大尺寸石油管具壓力矯直機(jī)的設(shè)計(jì)

在運(yùn)輸、裝載和服務(wù)過程中，尤其是在礦山事故狀態(tài)下和事故期間，為了變直、扭轉(zhuǎn)、扭曲的鉆探、套筒和鉆頭桿等管件。如果鉆頭開始鉆孔后未及時(shí)調(diào)整，就很難在下一口井中鉆孔優(yōu)質(zhì)鉆頭。所以,應(yīng)重視管材矯直和檢測工作。1反彎曲矯直矯直與彎曲是2個(gè)相反的工藝過程,其金屬變形機(jī)理相同。通常,不同金屬有不同的彈性極限,即使在塑性變形條件下,也伴隨著彈性變形。彈性變形意味著勢能的貯存,表現(xiàn)為一種彈性返回能力。在設(shè)計(jì)大壁厚或次大壁厚的石油鉆鋌、套管和鉆桿(含方鉆桿)矯直機(jī)時(shí),必須遵循“矯枉必須過正”的基本原則。圖1為反彎曲矯直原理示意圖。一根曲率半徑為ρ0的受彎管ab,兩端由支點(diǎn)A、B支承。在矯直力F的作用下進(jìn)行反彎曲矯直。矯直應(yīng)滿足反彎曲半徑ρw=矯直曲率半徑ρJ。ρw是在F力作用下使管件變形為a′b′時(shí)的反彎曲半徑。當(dāng)作用力F=0時(shí),a′b′將彈性回復(fù)到a″b″。此時(shí),a′a″和b′b″恰好與金屬的彈復(fù)量—“過正量”相等。將帶有原始彎曲的管件支承在工作臺(tái)的2個(gè)可調(diào)支點(diǎn)之間,用壓頭對(duì)準(zhǔn)工件的最彎部位進(jìn)行反向壓彎,當(dāng)壓彎量(過正量)與工件的彈復(fù)量相等時(shí),停止加力,將壓頭撤離后工件的彎曲部位將變直。事實(shí)上,任何一臺(tái)管材壓力矯直機(jī)均不可能通過1次反彎曲矯直便獲得理想的矯直效果,至少要操作2~3次。因?yàn)榇祟惞芗澢幌抻谝粋€(gè)平面,而是處于多個(gè)平面,即使只在一個(gè)平面內(nèi)發(fā)生,僅憑經(jīng)驗(yàn)施加1個(gè)壓彎量,也很難精確到與管件的彈復(fù)量相等。所以,在第1次反彎曲后,須檢測彈復(fù)量與壓彎量的差值,即殘留撓度值,用此修正值修正下一次的壓彎量,以新的壓彎量再次進(jìn)行反彎曲操作,再次檢測,直到矯直為止。2主要技術(shù)和設(shè)計(jì)原則2.1主機(jī)壓力點(diǎn)最小距離床面總長×總寬14.5m×0.4m支點(diǎn)到壓力點(diǎn)最大距離2.5m支點(diǎn)到壓力點(diǎn)最小距離0.2m扶正夾緊力50kN主機(jī)最大移動(dòng)距離11m壓頭行程500mm壓頭下行最高速度22mm/s壓頭額定壓力2500kN最大壓彎量130mm2.2設(shè)計(jì)原則2.2.1段彎矩分布梯度管材的斷面模數(shù)越大,其抗彎能力越大,即曲率變化越平緩,要求矯直支點(diǎn)距離越大,反之亦然。若把支點(diǎn)A或B到壓力F作用點(diǎn)之間的單位距離曲率變化量定義為曲率變化梯度at,該支點(diǎn)處曲率為零,中點(diǎn)曲率為ρc,支點(diǎn)到壓力點(diǎn)距離為l,則at=ρc/l;又若把支點(diǎn)到壓力點(diǎn)之間單位距離的彎矩變化定義為彎矩變化梯度m,則m=M/l=F/2,M為壓力作用點(diǎn)(中點(diǎn))的彎矩,即,彎矩梯度等于支點(diǎn)反力。為充分利用機(jī)器能力,即矯直力保持在額定值,相應(yīng)的彎矩分布梯度應(yīng)達(dá)最大值。此時(shí),mmax=Fmax/2=MˉˉˉˉMt/Iminmmax=Fmax/2=ΜˉΜt/Ιmin,其中,MˉˉˉˉΜˉ、Mt、lmin為原工件的彎矩比,彈性極限彎矩和支點(diǎn)到壓力點(diǎn)距離的最小值。lmin為設(shè)計(jì)工作臺(tái)面尺寸的重要依據(jù)。2.2.2殘留撓度的確定反彎曲的壓彎量是支點(diǎn)之間的壓彎撓度。對(duì)原管件逐次進(jìn)行反彎曲時(shí),每次的壓彎撓度都應(yīng)根據(jù)小變形原則來確定,使其逐次的累積壓彎撓度等于管件的彈復(fù)撓度,即殘留撓度最終接近于零。2.2.3現(xiàn)有電液缸的設(shè)計(jì)壓頭速度是指管件進(jìn)入工作臺(tái)面后,壓頭接觸管件的速度。