s t i t u t i o n s i i i 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章绪论 钻杆是井下钻具的重要组成部分，油田现场在钻杆使用过程中由于工作环境比较恶 劣，经常发生钻杆弯曲、变形等问题，导致钻杆无法继续使用，降低了工作效率，增加 了钻井成本。现有的钻杆矫直设备矫直效率和矫直精度都不高，无法满足高效快速的矫 直要求，因此对钻杆矫直方法及相应的矫直设备进行研究具有重要的意义。 1 1 研究背景及意义 本课题来源于中石化胜利油田分公司技术开发项目“孤东油田钻杆修复工艺技术研 究”。 目前我国石油石化行业中所使用的钻杆经常会发生各种形式的弯曲，并且在运输、 装卸过程中钻杆弯曲、受扭的现象更是经常发生。如果对弯曲变形的钻杆不及时进行修 复则很难在下一次钻井过程中得到质量优良的井身，并且钻井效率也会大大降低。本文 针对发生弯曲变形的钻杆进行了相关矫直理论和矫直设备的研究。 油田现场存有大量待修复的钻杆，但由于缺乏有效的修复手段使得钻杆的矫直质量 难以保证。而目前矫直设备的操作主要是由工作人员根据以往矫直同类型钻杆的经验来 确定矫直的下压行程，然后手动控制设备压下并根据有关的经验标准来检验钻杆的平直 度。这种传统的操作方式对工作人员的经验度依赖比较高，矫直的效果也有着很大的波 动，整个过程的工作效率和控制精度都比较低。因此研究适用于钻杆使用的液压矫直机 具有十分重要的意义。 1 2 国内外矫直技术研究现状 矫直技术的研究内容主要包含矫直理论的研究和矫直设备的研究两大类。在矫直理 论研究方面，通过国内外诸多学者的不断努力使得矫直理论的研究取得了很大的进步， 相应的理论体系也不断完善；在矫直设备的研究方面，随着矫直技术的快速发展，相应 矫直设备的种类也日益增多，并且矫直设备的功能也日趋完善。总体来讲，国外对矫直 设备的研究起步较早，其相应的矫直技术也比较成熟；国内虽然对矫直设备的研究起步 较晚，但通过学习国外的先进技术以及不断的自主创新，使得国内矫直技术的发展也取 得了较大的进步。 第一章绪论 1 2 1 国内外矫直理论研究现状 矫直理论研究对矫直技术的发展起着非常重要的作用，国内外学者对此都做了大量 的研究工作。 h a a i q u r e s h i 掣9 】对管材发生弹塑性变形时的弯曲量进行了详细的研究，并得到 了弯曲回弹量与残余应力之间的近似关系。分析时作者对管材性质做了一定的理论假 设：( 1 ) 中性轴假设：管材在弯曲过程中忽略弯曲变形引起的中性轴的偏移，理想的认 为整个过程中性轴是保持不变的；( 2 ) 管材的连续性假设：管材内部均由连续介质组成， 整个管件材料内不存在任何空隙，这就保证了管材的各个参数量均可看作是连续变化 的；( 3 ) 管材的同一性假设：管材各处的材料性质、组织成分都是相同的，这样可以保 证整个管材各部分的物理性能是一样的；( 4 ) 管材变形过程中忽略起皱、包申格效应及 拉裂等现象对变形产生的影响。在以上基础上，研究人员对不同型号的管件进行了实验 研究，以确定管件回弹量与残余应力之间的变化关系。通过实验发现，理论分析结果与 实验分析结果相差不大，证明了理论推导的正确性，这对今后矫直理论的发展具有一定 的促进作用。 日本研究人员在进行矫直机设计的时候，对相应的矫直理论也进行了研究。首先对 工件矫直时的变形情况进行了分析，总结了矫直过程中应力应变间的变化规律，得到了 弯曲量与下压挠度的函数关系并建立了相应的力学模型；然后通过对不同型号的工件进 行了测试，得到了不同阶段的曲率变化情况，以此确定最优参数来辅助完成矫直理论的 研究。 在我国历史上有关矫直理论产生的详细资料记载并不是很明确，但是通过对古代一 些金属文物的挖掘考察可以看到，矫直工艺已经在我国古代人的生活中得以应用。其中 矫直的对象包括一些铁棒、锻剑、战矛等金属制品。