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关键词： 连续油管   弹塑性分析   直径变化率   壁厚减薄率   椭圆度   疲劳寿命  

摘要： 随着我国油气勘探和开采难度的不断增加以及国际油价的持续下跌,出于油田降低作业成本的需要,连续油管以其作业成本低的特点,已经成为油气开采领域特别是非常规油气开采过程不可或缺的作业装备。连续油管在内压、轴向载荷和循环弯曲作用下的变形是复杂的塑性大变形问题,较低的工作寿命是制约连续油管技术发展的瓶颈所在。本文以CT80连续油管为研究对象。首先,针对连续油管在内压、轴向载荷和弯曲循环等复合载荷作用下的大变形问题建立了力学简化模型;通过材料力学性能试验得到了CT80连续油管真实应力-应变曲线,确定了材料的本构关系模型;通过微分几何和弹塑性力学理论计算得到了缠绕弯曲下连续油管的应力分布并进行了理论分析。其次,通过缠绕弯曲变形有限元模拟,得到了连续油管直径、椭圆度随内压和轴向载荷的变化规律,分析表明:缠绕弯曲是连续油管产生椭圆度的起因,内压作为引起直径增大的主要原因,对椭圆度的影响也不可忽视。进一步,进行了连续油管在一定内压和轴向载荷作用下的弯曲循环变形有限元模拟,得到了连续油管塑性应变和截面形变参数(直径、壁厚和椭圆度)沿周向方向的分布规律和随弯曲循环次数的变化规律,结果表明:随着循环次数的增加,连续油管截面受拉一侧直径垂直弯曲中性层位置是最危险部位,最先发生塑性变形破坏的部位是该处的内壁位置。最后,对连续油管截面直径变化率、壁厚减薄率和椭圆度对疲劳寿命的影响进行了曲线拟合,以此为依据利用三参数幂函数能量法建立了考虑直径增长、壁厚减薄和椭圆度影响的剩余寿命预测模型;并对提高连续油管工作寿命提出了合理的建议。

关键词： 连续油管   水力压裂   压降损失   冲蚀分析   套管接箍定位器  

摘要： 在煤层气压裂应用中以常规水力喷射压裂为主,为避免其存在对井下工具磨损严重的现状,多采用环空注入支撑剂来支撑喷射裂缝。受限于连续油管的性能应用范围,多采用普通油管进行环空作业。近年来,连续油管的制作工艺、材料、屈服强度等性能不断提高,使用范围也越来越广,这为煤层气压裂应用中采用连续油管压裂管柱进行环空加砂压裂施工的实现提供了保障。将连续油管应用到煤层气压裂增产上,在连续油管水力压裂的前提下,采用环空加砂的方式进行压裂作业。该压裂工艺集合了下放连续油管管柱施工迅速、薄互煤层的精确定位等优点,环空加砂避免喷射工具磨损、大排量施工作业缩短施工时间等优点。连续油管环空加砂压裂工艺在煤层气中的应用上具有很广阔的前景。本文将煤层气常用的水力压裂工艺与连续油管压裂工艺相结合,采用环空加砂压裂工艺,对工艺流程进行了方案设计。根据流程中各种工具的应用,设计了压裂管柱,优选了井下配套工具及对关键工具进行了结构设计。其次,计算了连续油管下入煤层的最大下入深度,喷嘴压力与排量关系的计算,连续油管管内及环空注入压裂液两种情况下,不同压裂液从井口到井底的压力损失,为地面排量和地面压力的确定提供依据,为压裂施工参数的选择提供借鉴。然后,利用Fluent软件对环空加砂压裂工艺中对连续油管内外管壁的冲蚀情况进行了数值模拟,分析了不用情况下压裂液对管壁的冲蚀规律。最后,针对煤层较薄连续油管精确定位存在的问题,分析了现有定位器存在的不足,对机械式套管接箍定位器进行了结构改进,利用ADAMS软件对所设计的定位器进行了动力学仿真,分析了不同定位块角度、不同下放速度、不同弹簧刚度等条件对定位精度的影响规律,为确保连续油管在井下实现精确定位起到借鉴作用。

