缸體加熱裝配理論與實驗研究

2014-07-01 23:36:12索忠偉尹慧博張海平張仁龍

機械工程師 2014年4期

索忠偉，尹慧博，張海平，張仁龍

（中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院，北京100101）

缸體加熱裝配理論與實驗研究

索忠偉，尹慧博，張海平，張仁龍

（中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院，北京100101）

針對射流沖擊器缸體在水平井應用中內壁斷裂的問題，提出了一種新的加工工藝，即采用加熱裝配的方式加工缸體，在缸體熱裝方案設計中確定了缸體熱裝的加熱溫度、過盈量及承壓力等關鍵參數。并采用了模擬試驗的方式驗證了熱裝方案設計的合理性，最終成功實現了沖擊器缸體熱裝裝配。采用此加工工藝加工缸體，使缸體內壁厚度從原來的5 mm增大到10 mm，大幅度提高了缸體的強度，解決了缸體內壁斷裂問題。通過熱裝溫度、加熱時間的理論計算，確定了缸體加熱裝配方案及缸體加熱裝配的過盈量，進行了外缸加熱膨脹量變化規律試驗，在此基礎上實現了缸體加熱裝配，對熱裝缸體進行了打壓試驗及臺架檢測試驗，驗證了缸體加熱裝配的可行性，為缸體質量提升找到了一種新的加工方法。

射流沖擊器；缸體；加熱裝配

0 引言

射流沖擊器在垂直井應用中取得了顯著的效果，并逐步推廣應用，目前射流沖擊器已拓展應用到水平井。實驗在KHA1-63井進行，鉆具組合是常規鉆具加沖擊器和井下馬達。在同時使用沖擊器加井下馬達情況下，平均機械鉆速為5.0 m/h，比相鄰井段使用同型號鉆頭（MXL-55DXO）只使用井下馬達機械鉆速（2.5 m/h）提高了1倍，驗證了射流沖擊器與井下馬達配合使用具有顯著的提速效果。

雖然射流沖擊器配合井下馬達提高了機械鉆速，但射流沖擊器井下工作壽命短，只工作15h。造成工具工作壽命短的原因是缸體失效，即在缸體內壁流道一側出現了斷塊。為了查找出問題的原因，對缸體進行了材料分析、受力分析，并對斷塊進行了強度分析，分析結果證明，內壁強度系數低是造成缸體斷裂的主要原因。因此，進行了缸體加熱裝配理論與實驗研究。制定了缸體熱裝設計方案，將缸體和外缸采用過盈配合的方式進行熱裝。采用此加工工藝加工缸體，使缸體內壁厚度從原來的5mm增大到10 mm，大幅度提高了缸體的強度，可解決缸體內壁斷裂問題。

1 缸體熱裝加工方案設計

1.1 熱裝溫度計算

選用過盈配合中的優先配合方式中的重型壓入配合公差H7/u6，用熱脹（孔套）冷縮（軸）的方法裝配，此種情況下要求材料的許用應力要大，40CrMnMo的抗拉強度σb≥980 MPa，屈服強度σs≥785 MPa，滿足條件。

因過盈配合的熱裝過程中需對缸體在外缸的軸向位置進行定位，采用臺階定位，加工缸體部分尺寸為φ132 mm，因此配合尺寸為φ132H7/u6，故孔的尺寸為φ132，軸的尺寸為φ132+0.195+0.170，過盈量為0.130～0.195mm，最大過盈量為0.195 mm，最小過盈量為0.130 mm，熱裝加熱溫度為：

式中：d為配合公稱直徑，mm；α為加熱零件材料線膨脹系數，1/℃，見機械設計手冊鉻鋼的線膨脹系數；σ為配合尺寸的最大過盈量，mm；δ為所需熱裝間隙，mm，當d≤200 mm時，δ取σ/2，當d≥200 mm時，δ取0.001d2或0.0015d2。

1.2 受力計算

1.2.1 可傳遞的軸向力計算

根據機械設計手冊，計算過盈聯結可承受的軸向力。承受軸向力情況下，可傳遞載荷的最小結合壓力：

式中，pfmin為傳遞載荷所需的最小結合壓力，N/mm2；eamin為包容件最小直徑變化量，mm；Ea為包容件的彈性模量，取235 000，N/mm2；df為結合直徑，mm；va，可查機械設計手冊表，采用插值法取值。qa為包容件的直徑比；va為包容件的泊松比。

