CN114086184A - 一种可用于油管外耐温阳极防腐工具及防腐方法 - Google Patents
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Abstract
油管外耐温阳极防腐工具，包括有中心管、尼龙套筒、阳极、弹簧触臂、尼龙套筒卡簧、弹簧卡簧、双作用卡簧、牺牲阳极卡簧；尼龙套筒通过两个尼龙套筒卡簧装配在中心管两端，阳极通过双作用卡簧与牺牲阳极卡簧装配在尼龙套筒上；其包括以下步骤：1)弹簧触臂材料为304不锈钢，设定合理尺寸及结构；2)几何的创建及装配模型；3)考虑弹簧触臂在运动过程中的变形效应；4)采用动态、显性算法进行模拟计算；5)套管和弹簧触臂间采用表面‑表面接触方式，接触约束算法采用运动约束算法；6)载荷和边界条件定义；7)网格划分及提交运算；本发明解决了现有油管外耐温阳极防腐工具中起下管柱出现卡死的问题，具有结构简单、安装方便、的特点。
Description
技术领域
本发明涉及油套管设备技术领域，具体涉及一种可用于油管外耐温阳极防腐工具及防腐方法。
背景技术
目前油田套管外壁主要采用环氧冷缠带和牺牲阳极进行防腐；套管内壁采用添加缓蚀剂和牺牲阳极技术。油田大多数套管无明显的外腐蚀，套破井均从内壁向外壁发生穿孔，说明套管外壁防腐措施需要改进，但由于井下介质环境、工艺条件的复杂、油水介质的强腐蚀性及井温的升高，缓蚀剂的缓蚀率有着明显的下降趋势，使得井下管柱仍表现严重的腐蚀，尤其在高温下使用不当会加速对管柱的腐蚀。同时，现有的耐温阳极防腐工具在工作时，由于其设计不合理，弹簧一端固定，一端滑动，在阳极对套管内壁提供保护电流不断消耗时，使得弹簧触臂逐渐挤压，导致其在入井、起出作业过程中在止口位置出现卡死现象，影响油管柱起下井作业，因此，设计改进油套管内耐温阳极防腐工具，并进行有限元模拟计算，使其在起下管柱时顺利通过止口位置。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供种一种可用于油管外耐温阳极防腐工具及防腐方法，具有结构简单、安装方便、起下管柱顺利、防腐效果好的特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该耐温阳极防腐工具包括有中心管、尼龙套筒、弹簧触臂、阳极，阳极采用双作用卡簧与牺牲阳极卡簧固定在尼龙套筒上，尼龙套筒通过尼龙套筒卡簧固定在中心管上，弹簧触臂通过弹簧卡簧和双作用卡簧固定在尼龙套筒卡簧上。
所述的弹簧触臂（5）沿轴向弯80°，三个弹簧触臂外径相同。
利用所述的一种可用于油管外耐温阳极防腐工具进行防腐的方法，包括以下步骤：
步骤1，弹簧触臂材料选取304不锈钢，尺寸为：原始宽度b0=20mm，厚度t=2mm；周向弯曲弧度80度后，宽度b1=15mm，轴向弦长a=200mm；
步骤2，创建几何装配模型，模型中共有四类部件，分别是外部为尼龙套筒的油管、弹簧触臂以及和其直接接触的外部套管和套管箍。首先创建弹簧触臂，定义为三维可变形实体，油管也定义为三维解析刚体部件，在建立部件的同时，要给各模具分别定义一个参考点，所有部件创建完成之后运用平移、旋转等方法把弹簧触臂、外部为尼龙套筒的油管、套管和套管箍进行装配；
步骤3 ，考虑弹簧触臂（5）在运动过程中的变形效应，形体必须添加材料属性，在ABAQUS的属性这一栏将弹簧触臂的材料属性赋予弹簧触臂，SUS304的相关属性参数分别为：弹簧触臂密度为7.85/ g•cm-3、杨氏模量为194020E/MPa，泊松比为0.3µ，抗拉强度520σb/MPa，屈服强度为210σc/MPa，在属性中创建材料，输入上述数据；