到了后期，又出现了热加工矫直的 方法，将需要矫直的工件先进行热处理，然后再通过铁锤等工具进行锻打，从而达到修 复的目的。在长期的矫直修正过程中，人们在实践中认识到了金属材料弹塑性变形的特 性，提出了“矫枉必先过正”的哲理，其思想与现在的理论基础本质上是一样的，这对 指导我国古代人民进行具体的矫直工作具有十分重要的意义。 建国后国内有关矫直理论的的研究，大部分都是以弹塑性变形理论为基础来展开 的。很多研究人员相继建立了不同的数学模型，如：文献 2 】对矫直过程进行了较为详细 的理论分析，推导建立了矫直过程中应力应变之间的计算公式，并且该研究也为今后国 内矫直理论的发展奠定了基础；文献 4 初步建立了以理论计算和有限元模拟相结合的研 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 究方法；文献 8 】在对弯曲钢管进行变形分析的时候，通过忽略管材径向应变及相应的壁 厚变化，推导求出了管材的弯曲力矩，并在分析过程中假设钢管的中性层不变，通过弯 曲力矩计算得到回弹角的函数关系；文献 3 4 】讨论了轴类零件的矫直问题，通过公式推 导得出了相应矫直行程的数学模型，并以实验的形式予以了验证。 随着计算机技术的快速发展，有限元分析方法逐渐被应用到了矫直理论的研究中 来。国内研究人员最早利用的是a d i n a 有限元程序对轴类零件的矫直挠度进行了模拟 分析，并将模拟结果与实验结果进行了对比，验证了数值模拟方法在矫直理论研究中的 可行性。随后，很多研究人员也利用类似方法对矫直理论进行了研究，如文献【1 9 】对圆 钢的压力矫直过程进行了有限元研究；文献【2 3 对光轴矫直过程进行了有限元分析，建 立了载荷挠度模型，并与实验结果进行了对比，证实了有限元分析方法在矫直理论研 究中的实用性，同时也为矫直理论的研究提供了新的方法。 1 2 2 国内外矫直设备研究现状 英国在1 9 0 5 年发明制造了世界上第一台辊式板材矫直机，这也是日后辊式矫直机的 雏形；到了2 0 世纪中期，用于矫直棒材的二辊式矫直机也被制造出来。随后几年五辊矫 直机由英国研制成功并投入生产，其主要用于矫直管材类工件，这和先前的二辊矫直机 相比，在矫直速度上有了大幅度的提高。到了2 0 世纪6 0 年代日本研发出了多斜辊矫直机， 此类矫直机可以矫直更加复杂变形的管材、棒材以及轴类零件，并且在矫直质量以及矫 直效率上都有了很大的提高。随后，在多斜辊矫直机的研制基础上日本又研制成功了六 辊矫直机，其性能更加优异。现在比较常用的有日本的a s p 智能矫直机，该机可以自动 检测工件的弯曲量并将其转换成可以计数的脉冲信号以此来控制压头的行程1 2 j 。 此外，詹尼( 陋卜小) 公司生产的全自动矫直机其工作范围涵盖了1 1 0 0 吨的载荷 跨度，能够矫直多种规格的工件；德国d u n k e s 公司生产的手动单柱伺服液压矫直机 可以提供1 0 0 k n 2 0 0 0 k n 之间的压力载荷，整机结构紧凑，操作方便；德国的m a e 公 司生产的a d s 2 5 r h 2 5 k n 和a d s f 6 3 r h 6 3 0 k n 系列闭式自能化矫直机，可以实现工 作中设备的完全自动化操作；m u l l e i 迮i n g a r l 陋公司生产的r r e 型号的全自动液压 矫直机，可以通过计算机对矫直设备的动作进行控制，其自身携带的数据库系统、检测 系统可以快速的分析矫直时工件的各项参数的变化，提供实时动态的矫直信号，其矫直 精度可以达到0 0 1 m m ，并且结果数据可以在相应的显示设备上进行显示，为后续分析 提供数据支持1 2 2 1 。 3 第一章绪论 建国以后我国十分重视矫直技术的发展，通过不断的自主创新我国成功开发出了多 个系列的矫直设备，适用于矫直多种类型的工件。