卡在卡瓦内管柱力学模型的探讨

卡瓦,钻柱力学模型

石油天然气学报（江汉石油学院学报）

Ｊｏｕｎｍｌ０ｆｏｉＩａｎｄ２００９年８月第３１卷第４期Ａｕｇ．２００９Ｖ０１．３１Ｎｏ．４Ｇ璐ＴｅｃｈｎｏＩｏｇｙ（Ｊ．ＪＰＩ） ３８１

卡在卡瓦内管柱力学模型的探讨

方智贤

朱海燕

Ｉ冻传永（四川宏华石油设备有限公司，四川成都６１００３６）（江汉石油钻头股份有限公司，湖北武汉４３０２２３）（什邡慧丰采油机械股份有限公司，四ＪＩＩ什邡６１８４００）

［摘要］在分析国内外卡在卡瓦内管柱力学模型的基础上，采用ＡＮＳＹＳ软件，对钳牙与钻杆进行三维接

触分析．弄清了钳牙与钻杆的接触状况．揭示了钳牙接触应力的分布规律；在此基础上确定了合理的管

桂力学模型。将管柱视为厚壁筒，卡瓦夫紧部分的管体的径向位移非均匀分布，卡瓦夹紧力均匀分布，

考虑轴向拉应力和卡瓦下边缘管柱横截面上的弯矩．为卡瓦的结构优化设计和新型卡瓦的研制提供一定

的指导。

［关键词］ＡＮＳＹＳＩ卡瓦｝管柱；力学模型；接触分析

［中图分类号］ＴＥ９２１．２［文献标识码］Ａ［文章编号］ｌｏｏｏ一９７５２（２００９）０４一０３８ｌ一０３

目前关于卡在卡瓦内管柱的力学模型，基本上分为２类［１］：一类是美国ＡＰＩ算法，将钻杆视为厚壁筒，并认为卡瓦段管体的变形不受两边管体的影响；另一类是俄罗斯及国内研究比较多的薄壁筒壳算法。ＡＰＩ算法没有考虑卡瓦下边缘处管壁的局部弯曲应力；油田用管柱的几何尺寸不允许将管柱列入薄壳这一类进行计算，将管柱简化成薄壳计算误差较大。为此，寻求一种合理的卡在卡瓦内管柱力学模型，是目前解决卡在卡瓦内管柱力学问题的关键。笔者在分析国内外卡在卡瓦内管柱力学模型的基础上［““，采用ＡＮＳＹＳ软件，对钳牙与钻杆进行三维接触分析，弄清钳牙与钻杆的接触状况，以确定合理的管柱力学模型。

卡在卡瓦内管柱的受力分析

作为一种近似计算，文献［２］给出的模型是合理的，而其将管柱视为薄壳处理，仅可用于近似计算。文献［３］在薄壳理论的基础上，假设卡瓦卡紧力均匀分布，将轴向载荷产生的应力与径向载荷产生的应力分开考虑，侧重研究卡瓦下边缘管柱横截面上的分布弯矩，算出内壁的轴向应力和环向应力，给出管柱悬挂力的弹性承载能力近似计算式，计算结果偏小。为了探讨管柱在卡瓦内的真实变形状态，验证各力学模型假设的准确性，笔者对钻杆受卡的三维接触问题进行分析，揭示钻杆的应力及变形状态。

２钳牙与钻杆的三维接触分析

采用参数化设计语言（ＡＰＤＬ）编程，由ＡＮＳＹｓ软件程序自动运行生成实体模型‘４。。采用ＳＯＬ—ＩＤｌ８６单元，共划分１２１８２１个网格单元，如图１所示。钳牙与钻杆表面建立面一面接触。坐标系如图２所示，坐标原点在钻杆轴线上，起点在钳牙上表面所在的平面该模型需要施加的边界条件是：限制钻杆底端Ｚ向位移，钻杆为四分之一对称约束，钳牙二分之一对称约束，限制钳牙Ｘ、Ｚ向位移，钳牙ｙ向施加６３．６ＭＰａ应力。

［收稿日期］２００９一０６一０３【作者简介］方智贤（１９６５一）ｉ男，１９９６年大学毕业，硕士，工程师。现主要从事石油钻机开发设计工作。

卡瓦,钻柱力学模型

３８２ 石油天然气学报（江汉石油学院学报）２００９年８月

按钳牙的安装位置从下往上（如图２），将每个钳牙的牙齿分１２排齿，３个齿槽，每排齿分４段。钳牙本身的性质决定了钳牙与钻杆接触的牙齿为第５、６、７和８排齿。钳牙的齿项较小，ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力分布就反映了其真实接触状态。从钳牙的ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力云图可以看出钳牙的受力仅在第６排和第７排两排齿，其他排齿均小于２００ＭＰａ，设计时不用考虑。钳牙下端处的钻杆接头ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力最大，为７１１．９ＭＰａ＞５２７ＭＰａ，对于Ｅ级钻杆已发生屈服，这是由于钳牙的应力集中造成的。

图ｌ钳牙与钻杆有限元网格图２钳牙ＶｏｎＭｉｓ鹤应力云图

从图３可以看出，６～７排齿根线上的ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力均大于５～６排齿根线上的，这与实际钳牙受力齿为６～７排齿相符合；在齿槽附近出现了应力极小值（均小于１００ＭＰａ），将齿根线上的应力分为４部分，每一部分的应力又有２个波峰，应力最大值在６～７排齿根线上靠近钳牙下部的位置，大小为２８１．６ＭＰａ，设计时可以忽略。

