二次換熱無感空氣循環烘箱設計*

□ 謝昱北 □ 肖加奇 □ 黃 濤

中國石油集團長城鉆探工程有限公司 測井技術研究院 北京 100206

陣列感應測井儀器線圈系的關鍵部分由多個單側布置的三線圈天線陣列 （例如7個三線圈天線陣列）構成，并且工作在多個頻率模式下［1］。線圈天線陣列的精度對測量精度起決定性作用，常用的結構是使用導線繞制在某種絕緣基體上形成線圈天線，纏繞之后的線圈天線絕緣基體沿著儀器的軸線依次排列組成線圈天線陣列，這些線圈天線陣列便構成線圈系［2］。在測井過程中，環境溫度可達180℃，探頭內部測井環境具有相同的溫度［3］。測井環境下，零件具有熱膨脹效應，當儀器所處環境的溫度改變時，會導致儀器線圈天線絕緣基體的尺寸發生變化，于是線圈系的線圈面積和線圈之間的距離等幾何結構會微小改變，這種由溫度變化引起的測量偏差稱為溫度效應。為消除溫度效應，感應儀器一般通過溫度實驗的方法來獲得溫度和溫度效應之間的定量關系，然后再通過數據處理來補償溫度效應，這個過程稱為溫度校正［4］。烘箱的主要功能是為被測試的感應儀器提供一定溫度范圍內的可控溫度測試環境，從而實現上述的溫度校正過程。本烘箱的溫度控制需要達到一定精度和均勻性要求和模擬測井環境，目前常用的烘箱是對材料進行燒結、回火、退火等的熱處理設備［5］，腔體材料為金屬材料，不能滿足感應測井儀器溫度校正的要求。

1 烘箱的結構

1.1 總體結構

如圖1所示，二次換熱烘箱的循環系統包括內循環和外循環兩路，內循環為一次換熱，外循環為二次換熱。內循環系統主要包括電加熱換熱器1、電加熱換熱管道2，以及電加熱換熱器風機3。外循環系統主要包括循環風機8、烘箱出風管道9、烘箱體10，以及烘箱進風管道12。內循環的熱源是位于電加熱換熱器1中的大功率電加熱管，外循環的熱源是位于電加熱換熱器1中的換熱器。烘箱體10是用來進行溫度校正的空腔，工作時把感應測井儀器推入到烘箱體10中進行溫度校正。

圖1 二次換熱無感空氣循環烘箱的立體圖

內循環的熱源是位于電加熱換熱器1中的大功率電加熱管，電加熱換熱器風機3提供內循環的動力，電加熱換熱管道2位于電加熱換熱器1上并連接兩者。外循環的熱源是位于電加熱換熱器1中的換熱器，循環風機8提供外循環的動力，烘箱進風管道12和烘箱出風管道9連接烘箱體10和電加熱換熱器1，內、外循環的介質均為空氣，管道架13為烘箱進風管道12和烘箱出風管道9提供良好的固定支撐。

如圖2所示，虛線的左側為無感烘箱的金屬區，虛線的右側為無感烘箱的非金屬區，即無感區。烘箱體全部由非金屬材料制成，包括木料、工程塑料、工程陶瓷和非金屬保溫材料。烘箱體的保溫層為多層構造。烘箱體由進風通道、工作通道和出風通道構成，進風通道連接烘箱進風管道，出風通道連接烘箱出風管道。工作時把感應測井儀器自左向右推入到烘箱體中的工作通道并進行溫度校正。烘箱進風管道和烘箱出風管道也全為非金屬材料制成。

圖2 二次換熱無感空氣循環烘箱的俯視圖

1.2 烘箱體結構

在圖3中，烘箱體由進風通道11、工作通道12和出風通道5構成，進風通道通過注風口6連接烘箱進風管道，出風通道通5過出風口3連接烘箱出風管道。熱空氣從注風口16注入進風管道，通過工作通道12流經出風通道5后由出風口3流出。在烘箱體的兩端分別有前門2和后門17，分別安裝在前端蓋1和后端蓋7上。前門2和后門17的材料可以是陶瓷或聚四氟乙烯。儀器進入烘箱體后門17關閉，保證溫腔內溫度的均勻性。前端蓋1和后端蓋7的保溫材料為硅酸鋁陶瓷。前門2留有測量儀器接線穿出孔，整個后門17設為爆炸卸壓口，確保設備和人員的安全，后門留有硅油管線（軟管）出口，直徑20 mm。