其中西安重型机械研究所对矫直机的 设计研发工作做出了重大贡献，为我国矫直机的设计研发奠定了敦实的基础；太原重型 机械厂在矫直机的生产制造过程中也做了大量的创新工作，不仅将理论研究与实践作了 很好的结合，同时也为我国今后矫直设备的研发提供了宝贵的经验。图1 1 所示为我国 自行生产的立式液压矫直机1 2 j 。 1 一液压站2 一工作缸3 一提升缸4 一上横梁5 一工作柱塞6 一立柱7 一活动横梁8 一工作台 9 一下横梁1 0 一工作台l l 一翻钢小车1 2 一翻钢辊1 3 一小车行走齿条1 4 矫直行走轨道 图1 - 1 门形闭式液压矫直机示意图 f i g 1 - 1d o o rs h a p e dv e r t i c a lh y d r a u l i cs t r a i g h t e n i n gm a c h i n e 此类矫直机机架多为c 形开式结构和门形闭式结构，图1 1 所示为门形闭式结构矫 直机，机器各部件如图所示。由上图可知，液压站装在机器顶部，其下直接与工作缸相 连接，工作塞内的柱塞可推动活动横梁7 下行，对台8 上的管材施加压力进行反弯矫直。 主缸两侧的耳缸为提升液压缸3 ，缸内活塞可快速将活动横梁抬起返回原位。上横梁与 底座之间用4 根立柱连接，行成框架封闭受力体系，具有刚性高、强度好、结构紧凑、 振动小等优点。整个矫直机支承在4 个行走车轮上，并可沿相应轨道行走，而工件放在 门形立柱之间的工作台上，矫直机行走到工件弯曲处用压头对准凸弯进行压下矫直。当 凸弯相位偏离压头时，由翻钢小车开动翻钢辊转动工件，使凸弯处对准压头，然后开始 下压矫直。 合肥工业大学在自动矫直机的研究方面有着比较快速的发展，相关的自动化系列产 品在国内均具有较高的领先地位。其设备在检测精度、矫直精度、矫直效率以及自动化 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 控制方面都达到了先进的国际水平，是我国自动化矫直机研究领域的先行者。如图1 2 所示为合肥工业大学于2 0 0 1 年参与研发的y h 4 0 2 5 型号全自动精密矫直机【1 8 】。 图i 2y h 4 0 - 2 5 型自动精密矫直机 f i g ! - 2y h 4 0 - 2 5a u t o m a t i cs t r a i g h t e n i n gm a c h i n e 整体结构为门型闭式结构，其工作压力能够达到i o o k n ，相应的工作参数可以通过 控制面板进行输入，并通过液晶显示装置将结果予以显示。由于该机结构紧凑，体积较 小，因此使用起来十分灵活，便于生产布置，具有很强的环境适应能力。该设备通过液 压伺服系统进行控制，可以准确快速的进行定位、下压，使得工件的矫直质量和矫直效 率明显提高，该机对于进行人批量的高精度矫直修正工作具有很好的促进作用。 除了上述科研单位，长春实验研究所在矫直设备的研制方面也作出了突出的贡献。 该研究所在2 0 0 3 年生产出了白行研发的a s c i i 型号的自动矫直机。该型号矫直机的压 力范围非常广泛，包括：1 0 0 k n 、2 0 0 k n 、3 0 0 k n 、4 0 0 k n 、5 0 0 k n 、6 0 0 k n 和8 0 0 k n 多个型号，并且在自动化控制方面做了大量的完善和改进工作，使其更加符合我国人员 的操作习惯，如图卜3 所示【7 i 。 图1 - 3a s c i i 系列自动矫直机 f i g 1 - 3a s c - - i is e r i e sa u t o m a t i cs h a f ts t r a i g h t e n e r 通过国内外矫直技术的发展现状可以看出，目前矫直机不仅种类繁多，而且功能也 越趋智能化。