基于光纤光栅传感的钻杆扭矩测量技术研究

【摘要】扭矩是钻具工作过程中的重要力学参数之一。利用合适的传感器及测量方法对钻具系统的扭矩进行实时监测，对于保证整个系统的安全运行具有重要意义。在实际工程中，钻杆的受力情况十分复杂，会受到弯矩、扭矩及轴向力的复合载荷，如何将复合载荷下各力学参数分离成了钻杆扭矩检测的关键技术。本文基于ANSYS有限元仿真，理论上提出了一种复合载荷下螺纹钻杆压力、弯矩和扭矩分离的新方法。实验上利用光纤光栅传感器对钻杆钻进过程中的扭矩进行了测量，验证了此方法的可行性。主要研究内容包括以下几个方面：1.综合分析比较了不同扭矩测量方法的优缺点，介绍了光纤光栅的传感特性及应用现状，并从理论上分析了如何将其用于扭矩测量。2.对比分析了圆柱钻杆、不同螺纹牙型的单螺纹钻杆及双螺纹钻杆在同样的扭矩作用下受切向应力的情况，为监测点的选择提供了依据。3.基于圆柱钻杆在压力、弯矩、扭矩复合载荷下三参数分离的理论分析，通过拟合修正，得到了在同样的载荷下，不带螺纹部分直径与圆柱钻杆直径相同且材质相同的螺纹钻杆压力、弯矩、扭矩的近似解析解。运用此修正方法得到的轴向压力、弯矩、扭矩的值与仿真加载值的最大差值分别为0.47%、1.70%、0.60%。分析了螺纹钻杆结构尺寸及加载载荷大小对压力、弯矩和扭矩分离的修正因子的影响。4.设计并搭建了压弯扭测量装置，利用其对空心圆柱钻杆的纯扭矩及简易压弯扭组合进行了实际测量，并得到扭矩的测量误差在0.70%~6.91%之间。在对实心钻杆钻进过程中力学参数在线检测时，实现了压力、弯矩和扭矩的分离，并给出各自随时间变化的曲线，对所测结果的误差进行了分析。本文为螺纹钻杆扭矩测量提供了理论依据，验证了基于光纤光栅传感技术的钻杆压弯扭在线分离检测方法的可行性。
【作者】江华；
【导师】余有龙；
【作者基本信息】合肥工业大学，光电信息工程，2014，硕士
【关键词】螺纹钻杆；光纤光栅传感器；复合载荷；分离；扭矩；

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