圖3 烘箱體長度方向剖視圖

如圖3所示，烘箱體由寬向木框8、高向木框9和長向木框10三個方向的木框榫卯連接成形，這些木框作為烘箱體的支撐構件。寬向木框8給出的是其截面的位置，烘箱體在長度方向分為兩段可拆卸的結構，從而方便設備的拆裝。通過烘箱體連接螺栓6連接兩段烘箱體，從而形成一個整體，烘箱體連接螺栓6連接的是兩段烘箱體的寬向木框8和高向木框9。

如圖4所示，烘箱體的內壁PTFE襯板11采用聚四氟乙烯（PTFE）板料制成，耐溫性能良好，使用可靠性高。烘箱體的保溫層包括硅酸鋁板12和硅酸鋁纖維13，外殼14為玻璃鋼絕緣板。烘箱體由內至外依次為PTFE襯板11、硅酸鋁板12、硅酸鋁纖維13以及外殼14，通過聚四氟乙烯的螺栓15把PTFE襯板11、硅酸鋁板12和硅酸鋁纖維13緊固在外殼上。外殼14通過尼龍螺栓緊固在3個方向的木框上。

烘箱體內的上部設有由上活動調節板3和上固定調節板5組成的布氣板，上活動調節板3和上固定調節板5上具有很多孔，通過上調節桿4的水平移動，調節上活動調節板3對上固定調節板5的相對位置以實現出風孔大小的調節，水平方向為烘箱體的寬度方向。同樣，在烘箱體內的下部設有由下活動調節板8和下固定調節板10組成的布氣板，下調節桿9為實現下活動調節板8移動的調節螺桿。通過下活動調節板8對下固定調節板10的相對位置的調節以實現進風開度的調節。于是，沿烘箱體長度方向具有不同大小的孔，實現在不同長度位置上進風孔和出風口大小的調節，確保了烘箱體內溫度均勻性。上述多處調節板的材料均為陶瓷。

如圖3所示，儀器導向用的滾輪裝配15安裝在U型支架14上，在烘箱體的工作通道12中沿著長度方向依次均勻排開，保證儀器受力均勻。如圖4所示，滾輪裝配包括滾輪6和襯套7。滾輪6的兩端通過襯套7安裝在U型支架兩端的凹槽里。襯套7的材料為聚四氟乙烯，作為滾輪6轉動的軸瓦，要確保較小的摩擦力，U型支架和滾輪6的材料均為陶瓷。U型支架的下底面具有很多孔，這些孔為連通進風通道和工作通道的風孔。

如圖4所示，烘箱體由上蓋板1和側蓋板2構成。上蓋板1和側蓋板2為電工板，并通過尼龍螺栓緊固在多處木質的木框上，結實美觀。上蓋板1和側蓋板2同外殼14之間具有一定的距離，從而確保烘箱體不會產生過高的溫度。

圖4 烘箱體的寬度方向剖視圖

1.3 電加熱器結構

電加熱換熱器由加熱器和換熱器兩部分組成，加熱器的加熱元件采用帶翅片電熱管，經過電熱管加熱的一次循環熱空氣為二次循環熱空氣提供熱源。一次風道中熱空氣溫度控制在280℃以內，低于感應測井儀器內含油品的閃點。可保證在油品泄漏時設備的安全運行。換熱器采用管殼式換熱器，保證控制靈敏度。兩個熱空氣循環風機與電加熱器實現連鎖控制，即開始工作時，必須先啟動風機，再啟動電加熱器。

