雙側(cè)向刻槽管的改進探討

趙靈宣，張俊國

(中國電子科技集團公司第二十二研究所 河南 新鄉(xiāng) 453003)

·開發(fā)設(shè)計·

雙側(cè)向刻槽管的改進探討

趙靈宣，張俊國

(中國電子科技集團公司第二十二研究所 河南 新鄉(xiāng) 453003)

雙側(cè)向測井是裸眼井常規(guī)測井項目，在測井勘探開發(fā)中已廣泛使用，較為常用的雙側(cè)向探頭為玻璃鋼環(huán)充油式。針對目前雙側(cè)向玻璃鋼環(huán)充油式探頭常用的刻槽管零件所存在的應(yīng)力集中和裝配時預(yù)緊力較大的問題，結(jié)合新型雙側(cè)向探頭的研制對刻槽管進行了改進，重新設(shè)計了刻槽管縱截面并進行了預(yù)緊力矩的計算，建立其三維模型，進行了有限元分析并在微機控制電子式萬能試驗機上對新的刻槽管進行了壓力試驗驗證，解決了原刻槽管所存在的問題。改進后的刻槽管消除了應(yīng)力集中，便于裝配與維修。關(guān)鍵詞：刻槽管；應(yīng)力集中；預(yù)緊力；有限元分析

0 引 言

雙側(cè)向測井是常規(guī)裸眼井測井項目之一，在油田測井勘探中已得到了廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)所使用的雙側(cè)向探頭主要有壓制橡膠類和玻璃鋼環(huán)充油式兩種，玻璃鋼環(huán)充油式探頭更以其美觀、電絕緣性能穩(wěn)定及便于維護等優(yōu)點得到了大量使用。刻槽管是玻璃鋼充油式探頭中的核心部件，在北京環(huán)鼎科技公司生產(chǎn)的DLS-IC雙側(cè)向測井儀中叫壓縮彈簧[1],在中國石油測井有限公司技術(shù)中心開發(fā)的HCT雙側(cè)向測井儀中叫應(yīng)力彈簧[2]，雖然叫法不同，但該零件在儀器中都起給電極與玻璃鋼環(huán)部分加載一定的預(yù)應(yīng)力，并產(chǎn)生一個小于1.5 mm的間隙,以消除不同材料熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力并減小電極系的彎曲變形的作用。在使用過程中發(fā)現(xiàn)，原來所用的刻槽管在預(yù)緊時所需要的扭矩較大(需大于50 kg·m)，裝配時需要一個重約50 kg的人在末端用1.2 m 長的加力杠桿旋轉(zhuǎn)螺紋且壓緊后刻槽管局部點已出現(xiàn)了塑性變形。結(jié)合22所新型雙側(cè)向探頭設(shè)計，對刻槽管的改進進行了探討。

1 刻槽管介紹

刻槽管如圖1所示，在探頭中一般位于上A1電極環(huán)或下A1電極環(huán)內(nèi)部[1,2]，可等同于一端固定，另一端施加一載荷Q的梁，其內(nèi)外均有支撐。

刻槽管在探頭內(nèi)所起的作用是通過儀器末端的螺紋預(yù)緊使其產(chǎn)生一定的應(yīng)力和變形，該應(yīng)力能作用于電極環(huán)和玻璃鋼環(huán)，使各個環(huán)之間起端面密封作用的密封圈產(chǎn)生足夠的壓縮量來保證探頭在正常和稍有彎曲的情況下不漏油[3]，同時頂緊刻槽管的兩個金屬電極環(huán)之間預(yù)留一個小于1.5 mm的間隙，利用刻槽管的可伸縮性來消除不同材料熱膨脹所產(chǎn)生的應(yīng)力，刻槽管應(yīng)在彈性范圍內(nèi)變化。

圖1 常用刻槽管簡圖

通過對現(xiàn)有刻槽管的分析可知，其裝配時需要一個50 kg 左右的人在末端使用1.2 m 長的加力杠桿旋轉(zhuǎn)螺紋來進行預(yù)緊，施加在刻槽管端面的力約為35 000 N ，刻槽管的變形量在3.5～4.5 mm 之間，建立其三維模型，并將其直接導(dǎo)入有限元分析軟件[4]ALGOR進行分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 現(xiàn)有刻槽管分析結(jié)果

由分析結(jié)果可知，刻槽管的變形量可滿足要求，但局部點出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，長時間的應(yīng)力集中會引起脆性材料斷裂，使脆性和塑性材料產(chǎn)生疲勞裂紋。

2 刻槽管改進

應(yīng)力集中是應(yīng)力在固體局部區(qū)域內(nèi)顯著增高的現(xiàn)象。多出現(xiàn)于尖角、孔洞、缺口、溝槽以及有剛性約束處及其鄰域。在22所新型雙側(cè)向探頭的設(shè)計中，充分考慮了裝配方便和消除應(yīng)力集中問題，并對原刻槽管進行了改進設(shè)計。為了消除應(yīng)力集中，將原刻槽管縱截面A-A及B-B進行了改進，如圖3所示，在原來的直角處加工了Φ10 mm的孔，并將尖角、棱邊處倒圓R 0.5 mm。刻槽管材料選用不銹鋼05Cr17Ni4Cu4Nb，并進行固溶(1 040 ℃水冷或空冷)和時效(480 ℃、4 h空冷)處理，處理后σ0.2≥1 175MPa[5]。