步骤4 ，创建分析步，采用动态、显性算法进行模拟计算，在Step模块中，创建分析步initial为初始过程，创建分析步Step-1为套管运动过程，将它的时间设置为10s，质量放大因子设置10000；
步骤5，和弹簧触臂间采用表面-表面接触方式，接触约束算法采用运动约束算法，套管与弹簧触臂之间的摩擦系数为0.1，模拟在运动时弹簧触臂的真实受力情况；
步骤6，载荷和边界条件定义，在边界条件中，将油管和弹簧触臂两端进行完全固定，套管的边界条件类型定义为位移，U2取值为600，使套管沿着油管的轴向方向运动，模拟套管与弹簧触臂接触的真实情况；
步骤7，网格划分及提交运算，网格划分数量越多，计算精度也更加的精确，但计算的量也会增大，本次建立模型，弹簧触臂按照近似单元尺寸
进行划分，厚度方向划分出四个单元格数，从而使计算更加精确，最后对当前模型创建作业，进行数据检查，提交作业，分析结果。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明弹簧触臂两端固定，沿轴向弯80°，三个弹簧触臂均匀的分布在尼龙套筒四周，如图3（a）-（e），图4（a）-（e），图5（a）-（e）在图2所示五个位置不会出现卡死现象，进而有利于阳极能持续的对尼龙套筒内壁提供保护电流；并且如图6，7所示，弹簧触臂外径增大，接触应力增大趋势显著大，在套管箍止口处，摩擦力显著升高，但远小于3000N（锁紧装置最大拉力），因此，弹簧触臂最大外径应≤126mm。由于此耐温阳极防腐工具可直接安装在油管任意部位，进而有利于对套管更合理的保护。
本发明具有结构简单、安装方便、起下管柱顺利的特点。对于保证油管稳定、安全运行，杜绝事故发生，减少油品损失，节能降耗，提高油田开发综合效益，减少油气泄漏，对环境的影响具有重要意义。
本发明的方法，由于采用以上技术方案，其具有以下优点：1）、本发明在基于ABAQUS模拟平台，引入耐温阳极工具，建立了弹簧触臂在套管中运动的有限元模型，并运用模型讨论分析了接触弹簧触臂在套管中的应力状态。2）、本发明应用数值模拟方法研究弹簧触臂的受力状态，不仅可获得材料变形过程的应力场、应变场和宏观力学问题，还可以有效缩短工艺开发周期，降低开发成本。
本发明在基于优化的耐温阳极内防腐工具的基础上，建立了有限元模型，由系统变形的计算结果弹簧触臂的最大应力及弹簧触臂和套管内壁相互作用产生的摩擦力，解决了现有油管外耐温阳极防腐工具中起下管柱出现卡死的问题，具有结构简单、安装方便、的特点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明弹簧触臂经过止口时的五个位置时的状态示意图。
图3（a）为位置1处模拟计算弹簧触臂（外径125.5mm）应力云图。
图3（b）为位置2处模拟计算弹簧触臂（外径125.5mm）应力云图。
图3（c）为位置3处模拟计算弹簧触臂（外径125.5mm）应力云图。
图3（d）为位置4处模拟计算弹簧触臂（外径125.5mm）应力云图。
图3（e）为位置5处模拟计算弹簧触臂（外径125.5mm）应力云图。
图4（a）为位置1处模拟计算弹簧触臂（外径126mm）应力云图。
图4（b）为位置2处模拟计算弹簧触臂（外径126mm）应力云图。
图4（c）为位置3处模拟计算弹簧触臂（外径126mm）应力云图。
图4（d）为位置4处模拟计算弹簧触臂（外径126mm）应力云图。
图4（e）为位置5处模拟计算弹簧触臂（外径126mm）应力云图。
图5（a）为位置1处模拟计算弹簧触臂（外径126.5mm）应力云图。
图5(b）为位置2处模拟计算弹簧触臂（外径126.5mm）应力云图。
