摘 要 石油钻采工业中使用的各种型号取心工具，受到连接螺纹结构的限制，在承受拉力和扭矩方面都存在弊端。取心工具经过长时间井下高压、高温、高腐蚀条件下的利用，较容易发生机械疲劳、性能下降，导致螺纹膨胀粘扣或破裂等现象时有发生。在改造现有的螺纹结构时，需要明晰工具的使用环境、机械性能的弊端，采取针对性强的改造方法，来提升工具对压力和扭矩的抵抗能力。本文在比对两种连接螺纹机械属性差别的基础上，探讨改进取心工具综合性能的途径。
关键词 取心工具；螺纹机械；性能改进
中图分类号：TE921 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）17-0139-01
现有结构的取心工具，虽然能基本满足石油钻采取心作业的需求，但是由于螺纹的选择不合理，导致螺纹本身抵抗拉力的能力不强，形状容易改变。工具上面的螺纹容易粘扣，在卸扣时存在困难，且对于硫的抵御性差。这些构造层面的难题，导致钻探等环节十分薄弱。由此可见，有必要提升工具中螺纹的坚固程度，延长取心工具的运用期限。这样做可以确保工具在操作中的安全，方便对取心工具进行组装。
1 两类工具的比对
1.1 现存工具
传统类型的取心工具，螺纹的实际锥度为1：16，呈现梯形形状，螺距约为4.2毫米，螺纹的基础部位呈垂直类型的台阶，这样的结构容易造成应力集中和疲劳断裂，缩短取心工具使用寿命。这类螺纹属于非标螺纹，是人工操作车床车削加工完成制作的，刀具由技工手工打磨，加工误差较，造成连接配合的精度降低，影响到取心工具的强度，以及承受弯曲的能力。外筒上面的螺纹难以承受强度较大的扭曲作用力和拉伸力，引起粘扣，造成机械破损和疲劳，装配和拆卸的效率低。而且，用于制造取心筒的原料晶粒密度不够大，热处理的效果不佳，削弱了螺纹对硫的抵抗能力，导致螺纹连接的热脆性断裂概率增大。
1.2 经改造的工具
新式的取心工具的螺纹，从结构设计和加工工艺等方面有针对性的做了改进。螺纹在连接上的总体性特征是：螺纹齿形呈现偏梯形，中间间隔较远，能够达到传统类型螺纹间隔的二倍左右；在里外两层的螺纹基础位置，都增添了圆弧形状的切线，并设置了用于降低应力的专用槽；在内外两个端面的部位，设计了可以抵抗挤压外力的倾斜面；加工采用成型的刀具，提高了加工流程的精准程度；选取了性质优良的抗硫原料，并改造了原有的热处理工艺。
新式工具螺纹连接的强度增大，主要是由于螺纹齿形设计更加合理。新式螺纹的实际锥度为1：16，呈偏梯形的形状，间隔较大，齿面较宽，每个齿的有效受力面被加大。同时，齿的高度降低，在齿根部位，应力呈现分散的趋势，螺纹的受力分布更加合理，提升了抵御外力扭曲的性能和抗断裂、抗粘扣的能力，延长了工具使用寿命。
2 具体的改进模式
在改进取心工具中螺纹的属性时，选取强度较大的螺纹连接方法，将设计的侧重点放在优化螺纹的形状和大小方面，加大了螺纹连接的紧密程度。选取性能优良的外筒制造原材料，优化调质硬度，以改善取心装置的抗拉伸力性能。
正确解析螺纹强度有限元，选取专用软件，计算螺纹的实际强度。通过评估螺纹连接部位的抗拉伸性，可以大致了解这类取心工具的承受拉力范围，也就是工具正常工作的负载范围。由于改进后的螺纹上升角度不大，因此，在评估抵抗拉伸能力时，可以对这个角度予以忽略。基于这样的设想，可以得知工具的外筒呈现中心对称的形状；为了减少计算的工作量，我们取了外筒长度的1/16作为标准。这个分析过程，侧重点在于螺纹连接位置的应力状况。因此，截取了外侧螺纹连接位置大约300 m的部位，用于实际分析。在分析过程中，假定前提为线性静态。
在研究了运算结果之后，可以得知工具承受的应力最大部位，位于螺纹的根部。当外界的拉伸力达到了220 kN的时候，内侧螺纹的应力要比外侧小一些，达到了1006 MPa。螺纹制造原料符合既定的规格，能够抵抗弯曲力的最大值为930 MPa。材料在达到弯曲的极限数值以前，其应力是能够随着负载改变的。因此，取心工具配件承受的最大负载数值为：930*220/1006，约为200 kN。计算过程选取了模型中的1/6，因此，如果需要对整体性的工具予以评估，则还要计算出轴向的负载。
这种坚固程度高的螺纹衔接部位，最多可以承受3200 kN以上的拉伸力和负载，而与之相同规格的传统类型取心工具外侧，最多可以承受约为2400 kN的负载，因此，经过改造的工具，抗拉伸能力提升了约30%。这种强度较大的螺纹，衔接部位最多可以承受约为72 kN的扭曲作用力，而与之相同规格的传统类型取心工具，最多可以承受约为16 kN的扭曲作用力。由此可见，工具抵抗弯曲的性能提升了大约350%。
与普通种类的取心工具比起来，改造以后的螺纹在抵抗外部作用的性能上，有了较显著的改善。如果将这种新式的取心工具运用于作业现场，就可以应对受力复杂、温度高、压力高、危害物质含量多的现场环境。同时，这种工具在拆卸时比较简便，有助于提升取心筒中间间隔处的调整速度，操作的效率较高。
3 结束语
通过特殊的螺纹结构设计，改善了工具的物理属性，有效解决了取心工具操作中的螺纹粘扣和断裂等难题。改造之后的工具更加便于装配和拆卸，节省了操作时间，提升取心的成功率和作业效率。改造螺纹形状，有效解决应力集中现象，增加螺纹本身的强度，连接强度提高后的取心工具，在特定外力条件下可以两端扣紧，以增加抵抗弯曲的能力，从而提升了整个工具的使用效果。
参考文献
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