圖3 改進后刻槽管簡圖

2.2 改進結(jié)果分析

改進后的刻槽管使用方法與原刻槽管相同，裝配時只需要在末端使用0.4m長的加力杠桿旋轉(zhuǎn)螺紋來進行預(yù)緊，螺紋產(chǎn)生的預(yù)緊力可通過下式計算出。

式中：

T―擰緊力矩；d2―螺紋中徑；φ―螺紋升角；φv―螺紋當(dāng)量摩擦角；fc―螺母與支撐面間的摩擦系數(shù)，干燥取0.1～0.15；D0―螺母環(huán)形支撐面外徑；d0―螺栓孔直徑。

裝配時上緊壓緊環(huán)所施加的力約為500N，使用0.4m的加力扳手，則：

T=500N×0.4m=200N·m=20kg·m

根據(jù)國外技術(shù)可知，栽培基質(zhì)溫度達80℃時，可消滅大多數(shù)病原菌、害蟲。病菌和害蟲的殺滅溫度[4]，如圖1所示。無土栽培基質(zhì)蒸汽消毒機的栽培基質(zhì)蒸汽加熱溫度可達120～200℃，通過滅菌檢測均達到99.9%以上，消毒效果非常明顯。

d2=62.701mm

φv=arctanfv=arctan0.17≈9.65°

fc取0.15

D0=89 mm,d0=64 mm

將各項參數(shù)帶入得：

F0≈17 466 (N)

刻槽管與末端螺紋之間有1個Φ58 mm×3.55 mm O形圈、3個Φ71 mm×3.55 mm O形圈、8個Φ73 mm×3.55 mmO形圈、2個Φ77.5 mm×3.55 mm O形圈、2個Φ80 mm×3.55 mmO形圈和1個Φ82.5 mm×3.55 mmO形圈，全部為徑向靜密封。

傳遞到刻槽管的壓力需要減去中間環(huán)節(jié)密封圈的摩擦力，密封圈的摩擦力可由下式算出。

F=fKpd0πDE

式中：

f—摩擦系數(shù)，典型密封材料取0.4～1.0，潤滑良好取0.02～0.1，本設(shè)計取0.08；Kp—壓縮力無因次系數(shù)；d0—密封圈線徑；D—密封面直徑；E—橡膠的彈性模數(shù)。

將不同O形圈的參數(shù)分別帶入可求得O形圈總摩擦力：

F=F1+3F2+8F3+2F4+2F5+F6=2 216.8(N)

可傳遞到刻槽管的最大壓緊力：Fy=F0-F=17 466-2 216.8=15 249.2(N)

建立改進后刻槽管三維模型，并將其直接導(dǎo)入有限元分析軟件ALGOR進行分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 改進后刻槽管分析結(jié)果

由分析結(jié)果可知，其最大位移點位移為4.67mm為最大應(yīng)力點應(yīng)力值為1 071MPa，小于屈服強度σ0.2，沒有應(yīng)力集中現(xiàn)象。為了進一步驗證改進后刻槽管的可靠性，在微機控制電子式萬能試驗機上對加工好的刻槽管進行了壓力試驗，試驗時將載荷緩慢加至15kN，試驗結(jié)果如圖5所示。

由負荷-變形曲線圖可知，刻槽管隨壓力變化的位移為一直線，說明刻槽管在彈性范圍內(nèi)變化，沒有出現(xiàn)塑性變形，試驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果相吻合。

圖5 負荷-變形曲線圖

3 結(jié) 論

改進后的刻槽管滿足了使用要求，克服了局部點的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在儀器裝配時僅需要施加20kg·m的力矩就能使刻槽管產(chǎn)生應(yīng)有的變形量，大大地方便了裝配、提高了生產(chǎn)與維修效率。

[1] 北京環(huán)鼎科技公司.DLS-1C雙側(cè)向測井儀使用維修手冊[Z].2007.

[2] 中國石油集團測井有限公司.HCT雙側(cè)向測井儀使用維修手冊[Z].2004.

[3] 潘 靜,閆麥奎,馬 穎.小直徑電極系密封結(jié)構(gòu)改進[J].石油儀器,2011,25(2):12-13.

[4] 武振鵬.基于刻槽管的有限元研究及實驗[J].石油儀器,2008,(8):16-18.

[5] 中國航空材料手冊編輯委員會.中國航空材料手冊第1卷.結(jié)構(gòu)鋼.不銹鋼[M].北京：中國標準出版社，1988.

The Improvement of Grooved Pipe Used by Dual Laterlog Sonde

ZHAO Lingxuan, ZHANG Junguo

(The22ndResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,Xinxiang,Henan453003,China)

Dual laterolog is one conventional project for open hole well, which has been widely used in the logging and exploration. The commonly used dual laterolog sonde is the oil type filled with fiberglass rings. The stress concentration and the large assembling pre-tightening force are common problems in the dual laterolog sonde. The grooved pipe is improved based on development of the new dual laterolog sonde. The design for redesigned longitudinal cross of the grooved pipe is improved, and the pre-tightening torque is calculated, its three-dimensional model is established, the finite element analysis and the pressure test on microcomputer control electronic universal testing machine have been carried out to verify the new grooved pipe, and the problem of the original grooved pipe is solved. The improved grooved pipe eliminates the stress concentration，and assemble and maintain easy.

grooved pipe; stress concentration; pre-tightening force; the finite element analysis

趙靈宣，男，1984年生，工程師，2008年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)機械制造及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事石油測井儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。E-mail: zhao_0003@163.com

P631.8+3

A

2096-0077(2017)01-0026-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.006

2016-04-12 編輯：韓德林)