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齿根线节点位置

图３齿顶左侧线节点位置图４齿顶左侧线上的ＶｏｎＭｉｓ幅应力５～６排、６～７排齿根线上的ＶｏｎＭｉｓ姻应力

从图４可以看出，齿顶左侧线上应力分布从下到上依次减小，在最上端又开始增大。钳牙应力分布的规律说明，在钳牙卡紧段的中部，钻杆发生弯曲变形，导致在中部位置，钻杆与钳牙间的接触应力较小，钳牙两端接触应力较大，最大接触应力发生在钳牙的下部位置，为９２８．２５ＭＰａ，在设计钳牙时，必须对钳牙两端进行一定的倒角处理，以消除钳牙两端牙齿的应力集中现象。

从图５可以看出，应力最大值在第ｌ段为３３５．６ＭＰａ《９２８．２５ＭＰａ，齿顶右侧线接触压力较小，钳牙与钻杆接头间的接触压力主要集中在齿顶左侧。第２、３段齿顶右侧线上端的应力骤增，与图４中第２、３段的齿顶左侧线上端的应力骤减相对应，说明接近第２、３齿槽的左侧齿顶的部分接触压力，被右侧齿顶承受，这主要是由于钻杆接头承受挤压和弯曲变形的结果。

卡瓦,钻柱力学模型

第３１卷第４期方智贤等：卡在卡瓦内管柱力学模型的探讨

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齿项右侧线节点位置（ｂ）

图５齿顶右侧线上的Ｖ仰Ｍｉｓ嚣应力图６钳牙与钻杆的接触变形（ａ）和９卡瓦与钻杆的接触变形（ｂ）３思考与结论

图６为钳牙与钻杆的接触情况，钳牙作用压力呈１８０。对称分布，钻杆呈椭圆形变形。由接触分析可知，钻杆与钳牙的接触表面产生了弯曲变形。 这种变形情况，在卡瓦与钻杆的非１８０。对称接触的情况下，表现的更加明显，可以钳牙与钻杆的接触分析结果类似应用到钻杆与卡瓦的接触上来。实验证明，卡瓦悬挂管柱是依靠卡瓦片的摩擦力和管柱径向变形形成的马鞍形弹性变形的阻力的共同作用［２］。可见：

１）ＡＰｌ模型和苏联的薄壁简壳模型，认为管柱径向变形相等的假设是不正确的。文献［１，２］的径向位移非均匀分布的假设比较合理。

２）齿顶左侧线上应力分布从下到上依次减小，在最上端又开始增大，说明在钳牙卡紧段的中部；钻杆发生弯曲变形，该变形对钳牙与钻杆的接触压力和卡瓦边缘管柱截面上的分布弯矩影响较大，不能忽略，对于卡瓦也存在相同的现象，卡瓦夹紧力均匀分布的假设也是错误的，这可以由胡克定律得以证实。

当管柱的径向位移非均匀分布时，应力亦为非均匀分布。对文献［１，２］和ＡＰＩ模型对Ｅ级钻杆的悬挂能力比较，可以看出：文献［２］的弹性承载能力比ＡＰＩ约低２２％，文献［１］的极限承载能力比ＡＰＩ高５％左右，即文献［２］的模型比文献［１］模型的承载能力低２７％。在卡瓦卡紧钻杆的过程中，卡瓦不同部位的接触应力不同，接触应力较大的地方先与钻杆磨损，磨损后接触应力重新调整分布，直至压力近似均匀分布［４］。计算时考虑卡瓦边缘横截面上的分布弯矩，对计算结果进行一定的修正的前提下，假设卡瓦卡紧力均匀分布的假设可以作为近似计算。笔者建议同时采用文献［１，２］的模型计算，将２个模型的计算结果进行加权平均，用于指导卡瓦的设计。

３）钳牙两端牙齿有应力集中现象，在设计钳牙时，必须对钳牙两端牙齿进行一定的倒角处理。对于卡瓦的设计时，也应在卡瓦的上下牙齿进行一定的倒角打磨处理。

［参考文献］

［１］龚伟安．卡瓦内悬挂钻杆的理论承载能力［刀．石油矿场机械，１９８２。１１（５），２１～２８．

［２］崔孝秉，张宏．卡瓦内悬挂管柱承载能力分析［Ｊ］．石油学报，２０００，２１（１）；８７～９０．

［３］朱海燕．刘清友，莫丽，等．钻杆卡瓦牙板齿齿形设计［Ｊ］．石油机械，ｚ００８，３６（１１）；６８～７０．

［４］崔孝秉。张宏．卡瓦内悬挂管柱承载能力的再分析［Ｊ］．石油大学学报（自然科学版），１９９８。２２（２）。８９～９２．

［编辑］苏开科

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引用次数：方智贤， 朱海燕， 陈传永方智贤(四川宏华石油设备有限公司,四川成都,610036)， 朱海燕(江汉石油钻头股份有限公司,湖北武汉,430223)， 陈传永(什邡慧丰采油机械股份有限公司,四川什邡,618400)石油天然气学报JOURNAL OF OIL AND GAS TECHNOLOGY2009，31(4)0次

参考文献(4条)

1.龚伟安.卡瓦内悬挂钻杆的理论承载能力[J].石油矿场机械,1982,11(5):21～28.

2.崔孝秉,张宏.卡瓦内悬挂管柱承载能力分析[J].石油学报,2000,21(1):87～90.

3.朱海燕,刘清友,莫丽,等.钻杆卡瓦牙板齿齿形设计[J].石油机械,2008,36(11):68～70.

4.崔孝秉,张宏.卡瓦内悬挂管柱承载能力的再分析[J].石油大学学报(自然科学版),1998,22(2):89～92.

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