随着计算机技术的快速发展，相应的控制检测技术也得到了很大的提高， 5 第一章绪论 有些设备还可以进行远程操控并带有自身的数据库系统，对于不同的矫直情况可以从数 据库中直接查找最适合的矫直方案，快速的运用到现场操作过程中，极大提高了矫直工 作效率。 虽然矫直设备的发展十分迅速，但是目前对于大口径、大跨度管材矫直设备的研究 还比较欠缺，其智能化程度不高，相应的控制检测手段也比较落后。如图1 4 所示为大 跨距钢管液压矫直机，其主机为c 形结构，不可移动，施力较小；图1 - 5 所示为大口径钢 管液压矫直机，可矫直钢管的最大直径达8 0 0 毫米。这两种设备对工作者的操作经验依 赖较高，使得整个过程的矫直效率和矫直质_ _ 晕= 都比较低。 图1 4 大跨距矫直机图1 5 大口径矫直机 f i g 1 4l a r g es p a ns t r a i g h t e n i n gm a c h i n ef i g 1 5l a r g ed i a m e t e rs t r a i g h t e n i n gm a c h i n e 因此对大口径、大跨距的管材矫直设备进行研究具有重要意义，这对于其今后的智 能化、自动化发展具有很大的推动与促进作用。 1 3 论文的主要研究内容 根据前期的调研和相关的技术需求，结合目前矫直设备的技术研究现状，确定论文 的主要研究内容。 论文主要包括以下研究内容： ( 1 ) 钻杆矫直理论的研究 针对发生弯曲变形的钻杆，以金属弹塑性变形理论为基础对钻杆矫直原理进行分 析。根据压力矫直过程中的力学特性以及相应的变形曲线关系，对钻杆在弯曲变形过程 中的弯矩、压力以及挠度之间的关系展开理论研究并推导出矫直压力与矫直挠度的计算 公式，为实际矫直工作提供一定的理论指导。 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 ( 2 ) 钻杆矫直过程应力应变分析 利用有限元分析软件对钻杆的矫直过程进行数值模拟，通过建立钻杆的有限元模型 以及施加相应的工作载荷分析得到钻杆矫直过程中应力应变之间的关系，并根据数值模 拟计算结果对理论公式进行了一定的修正，使理论计算方法能够更好的应用于生产实 际。 ( 3 ) 矫直机构设计 根据钻杆的矫直特点以及压力矫直机的工作原理，在已有矫直设备的研究基础上制 定出钻杆矫直机的设计方案。并对相应的矫直机构进行设计，其中主要包括矫直机机架、 矫直机可移动主机、钻杆旋转机构、矫直机上料机构等。利用三维建模软件建立各机构 的三维模型并将各部分按照实际工作要求装配在一起，完成装置的整体装配，为后续设 计提供基础。 ( 4 ) 整机模型运动仿真 利用3 d s m a x 软件模拟各机构以及整机在实际工作时的动作情况，并得到相关工作 过程的动画演示。通过模拟有关工作过程可以检查各机构工作时是否发生干涉，进而保 证矫直过程能够顺利进行。 7 第二章钻杆矫直原理分析 第二章钻杆矫直原理分析 对钻杆的弯曲形状进行研究，并在钻杆弯曲变形的基础上依据金属弹塑性变形理论 对钻杆的矫直原理进行分析，建立钻杆压力矫直过程的力学模型，为实际工程应用提供 理论指导。 2 1 钻杆弯曲形状研究 钻杆在实际的使用过程中由于所受到的应力不同以及地质环境的刁i 同，使得每根钻 杆的弯曲变形情况不同，导致钻杆的弯曲变形呈现多样性。然而通过观察大量变形弯曲 的钻杆可以发现，虽然每根钻杆上的变形位置不同，但其大多都集中在钻杆的某处或某 几处，这使得钻杆的弯曲变形又呈现出一定的规律性。因此，在实际矫直过程中只有遵 循弯曲变形规律，才能使矫直工作能够顺利高效的进行。经过分析，发现现场钻杆的弯 曲情况主要有以下形式。 图2 - 1 钻杆弯曲形状 f i g 2 - 1d r i l lp i p eb e n d i n gs h a p e 图2 1 显示了钻杆使用过程中的几种常见弯曲现象，当钻杆发生此类弯曲时，钻杆 和其他连接管具的轴线将无法满足同轴度，以至钻杆旋转时就会发生偏转，这样一方面 会在钻具的连接处造成过大的应力损伤，另一方面也会增加钻杆的磨损。