經電加熱換熱器換熱的空氣由循環風機吹入烘箱體的腔體內，經過烘箱體腔體循環后再由出風管道回到電加熱換熱器。通過烘箱體腔體內的控溫熱電偶，閉環控制加熱器的加熱功率。如果箱體腔體要求的降溫速率大于自然降溫速率，通過進風閥和排風閥向腔體補充冷空氣、排出熱空氣，風量由手動閥的開啟度決定。

1.4 測控系統

一次熱空氣測控系統由鉑電阻、測溫儀、超溫報警執行電路組成，其功能是保證電加熱換熱器的一次熱空氣溫度控制在280℃以內，以保證設備的安全運行。

烘箱體腔體的溫度主要由安裝于腔體中段的控溫鉑電阻、溫控儀和過零觸發可控硅模塊組成的溫度閉環控制系統控制，通過PID調整溫控儀對電加熱器的加熱功率進行調節，控制腔體循環熱空氣的溫度，實現腔體溫度的自動控制。如果腔體的降溫速率大于自然降溫速率，通過進風閥和排風閥向腔體補充冷空氣、排出熱空氣，已滿足降溫速率要求。腔體溫度測量系統有兩路，由安裝于腔體左、右段的測量鉑電阻、測溫儀組成，用于監測腔體溫度。

2 均勻性計算

根據上述設計，使用SolidWorks對烘箱進行了建模，并使用SolidWorks Flow Simulation插件對烘箱體進行了計算流體分析［6］。多次優化結果表明，上下孔徑40 mm、中間板為12 mm的設計可以滿足要求。圖5給出了烘箱體的溫度場分布，取某時刻的環境溫度，例如入口溫度為393K（120℃）。截取溫度下限為溫度上限的-6K，即387K。經測定滿足設計要求，即烘箱的溫度均勻度小于±3℃。圖6給出了烘箱體內的速度場分布，可見儀器層形成了明顯的平行風帶，有利于溫度均勻。

圖5 烘箱體的溫度場分布

圖6 烘箱體內的速度場分布

3 特點

二次換熱無感空氣循環烘箱設計具有如下的優點：

1）二次換熱的具體實施包括內循環和外循環兩路，內循環為一次換熱，外循環為二次換熱。一次風道中熱空氣溫度控制在280℃以內，低于感應測井儀器內含油品的閃點，可保證在油品泄漏時設備的安全運行。

2）烘箱體全部由非金屬材料制成，包括木料、工程塑料、工程陶瓷和非金屬保溫材料，烘箱進風管道和烘箱出風管道由非金屬材料制成。保證了無感測試環境，確保不能干擾感應儀器溫度校正過程。烘箱體在長度方向分為兩段可拆卸的結構，從而方便設備的拆裝。

3）烘箱體的保溫層包括硅酸鋁板和硅酸鋁纖維，外殼為玻璃鋼絕緣板，烘箱體由內至外依次為聚四氟乙烯板，硅酸鋁板和硅酸鋁纖維，以及外殼。保溫結構簡單有效。外殼外面有蓋板，并通過尼龍螺栓緊固在多處木質的木框上，結實美觀。蓋板為烘箱體的最外層，可防止溫度過高。

4）使用Solidworks Flow Simulation插件對烘箱的烘箱體的進行了流體分析，溫度場均勻性滿足設計要求，對烘箱體的結構設計及實施提供了有力的依據。

［1］ 羅明和，陳永茂，徐濤，等.陣列感應的探測特性及其信息應用［J］.石油儀器，2011，25（3）：67-69.

［2］ 謝昱北，黃濤，郝永杰，等.可加工陶瓷精密管狀線圈絕緣體［P］.中國專利，201120369439.3，2011-9-30.

［3］ 趙昕.石油測井儀器的耐高壓設計 ［J］.石油儀器，2009，23（2）：12-14.

［4］ J Xiao，J Buchanan，M Bittar，et al.A New Asymmetrical Array Induction Logging Tool ［C］.SPE Annual Technical Conference and Exhibition，Texas USA，2006.

［5］ 湯明元.熱空氣循環烘箱 ［P］.中國專利，200710045-717.8，2007-09-07.

［6］ 謝昱北，許曄.SolidWorks2007中文版機械設計與典型范例［M］.北京：電子工業出版社，2007.