結合面積

式中：AA為結合面積，mm2；df為結合直徑，mm；ld為結合長度，mm；ld1為非結合段長度，mm。

最小結合壓力可承受的軸向力：

式中，FxA為軸向力，N；pfmin為遞載荷所需的最小結合壓力，N/mm2；μ為摩擦因數。

由以上計算可知，該結構熱裝后可承受的軸向力為167 272.38 N。

1.2.2 可承受的流體壓力計算

根據計算所得的過盈聯結可傳遞軸向力，計算可承受流體壓力，假設流體壓力全部作用在如圖1所示的3個面上無壓力差，P1=P2=P。

圖1 熱裝缸體受流體壓力圖

可承受的流體壓力

式中，PA為可承受的軸向壓差，N/m2。

計算得熱裝承受的軸向流體壓力為7 272 712.2 Pa，即7.27 MPa。

1.2.3 實際承受沖擊動載計算

根據動量守恒，F動t=駐mv，結合沖擊器的沖擊測試試驗所得的實驗數據，計算得出最大可參考沖擊力：

式中：F動為沖擊動載，N；m為沖錘和活塞的總質量，kg；vmax為30 L/s、90 mm行程下的最大沖擊末速度試驗數據，m/s；Hmax為30 L/s、30 mm行程下的最大沖擊頻率試驗數據。

1.3 熱裝工藝

1）加熱前的準備工作。清理干凈配合表面，復檢直徑、凸臺、圓角和導角等配合尺寸。熱裝前做好熱裝位置的標記。

2）加熱時間和保溫時間計算。零件的加熱時間和零件的結構、壁厚材質和加熱方法有關，一般可按零件的壁厚考慮，經驗數據是每10 mm壁厚需15 min的加熱時間。

保溫時間與壁厚有關系，經驗數據是每10 mm壁厚需保溫5 min。

3）繪制加熱保溫曲線。由之前計算得知熱裝溫度為209℃，外缸壁厚為23 mm，計算得加熱時間和保溫時間分別為 34.5 min和11.5 min。繪制加熱保溫曲線如圖2。

圖2 加熱保溫曲線圖

4）加熱后的裝配。按照加熱保溫曲線對外缸加熱、保溫。在正式缸體加熱裝配前，進行了外缸加熱膨脹試驗。

5）熱裝完成后的冷卻方式。熱裝完成后，切斷電源，但電阻絲和保溫裝置暫時不拆除，使外缸在保溫層內逐漸冷卻，避免直接暴露在空氣中冷卻。

6）熱裝完后的精加工及表面處理：（1）精磨處理。熱裝完成后需將外缸及缸體內徑精磨到設計值。（2）表面硬化處理。采用表面滲氮的方式對該兩處表面進行硬化處理。

7）熱裝完后的檢測及試驗。熱裝及表面處理完成后，專門制作打壓工裝，對熱裝的缸體進行打壓試驗，以檢驗其密封和承壓性。

2 缸體加熱裝配試驗

2.1 外缸加熱膨脹試驗

正式裝配前，對熱裝外缸試驗件進行了加熱膨脹試驗。加熱溫度分別為167℃、210℃、240℃、286℃、338℃，對應外缸內徑膨脹量分別為0.10 mm、0.21 mm、0.28 mm、0.40 mm、0.48 mm。外缸內徑加熱膨脹量變化、加熱時間和溫度變化情況見表1。

表1 外缸試驗件加熱膨脹試驗

2.2 缸體加熱裝配試驗

將陶瓷加熱履帶纏繞外缸上，包上保溫帶，用鐵絲纏牢。連接好加熱裝置，完成熱裝準備工作。根據外缸試驗件加熱試驗結果，正式熱裝設定加熱最高溫度338℃，裝配間隙設定為0.28～0.30 mm。分階段加熱外缸，進行了5個不同溫度下的內徑測量，設定溫度分別為：164℃，210℃，240℃，300℃，338℃，對應直徑分別為

當加熱到設定338℃時，測量內徑尺寸復合設定的裝配尺寸，進行裝配。熱裝試驗測量數據記錄見表2。因為裝配間隙足夠大（0.31～0.42），可一步到位，一次裝成。