擺動閥式脈沖器脈沖發(fā)生機構黏結工藝研究

郭心宇 王智明 高 建 羅登銀 田博輝 陳 錕

（1. 中海油田服務股份有限公司，三河 065201；2. 自貢硬質合金有限責任公司，自貢 643000）

泥漿脈沖數據傳輸技術是以泥漿鉆井液為介質，通過在井下安裝可影響流道的裝置，并根據井下隨鉆測井儀器采集的數據，控制裝置按照一定規(guī)則動作來產生可傳播至地面的壓力脈沖，從而達到傳輸井下數據到地面的目的[1]。

基于擺動閥式脈沖發(fā)生原理，中海油田服務股份有限公司自主研發(fā)了高速率泥漿脈沖器，具有雙向通信功能。它不僅可以以0.5 ～20 b·s-1的速率實時向地面?zhèn)鬏斁聰祿?，還可以通過泥漿渦輪發(fā)電機下傳地面指令，實現對井下儀器工作模式的實時控制[2-3]。

擺動閥式脈沖器的脈沖發(fā)生機構部分始終在泥漿環(huán)境中工作。該機構由擺動閥、泥漿分流器以及分流罩等零件組成，其中泥漿分流器是發(fā)生機構的核心部件，由金屬基體與硬質合金插件黏結而成，始終在泥漿環(huán)境中工作。它的工作環(huán)境溫度可超過150 ℃，且由于泥漿為高速流動的固液雙相流體，流動速度在l.4 ～3.5 L·min-1，黏度大。根據不同區(qū)塊的配比，泥漿環(huán)境呈現弱酸或弱堿性，具有一定的腐蝕性[4]。

泥漿分流器在泥漿環(huán)境中主要會受到流體沖蝕、酸堿環(huán)境的腐蝕以及流體中固相顆粒的高速沖擊，易導致泥漿分流器形態(tài)或者結構的失效。若泥漿分流器金屬基體與硬質合金插件間黏結強度不足，甚至會因固相顆粒的沖擊而發(fā)生破碎，而分流器碎片將在泥漿的帶動下損壞鉆鋌及內部構件，造成憋壓、儀器損壞以及作業(yè)失效等嚴重后果[5]。

文章以泥漿分流器黏結流程中的工藝為研究對象，研究表面粗糙度、膠層厚度、表面清潔以及涂膠工裝等因素對硬質合金與金屬基體黏結力的影響，并且通過受力分析與試驗，驗證影響因素，優(yōu)化工藝參數，使黏結膠層固化后表現出更佳的黏結性能。

1 泥漿分流器結構與受力分析

1.1 泥漿分流器結構

泥漿分流器的裝配方式如圖1 所示。泥漿分流器由硬質合金插件和金屬基體兩部分組成，其中硬質合金插件以燕尾槽方式鑲入鋼體。每件泥漿分流器需鑲入6 件硬質合金插件，并且通過膠層填充插件與金屬基體間的縫隙。

圖1 脈沖器泥漿分流器裝配

1.2 泥漿分流器黏結流程

泥漿分流器的黏結流程如圖2 所示。在黏結前需對待黏結零件進行清潔，在鑲入過程中使用環(huán)氧樹脂膠作為黏合劑填充插件與鋼體件的縫隙，再將裝配完成的泥漿分流器放入烘箱中做熱固化處理，最后清理殘膠，打磨光滑。

圖2 泥漿分流器黏結流程圖

1.3 泥漿分流器插件受力分析

脈沖器工作時，插件除承受流體沖蝕和流體中固相顆粒的沖擊之外，還承受擺動閥反復開合過程中由水錘效應帶來的瞬時壓力。

擺動閥往復擺動工作中，插件承受流體拉力F1、水錘效應產生的壓力F2、環(huán)隙產生的壓力F3、流量變化產生的交變作用力F，還包括一系列二次作用力和多次作用力的組合力。

擺動閥脈沖器工作時存在3 種狀態(tài)，分別為全開狀態(tài)、閉合狀態(tài)以及往復擺動狀態(tài)。全開狀態(tài)下，插件主要受F1、F2的作用，水錘效應產生的壓力集中在插件平面，流體除了從全開的開口通過外，少部分通過擺動閥間隙產生復雜的水錘與渦流的反復組合，對插件產生壓力F2。閉合狀態(tài)下，插件主要受F2、F3的作用，水錘效應產生的壓力集中在插件表面，流體全部通過擺動閥間隙產生復雜的水錘與渦流的反復組合，對插件產生壓力F2。在往復擺動狀態(tài)下，插件承受以上矢量方向力的反復交變作用，受力狀態(tài)復雜且時刻變化。

泥漿實際作用在分流器插件上的應力復雜，包括剪應力、剝離應力和交變應力。由于偏心拉伸，應力集中發(fā)生在黏結面。除了剪切力之外，還有與界面方向一致的拉力和垂直于界面方向的撕裂力。此時，在剪應力作用下，被黏物越厚，接頭強度越大。圖3 為脈沖器泥漿分流器處受力情況。

圖3 脈沖器泥漿分流器處受力圖

剪切力過大時，會產生剝離應力，此時界面上存在拉應力和剪應力，力集中在膠層與鋼體、硬質合金插件的黏結界面，容易損壞泥漿分流器。由于剝離應力的巨大破壞性，設計時必須避免采用產生剝離應力的連接方式。