关键词： 离子渗氮   净化处理   退氮处理   复合渗氮工艺  

摘要： 本文针对氮化处理的效率及渗氮层的脆性等问题,使用自制大长径比油管内壁离子渗氮设备,以常规离子渗氮工艺为基础分别探究净化处理工艺、退氮处理工艺及复合渗氮工艺对渗氮层综合性能的影响规律,采用正交试验方法进行参数优化,并对各工艺的作用机制进行探讨。通过正交试验分析得到的常规离子渗氮最优参数为:渗氮温度550℃、保温8h、气压180Pa。最优参数下获得厚度约为0.46mm的渗氮层、截面最高硬度约为617HV0.2、耐蚀性比基体提高约4倍、断后延伸率约为12%,渗氮层由ε相、γ′相及α相组成。通过活性氢粒子的溅射和热作用,净化处理使试样获得贫碳表面,对离子渗氮起到促进、改善作用。获得的最优净化处理参数为:净化时间20min、净化温度540℃、炉内氢气分压180Pa。最优参数下获得厚度约为0.57mm的渗氮层、截面最高硬度约为670HV0.2、断后延伸率约为13%、耐蚀性约是常规离子渗氮试样的1.4倍,净化处理后渗层氮含量提高约25%,渗氮层中γ′相含量增加。退氮处理通过机械和热作用使得白亮层减薄,促进活性氮原子的进一步扩散,降低了渗氮层整体脆性。获得的最优参数为:氢气分压160Pa、退氮电压850V、退氮时间20min。与常规离子渗氮试样相比,退氮处理试样的渗层截面最高硬度约下降150 HV0.2。其断后延伸率约为16%,约是未退氮试样的1.25倍。退氮处理后渗氮层表面形貌粗糙程度加大,渗氮层中主要含有γ′相及α相。复合渗氮工艺获得的最优参数为:净化时间25min、退氮时间30min、净化温度560℃。最优参数下获得的渗氮层厚度约为0.52mm、截面最高硬度约为550 HV0.2、断后延伸率约为14%,渗氮层中γ′相含量较高,渗氮层具有较高质量。