图5（c）为位置3处模拟计算弹簧触臂（外径126.5mm）应力云图。
图5(d）为位置4处模拟计算弹簧触臂（外径126.5mm）应力云图。
图5（e）为位置5处模拟计算弹簧触臂（外径126.5mm）应力云图。
图6为本发明不同位置模拟计算接触等效应力柱状图。
图7为本发明不同位置模拟计算摩擦力的点线图。
图8为本发明方法的流程图。
图9为本发明弹簧触臂的轮廓图。
图10为本发明图9的A-A向视图。
图11为本发明应力应变曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
参见图1，用于油管外耐温阳极防腐工具，耐温阳极防腐工具包括有中心管1、尼龙套筒卡簧2、尼龙套筒3、弹簧卡簧4、弹簧触臂5、双作用卡簧6、阳极7、牺牲阳极卡簧8；尼龙套筒3通过两个尼龙套筒卡簧固定在中心管1两端；2三个弹簧触臂5通过弹簧卡簧4和双作用卡簧6均匀固定在尼龙套筒3上；阳极7通过双作用卡簧6与牺牲阳极卡簧8固定在尼龙套筒3上。本发明的阳极防腐工具与套管9直接接触。
弹簧触臂5外径126mm，套管9内径为124.26mm。首先弹簧触臂5在套管中平稳运动，直至弹簧触臂5弧顶处与套管9止口左侧台阶接触，此耐温阳极防腐工具继续运动，弹簧触臂5弧顶处于套管9止口的中间位置，紧接着弹簧触臂5弧顶处与套管9止口右侧台阶接触，最后平稳得通过止口位置。
所述的尼龙套筒3用于阳极与油管绝缘，与油管绝缘的阳极对套管9内壁提供保护电流。
所述的弹簧触臂5采用304不锈钢；所述的尼龙套筒卡簧2、弹簧卡簧4、双作用卡簧6、牺牲阳极卡簧8均采用不锈钢；
阳极7采用耐高温，电化学性能良好的铝合金阳极。
参见图2，在分析结果中取5个具有代表性位置对其应力进行分析。在位置1弹簧触臂在套管中平稳运动，位置2弹簧触臂弧顶处与套管止口左侧台阶接触，位置3弹簧弧顶处于套管止口的中间位置，位置4弹簧触臂弧顶处与套管止口右侧台阶接触，位置5为通过止口后平稳运动的位置。
本发明的弹簧触臂轴向弯曲80°，使得弹簧触臂与套管内壁之间为点接触，通过弹簧卡簧与双作用卡簧固定在尼龙套筒上；阳极通过尼龙套筒与油管绝缘，与油管绝缘的阳极对套管内壁提供保护电流，实现在复杂油水介质环境下的套管内防腐；可安装于油管任意部位，并对经过优化的耐温阳极内防腐工具在有限元模拟软件进行模拟。
本发明的工作原理是：
用牺牲阳极阴极保护原理，将耐高温阳极固定在中心管上，耐高温阳极工具随油管带入到井筒内，随检泵作业下入套管内腐蚀位置，耐温阳极通过尼龙套筒3与油管绝缘，与油管绝缘的耐高温阳极对套管内壁提供保护电流，实现在复杂油水介质环境下的套管内防腐，其下入位置必须在动液面以下。
参见图8，利用所述的一种可用于油套管内耐温阳极防腐工具进行防腐的方法，包括以下步骤：
步骤1，弹簧触臂材料选取304不锈钢，尺寸为：原始宽度b0=20mm，厚度t=2mm；周向弯曲弧度80度后，宽度b1=15mm，轴向弦长a=200mm；
步骤2 ，创建几何装配模型。模型中共有四类部件，分别是外部为尼龙套筒的油管、弹簧触臂以及和其直接接触的外部套管和套管箍。首先创建弹簧触臂，定义为三维可变形实体，油管也定义为三维解析刚体部件，在建立部件的同时，要给各模具分别定义一个参考点，所有部件创建完成之后运用平移、旋转等方法把弹簧触臂、外部为尼龙套筒的油管、套管和套管箍进行装配；
步骤3 ，考虑弹簧触臂在运动过程中的变形效应，形体必须添加材料属性。在ABAQUS的属性这一栏将弹簧触臂的材料属性赋予弹簧触臂；
步骤4 ，创建分析步，采用动态、显性算法进行模拟计算。在Step模块中，创建分析步initial为初始过程，创建分析步Step-1为套管运动过程，将它的时间设置为10s，质量放大因子设置10000；
