新型小直徑核測井儀器密封接頭體的可靠性設(shè)計(jì)

張念東+賀偉

摘 要：介紹了核測井儀器密封接頭體的結(jié)構(gòu)，對其存在的問題進(jìn)行了詳細(xì)分析。闡述了一種新型小直徑核測井儀器密封接頭體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對其密封塞、自密封充排氣管進(jìn)行了可靠性試驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了合理選用零件參數(shù)的方法及連接頭及密封塞螺紋的強(qiáng)度計(jì)算公式。對新設(shè)計(jì)的新型小直徑核測井儀器密封接頭體進(jìn)行了包括高壓密封試驗(yàn)，氣密性試驗(yàn)和電絕緣性能試驗(yàn)的驗(yàn)證。該設(shè)計(jì)有效地解決了核測井儀器密封接頭體氣密性差的問題，提高了產(chǎn)品可靠性。

關(guān)鍵詞：核測井儀器;密封接頭體;成品率;密封塞;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);可靠性;強(qiáng)度計(jì)算。

中圖分類號：TP316 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：2095-1302（2015）01-00-02

0 ?引 ?言

核測井儀器在石油測井中得到越來越廣泛的應(yīng)用?？煽坎⑶倚阅芊€(wěn)定的小直徑核測井儀器更是受到市場的高度關(guān)注，這就對核測井儀器每個部件的穩(wěn)定性提出了更高要求。中子發(fā)生器是核測井儀器的核心部分，它由密封短節(jié)和驅(qū)動短節(jié)組成。兩個密封短節(jié)通過密封接頭體聯(lián)接，密封接頭體是密封短節(jié)的關(guān)鍵部件之一。在中子發(fā)生器中，密封接頭體具有聯(lián)接、密封、充排氣、電信號傳輸?shù)戎匾饔?，它的質(zhì)量可靠性直接決定著核測井儀器的質(zhì)量可靠性。由于現(xiàn)有的密封接頭體在設(shè)計(jì)方面存在的問題，使得密封接頭體的可靠性和成品率不高。從產(chǎn)品可靠性和經(jīng)濟(jì)效益等方面考慮，研發(fā)新型可靠的核測井儀器密封接頭體就顯得尤為重要。

1 ?密封接頭體的現(xiàn)狀

1.1 ?中子發(fā)生器的工作環(huán)境

根據(jù)核測井儀器的設(shè)計(jì)要求，中子發(fā)生器直徑尺寸為φ38～φ45 mm、外部工作環(huán)境壓力100 MPa、溫度135～140 ℃;密封短節(jié)內(nèi)部元器件在7.5 kV的高壓下工作，為保證良好的絕緣效果，密封短節(jié)內(nèi)部充入0.6 MPa的SF6絕緣氣體。密封接頭體是在高溫、高壓、高電的工況環(huán)境下實(shí)現(xiàn)連接、密封。

1.2 ?密封接頭體的結(jié)構(gòu)

密封接頭體的結(jié)構(gòu)見圖1，它由連接頭、O型密封圈、芯柱、接線柱、充排氣管等組成，其中連接頭與芯柱采用氬弧焊焊接，接線柱和充排氣分別與芯柱采用銀焊封接。密封接頭體左側(cè)通過螺紋與O型密封圈與密封短節(jié)外殼進(jìn)行密封連接，形成密封短節(jié)。

圖1 ?密封接頭體結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 ?存在的問題

（1）容易發(fā)生絕緣電線頭脫落和軋斷電線現(xiàn)象。

密封接頭體上有6個接線柱，分別通過絕緣線與變壓器、絕緣骨架等連接。密封短節(jié)與密封接頭體通過螺紋的轉(zhuǎn)動進(jìn)行連接，使得絕緣線發(fā)生扭轉(zhuǎn)，容易導(dǎo)致絕緣頭扭斷脫落。并且，絕緣線在設(shè)計(jì)時留有一定的余量，在連接過程中，絕緣線容易被螺紋剪斷。