关键词： K形金属密封   油管悬挂器   卧式采油树   深水  

摘要： 水下采油树是水下石油开发的一个重要工具。油管悬挂器作为其最主要的部件之一,具有为油流提供生产通道和悬挂油管的作用,油管悬挂器出油口处的密封具有阻止油液外流以及阻挡外部杂质进入油管悬挂器内部的作用,其密封性能的好坏直接关系到水下采油能否顺利进行。目前国外水下采油树油管悬挂器的密封技术比较成熟,掌握较多的核心技术,其对材料性能的研究以及对密封件的加工工艺方面的研究都走在世界前列,具有代表性的主要有Cameron公司的MEC密封,FMC公司的SBMS密封等。但是国外对国内实行技术封锁,国内在该方面的研究仍处于起步阶段,仅有少数针对油管悬挂器的结构和密封结构的仿真研究,所以自主研发油管悬挂器出油口处的金属密封对推动我国的水下石油钻采的发展有着重要的意义。本文提出在水下卧式采油树油管悬挂器出油口处使用K形金属密封,并对K形金属密封的结构形式进行设计,使用有限元的方法分析环境参数和结构参数对K形金属密封性能的影响规律,判定其密封性能能否满足水下真实工况。最后对K形金属密封的部分结构参数进行改进设计,在保证易于加工和易于安装的基础上,使K形金属密封的性能达到最佳。具体内容如下：(1)结合国内外对金属密封和非金属唇形密封的研究,总结了金属密封性能的分析及判定方法,根据该油管悬挂器密封设计要求确定K形金属密封的材料,并对其结构形式进行设计。同时还介绍了K形金属密封的下放安装方法,根据两球体之间的接触理论引入K形金属密封的密封接触表面的接触应力计算,对K形金属密封的受力模型进行简化,推导出金属密封圈在预紧工况下的密封表面接触应力的计算公式。(2)使用ABAQUS有限元分析软件建立K形金属密封实际工况下的简化二维轴对称模型,分析不同工况下过盈量以及介质压力的变化对金属密封圈的密封性能的影响,得到K形金属密封的最佳过盈量范围为0.2mm-0.34mm,在此范围内取一固定值0.3mm不变,分析介质压力变化对K形金属密封最大MISES应力、最大接触应力以及接触宽度的影响规律,得到K形金属密封的最大MISES应力为1152MPa,略微超出材料屈服强度极限,密封圈的外唇内侧根部产生了较小的塑性变形。密封圈的最大接触应力为1556MPa,超过了材料的屈服强度极限,但最大接触应力位置发生在右唇顶端位置,此处发生了应力集中现象,密封圈会发生一定的塑性变形,但密封圈内外密封接触表面的接触应力分别为538.39MPa和637.9MPa,始终大于介质压力的三倍,所以能够实现密封。(3)对有限元热分析的基本理论进行简要概述,使用ABAQUS有限元分析软件建立K形金属密封的热力学有限元模型,分析不同温度对整个模型传热的影响,得到不同温度影响下模型的节点温度云图,将得到的热传递分析的结果作为载荷边界条件导入到应力应变场中,分析K形金属密封在介质压力以及安装过盈量不变情况下,温度从-200C-1210C之间变化时密封圈性能变化规律,得到最大的耦合应力为1250MPa,略微超出材料屈服强度极限,内外唇的接触应力分别为637.26MPa和535.224MPa,均能够满足大于介质压力的三倍。最后得出结论,温度从-200C-1210C之间变化时,K形金属密封能够良好的实现密封功能。(4)分析右唇顶端倾斜角对金属密封圈密封性能的影响,得出K形金属密封外唇顶端倾斜角度为3度时,密封的最大MISES应力略微超出材料的屈服极限,外唇根部发生了较小的塑性变形,最大接触应力与0度倾斜角相比大大减少,应力集中现象得到了解除,且内外密封表面的接触应力均大于三倍的介质压力,根据密封判定标准得出此时K形金属密封能够实现密封。然后分析3度的外唇顶端倾斜角度的情况下,中心圆弧以及外侧圆弧的尺寸变化对金属密封圈的密封性能的影响,根据分析结果中最大MISES应力、最大接触应力以及金属密封圈内外接触表面的接触应力的变化情况,得出当中心圆弧半径为2mm,外侧圆弧半径为3mm-3.2mm之间时,金属密封圈在满足便于加工和便于安装的基础上,能够更良好的实现其密封功能。

关键词： 冲洗油管道   数值模拟   试验研究   预测方法  

摘要： 我国能源格局的特点是“富煤、缺油”,发展以煤炭为原料的煤直接液化工程是优化能源结构,保障能源安全的重要措施。煤液化工艺全过程涉及煤粉、矿物质等固相的多相流输送,特别是液-固两相流体系颗粒相的沉积、聚集行为,极易造成管道的冲蚀减薄穿孔,失效机理极为复杂。因此,揭示液-固两相流体系管道的冲蚀磨损机理,建立定量的磨损预测评价方法,是进行管道风险评定,提升管道运行安全的重要途径之一。本文以某煤液化工艺MOGAS球阀小直径（DN 20）冲洗油管道的冲蚀磨损失效为研究对象,结合液-固两相流典型管材A182F347的冲蚀磨损性能试验测试,建立冲洗油管道的冲蚀磨损数理模型,并仿真获得了冲洗油管道内速度、磨损率及颗粒运动等流体动力学分布规律,提出了科学的液固两相流体系冲蚀磨损预测方法。本文的主要内容及结论如下:（1）建立了两种液固两相流体系冲蚀磨损实验装置的物理模型,采用流体动力学方法对比分析了冲蚀磨损试验装置内部的流动特性,获得了流场内部相分率、速度、流动方向等参数的分布规律,确定了适用于本文研究的冲蚀磨损实验方案。（2）采用旋转式液-固冲蚀磨损装置测试获得了浆体浓度、旋转速度及浆体冲击角度对冲蚀磨损率的影响规律,揭示了材料的冲蚀磨损机理。实验结果表明:冲蚀磨损率随浆体浓度（4%10%）增加而增加;磨损率随浆体冲击角度的关系曲线存在两个峰值;与冲击速度存在指数为2的指数函数关系,为修正冲蚀磨损数理模型提出了基础依据。（3）结合液-固两相流冲蚀磨损试验结果,建立了冲洗油管道冲蚀磨损的修正模型,运用颗粒轨道模型对冲洗油管道内部的流动特性进行数值预测,预测结果:流体进入弯头后受弯头曲率半径影响形成二次流;弯头外侧壁面的磨损率大于弯头内侧壁面的磨损率;弯头曲率半径越小,弯头壁面上最大磨损率越大。数值预测与案例解剖结果吻合。本文创新性在于:使用数值模拟的方法对试验装置进行优化,运用试验揭示了液固两相流体系材料的冲蚀磨损机理;建立修正后的冲洗油管道冲蚀磨损数理模型,实现了冲蚀磨损的定量预测评定;数值预测结果与失效解剖分析结果一致,提出了磨损实验、数值模拟和失效案例解剖分析相结合的冲蚀磨损预测方法。

