波纹管膨胀过程的力学分析

在波纹管放置到井下的固定位置后，波纹管的膨胀分2 个步骤，首先是完全作用于内管壁的均布内压使其膨胀; 再就是用尺寸为圆管内径的胀管器对波纹管整形。内压膨胀和胀管器的膨胀结果如图7 和图8 所示。经过胀管器整形定径后波纹管的不圆度有很大改善，从而达到提高波纹管强度的目的。

在模拟波纹管的膨胀过程中，首先在波纹管的内表面施加16 MPa 左右的内压，之后采用一定直径的膨胀器进行膨胀。用直径为245 mm 的胀管器膨胀后波纹管的Mises 应力云图如图9 所示。膨胀后的最大直径为271. 4 mm，最小直径为261. 1mm，不圆度为3. 8%。

因井下波纹管外有岩层存在，相对于光管而言，岩层的弹性约束有助于波纹管在膨胀过程中的整形，即膨胀整形后波纹管将具有更小的不圆度和更高的抗外挤强度。为此，在管外侧采用弹簧单元和实体单元模拟井下实际膨胀过程中岩石层对波纹管膨胀时的整形作用。膨胀后的Mises 应力云图如图10 所示。

对成型后的波纹管内表面施加均布压力，3 种材料的波纹管抗内压强度见表3。

波纹管的抗外挤强度通过在管外表面施加均布外挤力得出。将波纹管在外挤压力作用下，截面尺寸变化曲线的曲率突变点所对应的外挤压力作为抗外挤强度。

波纹管的抗外挤强度与管材强度及其包辛格效应、管体中存在的残余应力［3］、管体的不圆度和壁厚不均度等有关。对于一定的管材，经模具和成型工艺优化后的波纹管在膨胀后的抗外挤强度主要与此时管体的不圆度有关。水力膨胀后采用机械胀管器整形，可提高其圆度以及使其与井眼更好地贴合。