高孔密射孔槍槍身設(shè)計(jì)

楊淑珍

（大慶射孔彈廠，大慶163853）

高孔密射孔槍槍身設(shè)計(jì)

楊淑珍

（大慶射孔彈廠，大慶163853）

由于高孔密射孔槍槍內(nèi)排列幾十發(fā)射孔彈，射孔彈同時(shí)起爆，爆炸后產(chǎn)生的巨大沖擊載荷將全部作用射孔槍上?？梢姡呖酌軜屔碣|(zhì)量將直接影響油井射孔作業(yè)。本文主要通過對(duì)槍身、聯(lián)接螺紋強(qiáng)度校核，以實(shí)現(xiàn)高孔密射孔槍槍身的設(shè)計(jì)。

射孔槍槍身 聯(lián)接螺紋 強(qiáng)度計(jì)算

引言

高孔密槍身設(shè)計(jì)是否合理，將直接影響油井射孔作業(yè)的質(zhì)量。所以，高孔密射孔槍槍身設(shè)計(jì)主要考慮槍身的強(qiáng)度以及槍身、槍頭、槍尾、中接之間的聯(lián)接螺紋強(qiáng)度。

1 槍身的強(qiáng)度計(jì)算

高孔密射孔槍為射孔彈、導(dǎo)爆索、雷管提供了一個(gè)密封的空間，由槍身承受井筒內(nèi)液體浸泡、井下地層壓力、溫度以及射孔時(shí)爆炸對(duì)槍身的破壞。然而，射孔時(shí)爆炸瞬間產(chǎn)生的高壓力和沖擊波是槍身破壞的主要因素。雖然聚能射孔彈爆炸時(shí)最高壓力可達(dá)到27.6GPa，但一個(gè)射孔彈完全爆炸實(shí)際所需時(shí)間不100μs。更重要的是，這期間壓力的增加和衰減非常快，射孔槍上的盲孔使射流更易于穿透槍壁極早泄壓，而使槍身的變形小或者開裂。槍體斷裂分為橫向斷裂、縱向斷裂、縱向雙向開裂（包括鼓裂）[1]。槍身承受壓力的能力主要由槍身的材質(zhì)決定。經(jīng)過對(duì)各種型號(hào)鋼材的比較，高孔密射孔槍槍身材料適合選擇合金鋼32CrMo4。合金鋼32CrMo4金相組織為均勻分布的回火索氏體，高溫下具有高的持久強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，綜合機(jī)械性能優(yōu)良，主要適合用在高負(fù)荷下工作的部件。槍體承受的壓力可按下式[2]估算：

以114型射孔槍舉例進(jìn)行槍身強(qiáng)度計(jì)算。射孔槍參數(shù)：槍身材料32CrMo4，槍身外徑b=114mm，槍身內(nèi)徑 mm，從手冊(cè)[3]查，取n＝1。把以上數(shù)據(jù)代入公式（1），得槍身承受的壓力為：射孔槍設(shè)計(jì)要求工作壓力P≤70MPa。因此，槍身強(qiáng)度滿足高孔密射孔槍對(duì)槍身的設(shè)計(jì)要求。

2 聯(lián)接螺紋的強(qiáng)度計(jì)算

高孔密射孔槍身兩頭以及上下中接的聯(lián)接螺紋有時(shí)發(fā)生失效，螺紋牙多發(fā)生剪切和擠壓破壞，見圖1聯(lián)接螺紋旋合部分的螺紋受力變形。設(shè)計(jì)中需要校核螺紋牙的強(qiáng)

度[4]，將一圈螺紋沿螺牙的螺紋大徑D處展開，把它看作是寬度為的懸臂梁，見圖2螺紋牙螺紋圈的受力。假設(shè)螺牙每圈螺紋所承受的平均壓力為，并作用在以螺紋中徑D2為直徑的圓周上。

螺紋牙危險(xiǎn)剖面a-a的彎曲強(qiáng)度條件為：

圖1 旋合螺紋的受力變形

圖2 螺紋牙螺紋圈的受力

以上的計(jì)算方法，沒有考慮各圈螺紋牙載荷是分配不均的情況，以螺紋牙所承受的平均載荷作為計(jì)算載荷，其螺紋牙牙根強(qiáng)度的校核仍然采用平均載荷下的剪切強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式。這與實(shí)際承受載荷存在很大的區(qū)別。

在文獻(xiàn)[5]中，以最大受載圈的螺紋牙載荷作為計(jì)算載荷，綜合考慮各種外界因素、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)最大螺牙載荷及螺牙強(qiáng)度的影響，提出了關(guān)于螺紋牙強(qiáng)度的邊界元牙根最大拉應(yīng)力計(jì)算方法，較材料力學(xué)的螺牙彎、剪強(qiáng)度計(jì)算要更為先進(jìn)。