它涉及到設(shè)備的工作效率、功率消耗和整機(jī)結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)為快進(jìn)時(shí)需要大流量,加矯直力時(shí)需要小流量,保壓流量僅為泄漏量。為此,液壓回路中,通常設(shè)計(jì)低壓大流量和高壓小流量方案。然而,這種方案耗用功率大,整機(jī)運(yùn)行不經(jīng)濟(jì);液壓元件的規(guī)格和數(shù)量也會(huì)增加,加大了設(shè)備的造價(jià);采用一種液缸的,不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)快進(jìn)、快退和大的矯直壓力。例如,若要快進(jìn)、快退,液缸缸徑就應(yīng)減小,但較小的缸徑滿足不了輸出大矯直壓力的要求。3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1壓力矯直機(jī)系統(tǒng)由于鉆鋌、套管和鉆桿較長,一端附有接箍或接頭,存在凸臺(tái)階,所以,存在各自的斷面模數(shù)差異較大,要求反彎曲的支點(diǎn)距離不同等因素,因此,設(shè)計(jì)了可移動(dòng)支點(diǎn),即可移動(dòng)主機(jī),工件到位后能夠立即夾緊,而且壓頭伸出、復(fù)位迅速。設(shè)計(jì)的GXJ-2500型壓力矯直機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖2。工作時(shí),工件被送入工作臺(tái)后,由圓管移動(dòng)支座支撐就位(棱管用支座支撐),啟動(dòng)轉(zhuǎn)管器,使其受彎最嚴(yán)重部位向上,移動(dòng)主機(jī)至油壓機(jī)壓頭,啟動(dòng)小液缸,使壓頭接觸受彎最嚴(yán)重部位,旋轉(zhuǎn)扶正夾緊機(jī)構(gòu)的手輪,夾緊工件,啟動(dòng)支座移動(dòng)裝置,按施工工藝要求移動(dòng)支座12或13到達(dá)支撐位置,啟動(dòng)大液缸,壓頭加壓和保壓,壓頭卸壓,即完成1次反彎曲作業(yè)過程。測量撓度是否為零,若撓度不為零,再次調(diào)整支座距離,壓頭再次加壓、保壓、卸壓,直至工件撓度小于允許值。3.2大直徑單向柱塞缸快退過程液壓壓力矯直機(jī)要求液壓系統(tǒng)的循環(huán)為快進(jìn)→工進(jìn)→加壓→保壓(時(shí)間控制)快退→復(fù)位、停止。液壓系統(tǒng)原理如圖3。該液壓系統(tǒng)工作時(shí),啟動(dòng)壓力補(bǔ)償變量泵,三位四通電磁換向閥處于左位時(shí),壓力油從小直徑液缸(2個(gè))的B口進(jìn)入上腔室,由于缸徑面積A1小,且與大直徑單向柱塞缸相聯(lián)接,小直徑液缸的活塞將與大直徑單向柱塞缸(柱塞的承壓面積A2約為A1的50倍以上)的柱塞同時(shí)快速下行。同時(shí),液控單向充液閥自行打開,頂部油箱的常壓油進(jìn)入大直徑單向柱塞缸的上腔室;小直徑液缸的下腔室壓力油經(jīng)C口返回底部油箱。當(dāng)壓頭接觸到工件時(shí),小直徑液缸上腔室的壓力油通過順序閥向大直徑單向柱塞缸上腔室的壓力油增壓,并關(guān)閉液控單向閥;一旦壓頭壓力達(dá)到壓力繼電器設(shè)定的壓力值,則開始保壓,由1YT發(fā)出保壓時(shí)間信號(hào),由時(shí)間繼電器執(zhí)行。保壓完后,由時(shí)間繼電器發(fā)出信號(hào),三位四通電磁換向閥換至右位,壓力油將很快達(dá)到時(shí)間繼電器的設(shè)定值,從小直徑液缸的C口進(jìn)入其下腔室,打開液控單向閥,活塞、柱塞將上行,壓頭同時(shí)上行,小直徑液缸中上腔室的油經(jīng)管線返回底部油箱;大直徑單向柱塞缸的油將返回頂部油箱,完成快退。壓頭復(fù)位后,小直徑液缸下腔室的油壓自然達(dá)到繼電器的另一設(shè)定值,2YT隨即發(fā)出停泵信號(hào)。此時(shí),即可卸工件,準(zhǔn)備進(jìn)入下一循環(huán)。4壓力矯直機(jī),也有不帶接充目前,國內(nèi)油田管子站在用的壓力矯直機(jī)壓力為500~1000