（2）氬弧焊焊接部分氣密性不高。

從生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，氬弧焊密封焊接的成品率只有50%。

（3）接線柱容易損壞，造成密封短節(jié)漏氣。

接線柱是由薄壁陶瓷管與鉛絲提供高頻封接而成。在儀器生產(chǎn)調(diào)試過程中，由于搬運(yùn)、振動或人為的因素等原因容易組成陶瓷管破裂或銀焊處的損壞，導(dǎo)致整個密封接頭體報(bào)廢。

（4）充排氣管的氣密封性差。

充排氣管是由外購氣門芯配做加工而成，從生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，氬充排氣管的成品率約為40%。

（5）密封接頭體成品率低。

由于密封接頭體的氣密性較差，部件的可靠性較差，嚴(yán)重影響密封接頭體的成品率，從生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，密封接頭體的成品率只有20%。

2 ?密封接頭體的新設(shè)計(jì)

對現(xiàn)有密封接頭體存在的問題進(jìn)行分析可以得出，密封接頭體可靠性低的主要原因是密封接頭體的氣密封性較差和零部件互換性差。為此，在密封接頭體的設(shè)計(jì)中采用互換性較高的密封塞和自密封充排氣管。其主要設(shè)計(jì)思想：

（1）采用標(biāo)準(zhǔn)密封塞陶瓷接線柱;

（2）采用拉環(huán)結(jié)構(gòu)解決芯子和外鋼管的相對轉(zhuǎn)動問題;

（3）采用新型可靠的自密封充排氣管;

（4）優(yōu)化設(shè)計(jì)小直徑密封接頭體結(jié)構(gòu)。

通過以上方法，提高密封接頭體的無故障性、耐久性和可維修性。

2.1 ?密封塞和充排氣管的可靠性實(shí)驗(yàn)

2.1.1 ?密封塞的可靠性實(shí)驗(yàn)

密封塞的可靠性對密封接頭體，乃至于整個測井儀器都具有重要作用。為了獲得高可靠性的密封塞，通過分析、比較現(xiàn)有市場上的密封塞產(chǎn)品，選取了一種技術(shù)資料數(shù)據(jù)適合測井儀器工況的密封塞，對該密封塞進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，見表1。

表2 ?自密封充排氣的可靠性試驗(yàn)（數(shù)量5個）

重復(fù)試驗(yàn)次數(shù) 密封性（0.6 MPa SF6氣體）檢測 外觀檢查

檢測試劑 常溫 155 ℃保溫4 h

1 丙酮 無氣泡 無氣泡 完好

2 丙酮 無氣泡 無氣泡 完好

3 丙酮 無氣泡 無氣泡 完好

4 丙酮 無氣泡 無氣泡 完好

5 丙酮 無氣泡 無氣泡 完好

6 丙酮 無氣泡 無氣泡 完好

7 丙酮 無氣泡 無氣泡 完好

8 丙酮 無氣泡 無氣泡 完好

9 丙酮 無氣泡 無氣泡 完好

10 丙酮 無氣泡 無氣泡 完好

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在以丙酮為檢測試劑進(jìn)行密封性檢測后，密封塞的絕緣膠融化變形，該密封塞德絕緣性能變得很差，合格率為0，不能使用，終止丙酮為檢測試劑的密封塞可靠性試驗(yàn)。在以酒精為檢測試劑進(jìn)行密封性檢測后，密封塞樣品的電絕緣性和密封性能表現(xiàn)良好，外觀表象完好，合格率為100%。由此可得結(jié)論：（1）選擇合適的氣密性檢測試劑對密封塞在密封接頭體的工作環(huán)境下正常工作很重要;（2）在選擇合適的氣密性檢測試劑條件下《試驗(yàn)用密封塞合格率為100%，可靠性高，適合密封接頭體的工況環(huán)境。

2.1.2 ?自密封充排氣管的可靠性實(shí)驗(yàn)