关键词： 压力表   计量检定  

摘要： 作为重要测量工具,目前压力表已经普遍应用在机械制造、汽车维修、油气输送、能源、化学等方面,其准确性直接关系人们生活以及工作质量,并且关系生产企业的经济效益。通常情况下,依据用途不同,它可划分为数字精密、数显、耐振、氧气、普通等类型的压力表。为降低事故发生率,技监必须将计量工作落实到位,在工作过程中不断总结计量检定的方法,以指导实践。结合笔者多年的工作经验,本文对该仪器的计量检定方法进行总结,并且以实例分析该种仪器的不确定度评定。

关键词： 指针式压力表   机器视觉   自动检定   图像分割  

摘要： 指针式压力表在工业及科研领域有着十分广泛的应用,它具有结构简单,安装使用方便,不易受磁场干扰,稳定性高,价格便宜等优点。近几年来,国内外对基于机器视觉技术的指针式压力表的读数识别投入了许多研究,一定程度代替了人工读数,但是仍存在一些问题:(1)采集图像时背景会对读数产生一定的影响,目前针对这种影响有了一定的研究:1)通过3次寻找指针顶点的坐标,根据三点确定一个圆的原理,拟合出表盘的大致轮廓,然后将表盘与背景分割开来,但是这个方法需要指针处于三个不同的位置才可以完成表盘的定位,失去了实时检定的意义。2)采用阈值分割的方法,由于阈值分割的结果推导出的测量准确度在多数情况下是由分割时选定的阈值正确与否决定的,如果背景灰度值和表盘灰度值接近,也就是在背景很亮的情况下,无论设定多大的阈值都很难将表盘分割出来。(2)由于压力表的尺寸不尽相同,所以需要通过调节相机的工作距离或镜头焦距使整个表盘完整的成像在视场范围内,花费大量时间。(3)工业上严格按照国家标准计量检定规程检定压力表,利用压力泵为压力表加压到每个待检点,在每个待检点经过轻敲检定、回程检定等操作,依次读取每点数据并将数据填写到压力表检定记录当中,但是压力表检定数据繁多,目前仍需要人工填写,耗费大量工作时间。针对以上问题,本文研制出了一套基于机器视觉技术的指针式压力表检定系统:(1)本文通过边缘提取,根据表盘的轮廓的位置特征和形状特征,定位表盘轮廓,将表盘从整幅图像中分割出来,克服了背景对表盘读数的影响;(2)根据压力表的尺寸以及工作距离选取定焦镜头,确保直径最大的压力表能够在视场范围内完整清晰的成像,通过实验支架将工业相机固定,只需通过粗略调节垂直方向上的高度即可对直径规格不同的压力表的进行检定,节省工作时间。(3)本系统通过Microsoft Visual Studio 2010调用Microsoft Word 2007数据库,对本地检定记录word文档进行读写操作,最终实现将压力表检定数据自动写入符合国家标准的检定记录当中,省去人工抄写数据的环节,提高了检定效率。经过反复实验证明,该系统可以快速准确的识别出压力表的读数,可以检定精度等级为0.4级的精密压力表,并且能够检定不同直径规格的指针式压力表,可以很好的适应复杂多变的工作环境。