通過對(duì)最大受載圈螺紋牙載荷百分率的回歸分析，得最大受載圈螺紋牙載荷百分率λ的回歸公式（2），其中各系數(shù)值見表1。

在計(jì)算方法中，把螺紋牙圈沿螺紋中徑d2展開，看作寬度為的懸臂梁。由于不同螺距的螺紋牙為相似形，根據(jù)相似原理，其牙根最大拉應(yīng)力必然與螺距成反比，并與單位寬度螺紋牙載荷成正比。同時(shí)，以最大受載圈的載荷作為計(jì)算載荷，直接得到最大拉應(yīng)力公式（3）：

式中：σ為牙根最大拉應(yīng)力（拉伸處最大主應(yīng)力），單位MPa；[]

σ為許用應(yīng)力，單位MPa；Y為螺紋牙應(yīng)力牙形系數(shù)（其值如表2所示）。

表1 最大受載圈螺紋牙載荷百分率λ公式中的回歸系數(shù)值

表1系數(shù)值的適用范圍和使用說明如下：

表2 螺桿及螺母螺紋牙的撓度牙形系數(shù)和應(yīng)力牙形系數(shù)

高孔密射孔槍上的螺紋聯(lián)接應(yīng)該采用等腰梯形的梯形螺紋，不能采用等邊三角形普通螺紋。梯形螺紋的牙根強(qiáng)度高，內(nèi)外螺紋錐面貼緊不易松動(dòng)。與射孔槍槍身相互配合的槍頭、槍尾、中接部分的螺紋，相應(yīng)地也采用梯形螺紋，見圖3。當(dāng)射孔作業(yè)結(jié)束時(shí)，從井筒提出已經(jīng)射孔的射孔槍，其槍頭、槍尾、中接等部件的梯形螺紋如果沒有損傷，還可以多次使用。由于槍頭、槍尾、上下中接、槍身的螺紋尺寸是相互配合的，進(jìn)行螺紋強(qiáng)度校核的時(shí)候，相同尺寸可以校核一次。槍身材料選用的是鋼材32CrMo4；槍頭、槍尾及上、下中接材料選用的均為40Cr。比較而言，槍身材料強(qiáng)度較高，因此只需要校核與之相配合的聯(lián)接件的螺紋強(qiáng)度。

圖3 槍身螺紋聯(lián)接圖

下面以114型高孔密射孔槍為例，進(jìn)行螺紋聯(lián)接強(qiáng)度校核。

第一，槍頭與槍身聯(lián)接螺紋牙強(qiáng)度計(jì)算。槍頭的梯形螺紋尺寸為：Tr100×4，螺距t＝4，螺紋大徑d＝100.5mm，螺紋小徑d1＝96mm，螺紋中徑d2＝98mm，（最大工作壓力）槍頭的材料為40Cr，從手冊(cè)[4]得：

由公式（3）計(jì)算得出：

從計(jì)算結(jié)果分析，槍頭與槍身聯(lián)接的梯形螺紋牙強(qiáng)度滿足高孔密射孔槍對(duì)螺紋聯(lián)接的設(shè)計(jì)要求。

第二，上、下中接聯(lián)接螺紋牙強(qiáng)度計(jì)算。中接聯(lián)接螺紋的梯形螺紋尺寸為：Tr90×4；螺距t＝4；紋大徑d＝

90.5mm；螺紋小徑d1＝86mm；螺紋中徑d2＝88mm；（最大工作壓力）；槍頭的材料為40Cr。從手冊(cè)[4]，得：n=1.5，由公式（3）計(jì)算：

從計(jì)算結(jié)果分析，上下中接聯(lián)接的梯形螺紋牙強(qiáng)度滿足高孔密射孔槍對(duì)螺紋聯(lián)接的設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

通過以上高孔密射孔槍設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出114型高孔密深穿透射孔槍。按照油氣井聚能射孔器材性能試驗(yàn)方法進(jìn)行射孔槍試驗(yàn)，射孔槍能夠承受射孔彈爆轟形成的壓力，槍身沒有橫向裂紋，有螺紋聯(lián)接的地方強(qiáng)度足夠，沒有發(fā)生變形斷裂現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)可靠聯(lián)接?；炷涟猩淇自囼?yàn)后，射孔槍孔眼處的單側(cè)裂紋小于30mm。模擬井射孔試驗(yàn)后，射孔槍孔眼處的單側(cè)裂紋小于20mm，射孔槍外徑漲大小于5mm，完全滿足射孔槍技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

[1]李克儉.射孔槍槍體斷裂原因及預(yù)防措施[J].石油機(jī)械，1997，（8）：46-49.

High Density Perforation Gun Design

YANG Shuzhen
(Daqing perforation bomb factory, Daqing 163853)

Because of the high hole density perforating gun, the dozens of firing holes are arranged in the gun, the perforating charge is detonated at the same time, and the huge impact load generated after the explosion will all be on the perforating gun. Visible, high dense hole gun will directly affect the quality of oil well perforation. This paper mainly through the thread connection of the frame, strength check, in order to achieve high dense hole design of perforation gun.

perforation gun, threaded connections, strength calculation