自密封充排氣管是密封接頭體重要部件之一，它由氣門柱、密封墊、氣門芯、密封圈、墊片、螺和護(hù)帽組成，在密封接頭體中具有充、排SF6絕緣氣體和密封的作用，自密封充排氣管的可靠性決定了密封接頭體的可靠性。為此，進(jìn)行了自密封充排氣管的可靠性試驗(yàn)。表2是自密封充排氣管的可靠性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)隨機(jī)抽取5個自密封充排氣管為樣件，在外部環(huán)境為常溫常壓和155 ℃常壓條件下，利用不同檢測試劑考察了自密封充排氣管的密封性和外觀表象。自密封充排氣管的內(nèi)部檢測壓力為0.6 MPa，以SF6氣體為檢測氣體。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在以丙酮和酒精為檢測試劑條件下，自密封充排氣管的的密封性能和外觀表象均出現(xiàn)良好效果，說明檢測試劑對自密封充排氣管的可靠性影響不大;自密封充排氣管能夠在密封接頭體的工作壞境下正常工作。

2.2 ?新型密封接頭體的可靠性設(shè)計(jì)

2.2.1 ?新型密封接頭體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型密封接頭體結(jié)構(gòu)見圖2，它由連接頭、O型密封圈、拉環(huán)、密封塞、自密封充排氣管等組成。

連接頭是新型密封接頭體的主要零件，屬于薄壁結(jié)構(gòu)，從強(qiáng)度角度考慮，連接頭材采用比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）較高的鈦合金，連接頭上分布多處密封槽和拉環(huán)槽，容易形成應(yīng)力集中，因此在密封槽及拉環(huán)槽底部采用適當(dāng)圓角結(jié)構(gòu)，降低應(yīng)力集中。

采用拉環(huán)結(jié)構(gòu)，避免了密封短節(jié)與連接頭的密封連接過程中的相對靜止，解決了密封高壓絕緣骨架和外殼在裝配和拆卸過程中的相對轉(zhuǎn)動問題。

圖2 ?新型密封接頭體結(jié)構(gòu)示意圖

密封塞和自密封充排氣管的使用，取代了氬弧焊和銀焊的加工工藝。

2.2.2 ?連接頭的強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)第三強(qiáng)度理論，圓通結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度條件為

（1）

式中，p為筒壁存在的壓力;R內(nèi)為桶壁內(nèi)半徑;R外為筒壁外半徑;[σ]為材料許用拉應(yīng)力。

根據(jù)式（1），計(jì)算確定筒壁內(nèi)徑尺寸。

2.2.3 ?密封塞螺紋的強(qiáng)度計(jì)算

新型密封接頭體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使密封塞的螺紋處于拉力作用狀態(tài)，其拉力F為

（2）

式中，p1為密封塞所受氣壓;d1為螺紋外徑。

拉力作用下螺紋部分強(qiáng)度為

（3）

式中，d為螺紋危險剖面計(jì)算直徑;[σ]1為螺紋許用拉應(yīng)力。經(jīng)計(jì)算，密封螺紋滿足強(qiáng)度計(jì)算條件。

3 ?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 ?高壓密封性試驗(yàn)

將密封短節(jié)外殼、新型密封接頭體、試壓護(hù)帽連接后，在100 MPa液體進(jìn)行高壓試驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，密封短節(jié)內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)液體，密封性能良好;新型接頭體外觀沒有出現(xiàn)裂紋、變形等現(xiàn)象。

3.2 ?氣密封性試驗(yàn)

將密封短節(jié)外殼與新型密封接頭體連接，充入SF6絕緣氣體，在不同工況下進(jìn)行氣密封性試驗(yàn)，結(jié)果表明氣密性良好。

3.3 ?電絕緣性能試驗(yàn)

進(jìn)行密封塞電絕緣性能試驗(yàn)。在155 ℃高溫條件下，以100個密封塞為樣件，進(jìn)行2.5 kV的電絕緣檢測篩選，合格97件，合格率達(dá)到90%以上，符合核測井儀器元器件選用標(biāo)準(zhǔn)。

4 ?結(jié) ?語

新型小直徑核測井儀器密封接頭體解決了密封短節(jié)起密封性差的問題，改善了連接過程中絕緣線容易損壞的現(xiàn)象，提高了產(chǎn)品可靠性和合格率。新材料、新器件的運(yùn)用，簡化了部件的加工工藝，縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本。新型密封接頭體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，密封塞和自密封充排氣管的設(shè)計(jì)，可適用于φ38以上的核測井儀器密封接頭體，具有一定的推廣價值。