步骤5，和弹簧触臂间采用表面-表面接触方式，接触约束算法采用运动约束算法。套管与弹簧触臂之间的摩擦系数为0.1，从而模拟在运动时弹簧触臂的真实受力情况；
步骤6，载荷和边界条件定义，在边界条件中，将油管和弹簧触臂两端进行完全固定，套管的边界条件类型定义为位移，U2取值为600，使套管沿着油管的轴向方向运动，从而模拟套管与弹簧触臂接触的真实情况；
步骤7，网格划分及提交运算，网格划分数量越多，计算精度也更加的精确，但计算的量也会增大。本次建立模型，弹簧触臂按照近似单元尺寸
进行划分，厚度方向划分出四个单元格数，从而使计算更加精确。最后对当前模型创建作业，进行数据检查，提交作业，分析结果。
参见图3（a）-（e），在位置1处，弹簧触臂与套管内壁接触，运动趋于稳定，其最大应力值出现在弹簧触臂弧顶位置，其值为212.8Mpa；在位置2处，弹簧触臂弧顶与套管止口左侧台阶接触，应力值较位置1有所增加，最大应力出现在弹簧触臂弧顶位置，其值为234.7Mpa；在位置3处，弹簧触臂弧顶处于套管止口中间位置，弹簧触臂弧顶位置两侧与套管间隙的台阶接触，最大应力出现在弹簧触臂弧顶位置，其值为287.7Mpa；在位置4处，弹簧触臂弧顶与套管止口台阶接触，最大应力出现在弹簧触臂的弧顶位置，其值为214.7Mpa；在位置5处，弹簧触臂弧顶离开套管止口位置，其与套管内壁接触，运动稳定进行，最大应力出现在在弹簧触臂的弧顶位置，其值为205.3Mpa。
参见图4（a）-（e），在位置1处，弹簧触臂与套管内壁接触，运动趋于稳定，最大应力在弹簧触臂弧顶位置，其值为214.2MPa；在位置2处，弹簧触臂弧顶与套管止口台阶接触，最大应力在弹簧触臂的弧顶位置，其值为243.7Mpa；在位置3处，弹簧触臂弧顶处于套管止口中间位置，弹簧触臂弧顶位置两侧与套管止口的台阶接触，最大应力在弹簧触臂弧顶位置，其值为260.2Mpa；在位置4处，弹簧触臂弧顶与套管止口台阶接触，最大应力在弹簧触臂的弧顶位置，其值为301.8Mpa；在位置5处，弹簧触臂弧顶离开套管止口位置，其与套管内壁接触，运动稳定进行，弹簧触臂最大应为在弹簧触臂的弧顶位置，其值为253.5Mpa。
参见图5（a）-（e），在位置1处，弹簧触臂与套管内壁接触，运动趋于稳定，其最大应力值在弹簧触臂弧顶位置，其值为257.3Mpa；在位置2处，弹簧触臂弧顶与套管止口台阶接触，最大应力在弹簧触臂的弧顶位置，其值为257MPa；在位置3处，弹簧触臂弧顶处于套管止口中间位置，弹簧触臂弧顶位置两侧与套管止口的台阶接触，最大应力在弹簧触臂的弧顶位置，其值为263.8Mpa；在位置4处，弹簧触臂弧顶与套管止口台阶接触，最大应力值在弹簧触臂的弧顶位置，其值为344.7Mpa；在位置5处，弹簧触臂弧顶离开套管止口位置，其与套管内壁接触，运动稳定进行，最大应力在弹簧触臂的弧顶位置，其值为265.5Mpa。
参见图6与图7，图6为3种类型的弹簧触臂在5个代表性位置的最大应力对比，图7为随时间变化弹簧触臂和套管内壁相互作用产生的摩擦力。通过比较可以发现，随着125mm的弹簧触臂与套管内壁接触位置的不同，其对应位置的最大应力也不同，在位置1时其最大应力为212.8MPa，摩擦力趋于稳定；在弹簧触臂进入套管止口的前半段，摩擦力开始急剧增大，其对应的位置2和位置3的最大应力也相应增加，弹簧触臂处于套管止口的后半段时，摩擦力急剧下降，对应的位置4处的最大应力也逐渐下降，随后摩擦力趋于稳定，在位置5处的最大应力值为205.3MPa。
