激光切割石油割缝管中的传热问题研究

李玉林 李彬 张耀兵

摘要：本文主要对激光切割石油筛管过程中传热问题进行研究，通过建立数学模型的方式进行相应的理论研究，以便能够清楚了解激光切割石油筛管中的传热规律，为相关工作做好准备。

关键词：激光切割；石油割缝管；传热问题

前言

筛管是石油钻采作业中的重要器材，在采油防砂以及先期完井中有着重要的应用，特别是割缝筛管凭借其物美价廉的优势在石油钻采作业中有着十分广泛的应用。目前，加工石油割缝筛管的方法有很多，但是大部分常规加工方式存在着许多问题。作为一种高能光束，激光聚焦能够形成半径为0.08毫米左右的焦斑。光束焦斑温度极高，可以瞬间融化、蒸发材料照射部位。所以，当钢管与激光光束相对运动时，激光光束能够在管体上切出一条割缝来。因此，制造割缝筛管的众多方法中，激光切割是一种较为先进的技术方法。当然激光切割在应用中也存在着一定的问题，其中传热问题尤其要引起重视，本文主要就传热问题进行相应的理论分析。

1.热传数学模型的建立

石油筛管在激光切割中的加热步骤可以分为两层，第一层加热初始阶段，石油筛管的表面不融化的情况下，经过固体传热机制，表面热源将热能传递给基体，造成基体材料被加热，整个过程也被成为固态热传。第二层，石油筛管表面在激光光束强度超过一定阂值时开始出现融化现象。这时金属熔池内就会出现熔体对流运动。

1.1激光切割石油筛管描述

石油筛管在加工过程中是将10米的钢管进行对称切割，激光在切割8厘米时要停止切割，而后前进2厘米再进行切割，而后再进行8厘米进行切割，周而复始。待三条缝切割完成之后，将管材进行180°转动之后再进行上述切割，要做到转动一周切割30条缝，相当于筛管每转动12°就要切割一条缝。激光光束进行割缝时管材传热的温度场是本文研究的重点。经过尝试计算后发现每一条缝的热影响区不大，所以在研究时，研究对象选择管材断面的1/4最佳。在计算时，管材长度6厘米，外径4.45厘米，内径3.79厘米进行有限元剖分。

1.2数学模型的建立

为了保证数学模型的科学性，首先要做以下假设：1）激光光束保持稳定的功率；2）当石油筛管切割时产生的化学反应热与激光光束产生的热量需要转化折算为当量热流密度；3）石油筛管的外壁与内壁的空气温度要假设在20℃；4）假设管材的厚度与激光光束聚焦焦深相同。

2.计算结果与分析

2.1不同时刻管材的整体温度场

假设激光光束的功率为1300W，平均每分鐘的切割速度为1米，激光聚焦深度为0.65厘米，激光焦斑直径为0.015厘米。通过计算我们可以发展，作为一个动态过程，激光切割石油筛管时，当激光光束以均匀的速度保持恒定功率进行切割时，在刚开始的1秒内，管材的整体温度场极不稳定，0.4秒时为最高温度1438℃；0.67秒时1465℃；0.91秒时温度为1470℃。在1秒至2.2秒的时间内，激光光束与石油筛管切割处的最高温度逐渐降低，趋于平稳，最终保持在14621℃。在2.2秒之后，如果激光光束继续进行切割，经过计算得知，切割温度在14621℃的数值向前推移。意思是当激光光束切割时间超过1秒之后，整体温度场就已经进入了饱和状态，形成了相对温度的高温区。高温区的温度场与热源的移动保持同样的移动速度。当2.2秒之后，激光光束停止切割，这时候石油管材的温度持续下降，待冷却1分钟之后，管材的温度达到周边实际温度20℃。

2.2某一固定点的温度随时间的变化曲线

在进行管材温度变化情况时，随意选取A、B两点进行，激光刚开始切割时经过的第一个切割面节点为A点，我们可以发现，A点在激光高速集中的热源作用下，加热速度非常快，这就意味着，在极短的时间内，管材吸收了大量的热能。当A点与激光热源不断接近时，其温度在0.4秒内就迅速上升到1436℃，而当激光热源远离时，S温度在5秒之内就降为200℃。1分钟之后，管材时间温度与环境温度相同。B点选择在距离A点5厘米的地方，经过测试发现，B点的最高温度只有230℃多，这表示激光切割的实际热影响区域并不大，而且随着时间的变化，管材的实际温度在1分钟之内就会与环境温度相同。

2.3沿切割方向上的表面温度分布特征

经过实际试验计算，我们可以得出，刚激光光束刚刚开始进行管材切割时，管材表面温度场显示非稳态。距离切割方向1厘米的地方比距离切割方向0.5厘米的地区温度下降23℃。当激光光束的切割时间在1分钟时，热源处管材表面温度变化趋于相似，都是从20℃迅速上升，最后到达超过融合温度的1470℃。在实际变化上，二者之间相差0.3秒的延迟时间。在空间上看，二者沿着切割方向平移5mm得到的，这说明了激光切割过程是一种准稳定状态的过程。

3.结语

经过实验发现，在激光切割石油筛管时，激光热源所形成的热影响区很小，而且温度区内的温度不随时问变化。经过实验掌握了激光切割石油割缝管中的传热问题，这对于激光切割过程中优化工艺参数有着重要依据，有利于保障石油筛管质量，进而保障石油钻采作业的顺利进行。

参考文献：

[1]刘瑞芝.李汛.邹瑾.诸凯.石油割缝管激光切割中的传热问题研究[J].工程热物理学报.2002（06）.70-72

[2]李宇顺.张耀兵. 激光切割石油割缝筛管[J]. 金属加工（热加工）.2008（01）.105-106.