关键词： 形状记忆合金   CuAlBe管接头   各向异性   相变滞后  

摘要： 形状记忆合金管接头经常要在负温下工作。在工作温度接近合金的Ms温度时,合金将在管接头包紧力的作用下产生双程记忆效应而使管接头扩大,导致连接松动。因此合金设计的Ms温度应比工作温度低10℃左右。此前用热型连铸法连铸出具有柱状晶组织的CuAlBe管接头,其Ms温度在0℃附近,在扩径率达到11%时相变滞后扩宽到70℃～80℃,As温度升至70℃～80℃之间,使管接头在室温下储存得以实现。本研究在以上研究的基础上,研究Ms温度为-30℃左右的管接头扩径率、扩径温度、时效热处理对管接头形状回复性能、相变滞后的影响,对管接头扩径后能否在室温储存作出评估。CuAlBe管接头的成分为11.7wt%Al,0.5wt%Be,余为Cu, Ms温度-28℃,As温度-20℃。用水平式热型连铸法连铸成具有柱状晶组织的管和1.5mm厚、50mm宽的板。在板上沿垂直于连铸方向切割拉伸试样,做拉伸试验以模拟管接头扩径时的变形。拉伸时原位观察、测量10个晶粒的变形,分别作出各个晶粒的拉伸。应变曲线。观察拉伸过程的马氏体相变,以研究柱状晶弹性变形、马氏体相变的各向异性。将管切割成一定长度的段,经固溶处理、内孔加工后,分别在-50℃、室温下作扩径率分别为9%、10%、11%的扩径,测量其扩径后的回弹率及回复率；DSC检测扩径前后Ms、As温度；XRD对扩径前、后的管接头进行相结构分析。在250℃保温10h淬火,对其在室温下分别做扩径率9%、10%、11%的扩径,检测其扩径前后Ms、As温度。XRD对扩径前、后的管接头进行相结构分析。以探讨时效析出相对相变滞后的影响。原位拉伸结果表明：管接头在垂直于柱状晶生长方向上存在着严重的各向异性,晶粒的拉伸一应变曲线分为两类,一类为超弹性型,一类为形状记忆型。形状记忆效应型根据晶体取向的不同,可分别诱发β’和γ’马氏体,并使马氏体发生稳定化的程度不一致。由于形状记忆效应型的应变量大,可以扩大相变滞后,因而对管接头的制备是有利的。超弹性型拉伸后完全回复,既对相变滞后无有利影响,又增大了管接头扩径的回弹率,对管接头的制备是不利的。拉伸卸载曲线的多样性说明柱状晶组织横向拉伸时表现出马氏体形成和稳定化各向异性、弹性各向异性以及相变滞后各向异性。扩径试验结果表明：扩径率最大可达11%。随着扩径量的增加,回弹率、回复率逐渐减小,-50℃和室温下扩径11%时的回弹率和回复率分别为26.9%、88.9%和30.8%、87.5%；这是由于变形能产生马氏体稳定化造成的。在扩径试验中发现XRD结果证明了这一点,随着扩径率的增加,X射线衍射谱上出现的β’的衍射峰在逐渐增多。扩径后的相变滞后分别为78℃和67℃。管接头无论在-50℃还是室温下扩径,其DSC曲线都出现了两个分离的马氏体逆变吸热峰。低温端的峰窄而高,温度范围与扩径前的吸热峰相近；高温端的宽而平坦,温度范围与Ms为0℃的管接头扩径的吸热峰相近。低温端峰是由超弹性型晶粒形成,而高温端峰是由形状记忆型晶粒形成。250℃时效10h后扩径率为11%时,管接头回弹率为24.8%,回复率为79.1%,两者都比没时效的低。时效使As、Ms都上升。这是由于时效使β相有序化,使马氏体变形时积累的弹性畸变能减小,需要更多的能量才能向奥氏体逆转变,使As温度升高；而β相的有序化有利于奥氏体向马氏体转变,使Ms温度升高。扩径试验结果表明,在-50℃下扩径回弹率最低,回复率最高。内径为5.76mm的管接头在低温下扩径11%后,在室温下保存,其内径可保持在6.242mm。加热至200℃,内径可回复至5.814mm。对连接外径6mm的管,有足够的装配间隙和过盈量。尽管相变滞后较小,在室温下储存会导致少量的回复,但由于足够大的扩径率足以抵消这一回复量,因此管接头仍能满足连接的要求。管接头的连接性能检测表明,耐压密封性能良好。在管接头内加工出内脊,能使管接头的耐压极限强度增强到19.8Mpa。综上所述,Cu-11.7wt%Al-0.5wt%Be管接头由于其Ms温度低,在-50℃扩径,扩径率大,回弹量小,回复量大,能够满足负温下工作,室温下储存的要求。