当钻杆弯曲曲 率较大时，钻杆杆体还会和井壁发生磨擦造成钻杆杆体的破坏。在现场油田工作过程中， 高速转动的钻杆接头和井壁或套管壁也会不断地摩擦，导致接头处发生严重磨损，尤其 在地质比较硬的工作环境中这种磨损会更加严重。因此对弯曲钻杆的变形规律进行研究 就显得尤为重要，这样既可以为后续的矫直工作提供变形基础，又可以为钻杆弯曲的预 防提供经验方法，以下将针对钻杆的具体弯曲形式分析其相应的矫直方式。 ( 1 ) 单一型及不同平面内弯曲弧度 对于这种只是存在单一变形的情况，可以将弯曲的钻杆看作理想的简支梁模型，其 最大弯曲变形往往发生在中点附近，所以为了得到理想的矫直效果，压点一般选则在初 只 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 始弯曲最大点处或最大弯曲点的附近，两支点到压点的距离应分别相等，距离大小的确 定应该依据矫直机实际工作情况以及钻杆的初始弯曲量予以调节。通过分析可知，钻杆 的弯矩变化梯度与两支点处的反力是相等的，它与钻杆的抗弯截面模量成正比，与钻杆 的长度成反比【2 1 。所以对于同一型号的钻杆，如果将两支点间的距离设置的越大，那么 所需的相应矫直力就会越小；对于不同型号的钻杆，如大截面的钻杆可以通过加长支点 间的距离来相应降低所需的矫直力，反之亦然。这样即能符合矫直要求，又可以充分发 挥矫直设备的工作能力。对于钻杆在不同平面内存在多个弯曲变形的情况，由于设备自 身具有钻杆旋转装置，所以在矫直时可以启动旋转装置，将钻杆的弯曲处对准压头，然 后便可依照单一变形的矫直方法对弯曲处进行逐一加压修正。 ( 2 ) 密集型弯曲弧度 对于这种情况，由于弯曲变形的密度较大以至无法通过对每个弧度的依次矫直达到 理想的矫直效果，所以可以在钻杆的中间部位先进行一次大的反弯矫直过程，然后撤去 矫直压力，使钻杆的弯曲变形变成一个或两个较大弧度的残留变形【2 2 1 。如此便可将密集 型弧度问题转化为了单一的弯曲变形问题来进行分析，然后便可以依照第一种的矫直方 案进行修正，通过施加相应的矫直压力使钻杆在卸载后得以矫直。 2 2 钻杆矫直过程分析 弯曲的钻杆之所以能够被矫直修复，是由钻杆的弹塑性变形特性所决定的。钻杆受 力发生变形时，当外界载荷不超过弹性极限，卸除载荷后钻杆的变形可以自行消失，材 料的这种变形为弹性变形；当载荷超过弹性极限时，卸除载荷后钻杆的部分变形无法消 失而行成永久性的变形，材料的这种变形为塑性变形。 2 2 1 钻杆矫直过程理论基础 钻杆在加载的过程中，当矫直压力使弯曲变形达到屈服极限之前，钻杆的变形可以 看作是简单的拉( 压) 变形，其受力和变形之间成一定的线性关系，这个过程满足的方 程为： 矿= e c( 2 1 ) ( 弹性模量) 是与钻杆的金属材料相关的参数。随着载荷的不断增大，钻杆开始进 入到了另一个变形阶段，此时应力一应变间的关系将不再遵循单纯的线形变化规律，而 是表现为某种曲线关系，这一过程为钻杆的弹塑性变形过程。停止加压后，钻杆会有一 9 第二章钻杆矫直原理分析 部分变形得以恢复，还有一部分的变形无法恢复而成为永久性的变形，形成钻杆的残余 挠度，卸载后的整个变化过程为钻杆的弹性回弹过程。这一过程的方程只能用增量形式 表示为： a o - = e 占 ( 2 2 ) 随着矫直压力的不断增大，钻杆的弯曲变形将发生一系列的变化，其过程可以分为 三个阶段，并且每个阶段都有各自的变形特点。所以在矫直过程中应遵循每个阶段的变 形规律，这样才能够较好的将弯曲的钻杆予以矫直。其变形过程如图2 2 所示。 ( a ) 矫直前( b ) 加压反弯( c ) 矫直后 图2 - 2 加压变形过程示意图 f i g 2 - 2c o r n p r e s s i o nd e f o r m a t i o np r o c e s ss k e t c hm a p 钻杆的压力矫直过程是一个复杂的变形过程，为了能够准确、定量的反映钻杆矫直 过程中杆体的变形情况，现引入弹区比的计算公式【1 3 ，如下： 善= e h ( 2 - 3 ) 式中，h 一钻杆弹性区的厚度( m m ) ； 一杆壁的厚度( r a m ) 。 其中亭的取值范围是0 1 ，当亡= 1 时钻杆的变形是纯弹性变形，其变形量都可以自 行恢复：当f = 0 时钻杆的变形全部为塑性变形，其变形量均不能得以恢复；当f 的取值 在0 1 之间时，钻杆的变形既包括弹性变形又包括塑形变形，其变形量一部分能够得到 恢复，另一部分将形成永久性变形。在整个矫直工作过程中存在最大下压量的限制，对 于最大下压量的计算目前大部分研究是以弹塑性变形理论为依据来进行推导的，最大下 压量是由钻杆的初始弯曲程度决定的。对于理想的弹塑性材料，当钻杆两端由支点支撑 且在中间位置施加矫直压力时，通过弹塑性弯曲理论可以得出：当加压处截面的塑性变 形达到1 0 0 ( 弹区比= 0 ) 时，此处截面将产生塑性铰，在这个位置管材将不能承受 任何压力，此时如果继续施加载荷将会使钻杆产生过度弯曲并最终导致钻杆破裂损坏。 此时所对应的矫直行程就是单次矫直过程中所允许施加的最大下压量。对于强化弹塑性 材料而言，由于材料的特殊性其屈服极限不是很明显，并且当材料进入到弹塑形变形阶 段的时候其材料的弹性会增强，这就导致材料的边层应力极限值发生变化1 2 】从而对矫 10 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 直行程的计算产生影响。 钻杆在矫直压力的作用下虽然存在非线性的变化过程，但是在理论推导的过程中会 对一些变化过程进行一定的简化处理和相应的理论假设。因此，本文做了如下几方面的 假设1 1 3 】： ( 1 ) 中性轴假设：钻杆在矫直压弯过程中，忽略弯曲变形引起的中性轴的偏移， 即整个矫直过程中性轴保持不变。 ( 2 ) 管材的连续性假设：管材内部均由连续介质组成，整个钻杆材料内不存在任 何空隙，这就保证了钻杆的各个参数量均可看作是连续变化的。 ( 3 ) 管材的同一性假设：钻杆各处的材料性质、组织成分都是相同的，这样可以 保证整根钻杆各部分的物理性能是一样的。 ( 4 ) 在加压矫直的过程中，钻杆首先开始的是弹性变形，此过程遵循胡克定律， 然后部分材料开始发生弹塑性变形，随着压力的持续，钻杆进入弹塑性变形的区域越来 越大，如果在某一时刻进行卸载，杆体将会发生部分的弹性回弹，此过程同样遵循胡克 定律。 2 2 2 钻杆矫直过程受力分析 目前对于钻杆的矫直工作主要采用液压矫直机来进行矫直，其工作原理如图2 3 所 示。 图2 - 3 压力矫直机工作原理示意图 f i g 2 - 3p r e s s u r es t r a i g h t e n i n gm a c h i n es c h e m a t i c 工作时压头对准钻杆弯曲的高峰点，然后开始下压，随着压力的增大，高峰点被压 下并产生反向变形，反向变形量的大小以及所需施加的矫直压力的大小均由钻杆的初始 弯曲量决定。加压过程中，钻杆受到工作主缸活塞杆压头的压力作用，杆身受到两端支 座的支撑作用，并且支座上会有相应的夹紧装置夹住钻杆杆身，以防止其发生转动，从 1 1 第二章钻杆矫直原理分析 而保证加压矫直时钻杆的稳定性。设作用在钻杆上的总压力为f ，两支点对钻杆的支撑 力分别为局和屁，支座与钻杆间摩擦力产生的摩擦阻力矩为m ，钻杆受力简图如图2 - 4 所示。 