126mm的弹簧触臂在位置1时其最大应力为214.2MPa，摩擦力趋于稳定；在弹簧触臂进入套管止口后，摩擦力开始急剧增大，其对应的位置2、3和4的最大应力也相应增加，弹簧触臂离开套管止口位置，摩擦力急剧下降至稳定阶段，在位置5处的最大应力值为253.5MPa。
126.5mm的弹簧触臂在位置1时，由于受弹簧触臂尺寸影响，其最大应力为257.3MPa，均大于125mm、126mm弹簧触臂对应位置的最大应力，在弹簧触臂进入套管止口后，摩擦力开始急剧增大，其对应的位置3和4的最大应力也相应增加，弹簧触臂离开套管止口位置，摩擦力急剧下降，在位置5处的最大应力值为266.5MPa。
综合分析，当弹簧触臂外径为126.5mm时，五个位置处等效应力都是最大，摩擦力也是最大，因此弹簧触臂外径应≤126mm。
Claims (3)
1.一种可用于油管外耐温阳极防腐工具，包括有油管（1）、尼龙套筒卡簧（2）、尼龙套筒（3）、弹簧卡簧（4）、弹簧触臂（5）、双作用卡簧（6）、阳极（7）、牺牲阳极卡簧（8）；其特征在于，尼龙套筒（3）通过两个尼龙套筒卡簧（2）固定在中心管（1）两端；三个弹簧触臂（5）通过弹簧卡簧（4）和双作用卡簧（6）均匀固定在尼龙套筒（3）上；阳极（7）通过双作用卡簧（6）与牺牲阳极卡簧（8）固定在尼龙套筒（3）上。
2.根据权利要求1所述的一种可用于油管外耐温阳极防腐工具，其特征在于，所述的弹簧触臂（5）沿轴向弯80°，三个弹簧触臂外径相同。
3.利用权利要求1所述的一种可用于油管外耐温阳极防腐工具进行防腐的方法，包括以下步骤：
步骤1，弹簧触臂（5）的材料选取304不锈钢，尺寸为：宽度b0=20mm，厚度t=2mm；周向弯曲弧度80度后，宽度b1=15mm，轴向弦长a=200mm；
步骤2 ，创建几何装配模型，模型中共有四类部件，分别是外部为尼龙套筒（3）的油管（1）、弹簧触臂（5）以及和弹簧触臂（5）直接接触的外部套管（9）和套管箍；首先创建弹簧触臂（5）模型，定义为三维可变形实体，油管（1）模型也定义为三维解析刚体部件，在建立部件的同时，要给四类部件的模型分别定义一个参考点，所有部件创建完成之后运用平移、旋转方法把弹簧触臂（5）、外部为尼龙套筒（3）的油管（1）、套管（9）和套管箍进行装配；
步骤3 ，考虑弹簧触臂（5）在运动过程中的变形效应，形体必须添加材料属性，在ABAQUS的属性这一栏将弹簧触臂（5）的材料属性赋予弹簧触臂，SUS304的相关属性参数分别为：弹簧触臂密度为7.85/ g•cm-3、杨氏模量为194020E/MPa，泊松比为0.3µ，抗拉强度520σb/MPa，屈服强度为210σc/MPa，在属性中创建材料，输入上述数据；
步骤4 ，创建分析步，采用动态、显性算法进行模拟计算，在Step模块中，创建分析步initial为初始过程，创建分析步Step-1为套管（9）运动过程，将它的时间设置为10s，质量放大因子设置10000；
步骤5，和弹簧触臂（5）间采用表面-表面接触方式，接触约束算法采用运动约束算法，套管（9）与弹簧触臂（5）之间的摩擦系数为0.1，模拟在运动时弹簧触臂（5）的真实受力情况；
步骤6，载荷和边界条件定义，在边界条件中，将油管（1）和弹簧触臂（5）两端进行完全固定，套管（9）的边界条件类型定义为位移，U2取值为600，使套管（9）沿着油管的轴向方向运动，模拟套管（9）与弹簧触臂（5）接触的真实情况；
步骤7，网格划分及提交运算，网格划分数量越多，计算精度也更加的精确，但计算的量也会增大，本次建立模型，弹簧触臂（5）按照近似单元尺寸
进行划分，厚度方向划分出四个单元格数，使计算更加精确，最后对当前模型创建作业，进行数据检查，提交作业，分析结果。
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