关键词： 锥面密封   扩口式管接头   扭拉关系   静密封   有限元   振动工况  

摘要： 扩口式管接头由于结构紧凑,装拆方便等特点,广泛应用于航空、航天、车辆、船舶等领域的管路系统中,起到管路连接和密封的作用。在实际工程应用中,扩口式管接头通常承载着油压、温度、振动等载荷,导致扩口式管接头在使用的过程中容易发生泄漏,带来安全隐患以及经济损失。本文针对特种车辆上常见的扩口式管接头,采用理论分析、数值仿真和实验验证相结合的方法,系统研究了轴向紧固力对密封性能的影响、预紧扭矩和轴向紧固力的关系,以及振动工况下轴向紧固力的衰退规律,为提高扩口式管接头的密封性能提供了理论基础和实现技术,论文的具体研究工作如下:(1)分析了扩口式管接头密封性能保障技术的国内外研究现状,指出了现有研究存在的问题和不足,并在此基础上给出了本论文的研究内容和研究意义。(2)提出了保证扩口式管接头密封性能的轴向紧固力确定方法。首先,建立了扩口式管接头密封界面的接触模型,探究了在轴向紧固力的作用下,密封区域接触参量的变化规律;在此基础上,根据扩口式管接头密封性能的密封准则,确定了轴向紧固力,最大限度地保证其密封性能。该轴向紧固力确定方法对于其他锥面密封结构也同样适用。(3)验证了扩口式管接头的扭拉关系公式。对扩口式管接头的各接触面进行了受力分析,得出了在拧紧过程中各组件的接触状态,确定了扩口式管接头的扭拉关系理论公式。在此基础上,选取M16?1.5(74锥)规格的扩口式管接头为例,建立了三维有限元分析模型,进行拧紧过程仿真,对扭拉关系理论公式的准确性进行了验证。(4)提出了振动工况下扩口式管接头轴向紧固力衰退规律的研究方法。在扩口式管接头的三维模型中引入预紧力单元,于扩口管尾端施加横向位移载荷,进行有限元计算。以此方法为基础,探究了螺母的松动机理和轴向紧固力衰退过程,并通过调整模型参数研究了振幅、摩擦系数、配合间隙等因素对振动工况下扩口式管接头轴向紧固力衰退规律的影响。(5)提出了两种扩口式管接头密封性能的实验研究方法:扩口式管接头密封性能综合验证方法和扩口式管接头横向振动实验方法。密封性能综合验证实验可以在实验室条件下对实际工况进行模拟,探究了油压、油温、振动频率、振幅、以及预紧扭矩等因素对扩口式管接头密封性能的影响。扩口式管接头横向振动实验通过在扩口管尾端施加循环的横向位移,对螺母的松动进行了实验研究。横向振动实验可以跟踪测量横向位移载荷下的横向推力以及螺母松动角度,用于实验分析以及对仿真结论进行验证。

ISBN: (数字)9787568218306 ISBN: (纸本)9787568218306