图2 - 4 钻杆受力简图 f i g 2 - 4s k e t c ho fd r i l lf o r c e s 根据空间一般力系的平衡条件列y 方向的平衡方程： y f ( y 1 = 0 ( 2 - 4 ) ，一曩一最= 0 其中由于两支点在压点两端对称分布，所以f l = f 2 。 根据空间一般力系的平衡条件列力矩的平衡方程： m = 0 ( 2 5 ) 0 l d + 2 d f 万= 0 另外，由摩擦力的计算公式可以得到： 乃。= 2 = 互 ( 2 - 6 ) 式中，确一钻杆与支座间的摩擦力( n ) ； d 一钻杆的外径( m ) ； z 一钻杆与支座间的摩擦系数； 万一钻杆弯曲最高点实测位置与理想位置偏移量。 由于实际工作过程中j 值非常小，所以在计算时可以忽略摩擦力产生的影响，即 钻杆在矫直过程中只受到中间压力与两支座支撑力的作用。 2 3 钻杆矫直过程力学模型的建立 钻杆在外力作用下弯曲时，弯曲变形区的外侧材料受到切向拉伸而伸长，内侧材料 受到切向压缩而缩短，整个过程是一个复杂的变形过程。通过对钻杆的整个变形过程进 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 行分析来建立相应的力学模型，这对于分析钻杆矫直过程中的变形规律有着十分重要的 意义。以下将针对钻杆矫直过程中的不同变形阶段，建立相应的力学模型。 2 3 1 矫直过程力学分析 根据弹塑性变形理论，提出了在完整矫直过程的基础上进行力学模型建立的方法。 该方法将钻杆加压过程中的弹性变形阶段、弹塑性变形阶段以及弹性回弹阶段这三个方 面综合起来考虑，最终推导出相应的力学模型公式。由于这种研究方法的完整性与连续 性，所以用其建立起的力学模型也就可以更加直接方便地应用到矫直问题的分析中去， 为实际的矫直过程提供理论计算方法，从而使矫直效率和矫直精度都能够得以提高。 在现有环形截面管材力学模型的研究基础上，针对钻杆矫直过程中的实际情况，以 弹塑性变形理论为基础，推导建立整个矫直过程中的力学模型，相关的变形曲线如图2 5 所示。 o 图2 5 压力矫直过程变形曲线 f i g 2 5p r e s s u r ed e f o r m a t i o nc u r v eo fs t r a i g h t e n i n gp r o c e s s 上图中的尽j 曲线可以用来反映整个压弯修复过程中矫直压力，与矫直挠度6 之间 的关系1 2 5 1 ，整个曲线过程可以分成三段来分析：弹性弯曲过程o a 段、弹塑性弯曲过程 a c 段以及卸载后的弹性回弹过程c d 段。加载后o a 段产生的是完全的弹性变形，其 变化过程满足线性规律，继续施加压力到c 点后停止加压，a c 段产生的是弹塑性变形， 在这个过程中钻杆的变形规律是非线性的；c d 段为停止加压后的弹性回弹过程，回弹 部分的变形可以看作是纯弹性变形过程，线性变化规律与o a 段相同。由于钻杆在加压 矫直的过程中必须产生过弯现象，所以此过程必然会产生不可恢复的永久性变形，即会 有残余挠度产生。由于残余挠度的形成，导致钻杆的回弹曲线最终只能恢复到d 点，所 以o d 段所对应的南值就是单次矫直过程中产生的残余挠度值。由c 点到d 点产生的 第二章钻杆矫直原理分析 6 变化值定义为曲，为钻杆的弹性回弹量。所以根据图形曲线可以推出：对于初始变形 量为南的钻杆，当下压量为龟= 南+ 如时，钻杆所对应的矫直过弯量也是曲，即回弹量 等于过弯量。如果在此时撤去矫直压力，则钻杆在理论上就可以刚好被矫直。因此，如 果能够推导出o a 段、a c 段和c d 段的f - j 关系式，就可以根据钻杆的初始弯曲量面 来计算相应的矫直行程曲以及相应的矫直压力f ，从而也就建立起了整个矫直过程的力 学模型。 由于o a 段为钻杆的弹性变形过程，所以其关系曲线满足胡克定律的线性变化关系， 相应的数学表达式为： 万：塑：上f ( 2 7 ) 口= 一= 一， k z - ， 4 s e i6 e j 式中，e 一钻杆弹性模量( p a ) ； ，一钻杆惯性矩( m 4 ) ； ，一工作过程中支点到压点的距离( m ) 。 钻杆在停止加压后的回弹阶段也遵循胡克定律，并且c d 段与o a 段的斜率是一样 的。在a c 段过程中由于变形关系较为复杂，所以先为其曲线关系构造某一函数表达式， 定义为：f 影砂。由矫直过程变形曲线关系可知，实际工作时钻杆的变形过程要经历三 个变形阶段，其中弹塑性变形阶段矫直压力与下压量之间存在某一函数关系式： f = 厂( 万) ( 2 - 8 ) 根据钻杆的初始变形量南，可以推导得出卸载后c d 段所对应的函数关系式为： v = k ( 8 - 8 0 ) ( 2 9 ) 联立式( 2 8 ) 及( 2 9 ) 可以得出c 处的挠度关系式： 厂( o 3 = k ( 8 - 8 0 ) ( 2 1 0 ) 所以整个矫直过程中三个阶段的力学模型( f - j 关系) 可以用如下关系式予以表示： i 七万( o s f e ) f = f ( 8 )( f f 只) ( 2 1 1 ) 【k ( 8 - 8 0 ) ( 0 f 只) 式( 2 1 1 ) 可以用来表示整个矫直过程中矫直压力和下压量的关系。根据图2 5 ， 若已知钻杆的初始变形量南，就能够以此确定d 点的位置，然后通过d 点做出弹性回 弹线，回弹线将与a c 段曲线相交于c 点，由此又可以确定c 点的位置，进而得出相应 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 的弹性回弹量籼。此时c 处所对应的压力就是本次矫直过程中所应提供的最大矫直压 力，对应的变形量c i d + 曲就是矫直过程所要提供的最大下压量。 使用式( 2 1 1 ) 进行矫直参数的计算时，最为关键的问题是要建立起a c 段变形过 程中载荷，与挠度艿之间的关系，即求得，鼍俐的具体函数表达式。所以矫直过程力学 模型的建立问题也就相应转换为了建立弹塑性变形阶段力学模型的问题。无论是工件的 材料性质不同，还是工件的截面形状不同，其矫直过程弹塑性变形阶段力学模型的建立 方法是相同的。以下给出了弹塑性变形过程中力学模型的建立方法，如图2 - 6 所示为钻 杆弹塑性变形阶段相应的变形关系图i l 引。 d fj 2 卜 一，一，一一，一一 f一x 一 6 i j x 一 l s厶 一 f 2 ：7z 一 图2 _ 6 钻杆弹塑性变形阶段关系图 f i g 2 - 6d r i l lp i p ee l a s t i c - p l a s t i cd e f o r m a t i o np h a s ed i a g r a m ( 1 ) 弯矩的计算 由图2 - 6 可以看出，钻杆在x 轴方向上的弯矩大小可以表示为： m ：三a( 2 1 2 ) 2 在钻杆弹塑性变形过程中，根据矫直压力与钻杆变形之间的关系，在钻杆横截面的 厚度方向上进行积分，能够得到截面弯矩的关系式： m = ( f ) ( 2 - 1 3 ) 当弹区比乒1 时，可得到横截面上的极限弹性弯矩： m ，= 眩仃。 ( 2 1 4 ) 式中，昵一钻杆抗弯截面模量( m 3 ) ； 毋一材料的最大屈服强度( p a ) 。 ( 2 ) 弹塑性变形阶段矫直压力范围的确定 由公式( 2 1 2 ) 可以确定钻杆施加压力处产生相应弹塑性变形的弯矩范围，其方法 为：在图2 - 6 所示中点x = l 处，当乒l 时，可以得到最小弯矩必嘲，并且由式( 2 1 4 ) 可知肘赫= 尬。根据钻杆的材料特性可知，当f 达到相应允许的最小值时，可以得到最 1 5 第二章钻杆矫直原理分析 大弯矩必眦，然后将弯矩的最大值和最小值分别代入式( 2 1 2 ) 中，可以得到相应的压力 范围，其函数关系式如下所