2 影響因素分析及試驗驗證

2.1 表面粗糙度對黏結強度的影響

為探究表面粗糙度對插件與金屬基體間黏結強度的影響，設計并加工測試樣件3 組，每組測試樣件包含上拉力機耦合桿、下拉力機耦合桿以及一件被測硬質合金樣件，如圖4 所示。

圖4 測試樣件

被測硬質合金樣件可以通過加工過程中線切割工藝的不同，實現不同的表面粗糙度。黏結前，需對表面粗糙度進行檢測，如圖5 所示。本次試驗3 組樣件表面粗糙度分別為0.8 μm、1.6 μm、3.2 μm，且每組重復3 次試驗。

圖5 表面粗糙度檢測

將上拉力機耦合桿、下拉力機耦合桿與硬質合金黏結后，放置在保溫爐內升溫、保溫、冷卻至室溫，至此被測樣件制備結束。制備后的被測樣件，如圖6 所示。

圖6 制備后測試樣件

測試樣件制備完成后，將樣件依次裝入WFW-100 微機屏顯式液壓萬能試驗機，記錄從加載拉力至耦合桿與被測樣件脫開過程中記錄的極限拉力值，并根據測得數據繪制粗糙度試驗數值趨勢，如圖7 所示。

圖7 粗糙度試驗數值趨勢圖

從圖7 可以看出，粗糙度對膠層的黏結強度有影響。粗糙度為1.6 μm 的黏結強度最大，粗糙度為0.8 μm 與粗糙度為3.2 μm 的樣件黏結強度差距較小。分析發(fā)現，在黏結時黏合劑需要與被黏結物表面緊密接觸，被黏結物表面粗糙度較大時，黏合劑填充表面凹陷，增大接觸面積，提高了黏結強度。但是，表面粗糙度過大會導致黏合劑無法充分填充盡可能多的表面凹陷而形成空隙，減小黏結面積，從而影響?zhàn)そY強度。

2.2 膠層厚度對黏結強度的影響

為探究膠層厚度對插件與金屬基體間黏結強度的影響，設計并加工測試裝置5 組，每組測試裝置包含上拉力機耦合桿、下拉力機耦合桿以及一件被測硬質合金樣件，如圖8 所示。該測試裝置通過控制拉力機耦合桿中環(huán)槽深度的大小控制膠層厚度。本次試驗的5 組膠層厚度分別為0.05 mm、0.15 mm、0.25 mm、0.35 mm、0.45 mm，且每組重復3 次試驗。

圖8 測試裝置（單位：mm）

將上拉力機耦合桿、下拉力機耦合桿與硬質合金黏結后，放置在保溫爐內升溫、保溫、冷卻至室溫，至此被測樣件制備結束。

將被測樣件依次裝入WFW-100 微機屏顯式液壓萬能試驗機并啟動，觀察拉力機耦合桿與被測硬質合金樣件脫開后停止。脫開后樣件如圖9 所示。

圖9 拉伸后樣件

記錄每次被測樣件從開始加載至脫開過程中的極限拉力值，根據測得的數據繪制膠層厚度試驗數據趨勢，如圖10 所示。

圖10 膠層厚度試驗數據趨勢圖

從圖10 可以看出，膠層厚度是影響?zhàn)そY強度的重要影響因素，不同膠層厚度測得的拉伸強度差別較大。當膠層厚度較小時，拉伸強度較低。隨著膠層厚度的增加，拉伸強度升高。當膠層厚度超過0.25 mm時，拉伸強度下降，拉伸強度在厚度為0.25 mm 時達到極值。分析后發(fā)現，較厚的膠層易產生氣泡、缺陷和早期斷裂，熱應力也較大，更容易使膠層內聚強度下降。當膠層厚度太薄時，不僅容易造成膠填充不足，接頭強度下降，而且在黏結膠層固化后厚度過小，干膠層內部殘余應力較大，強度越差。

2.3 清洗工藝選擇

影響?zhàn)そY面的因素有表面涂層、臟污、水分等，需借助一些設備儀器進行分析，如顯微鏡觀察表面形貌。

金屬表面常被一些有機物或無機物污染，致使黏結面表面能發(fā)生改變。如果污染物是一種表面能低的物質，則金屬表面能隨之下降，膠黏劑在金屬上的潤濕性變差，黏結強度變低。因此，在黏結前必須清理金屬表面才能使其獲得相應的黏結效果。

使用超聲波清洗機對硬質合金插件與金屬基體表面進行清洗，可以清潔接觸面表面，并增強表面親水性，提高黏合度附著力，增加黏結強度。

2.4 黏結工裝改進的影響

黏結時，對黏結面施加壓力，使黏合劑更容易填充被黏物表面的凹坑，從而減少黏結缺陷。對于低黏度的黏合劑，加壓時會過度流動，導致黏合不足。因此，當黏度較高時應施加壓力，促進被黏物表面的氣體逸出，減少黏合區(qū)域的氣孔。由于所用的環(huán)氧樹脂膠是一種高黏稠、低流動性的黏合劑，需使用高壓應用于固體或高黏度黏合劑。

如圖11 所示，設計泥漿分流器合金插件壓緊工裝，通過在涂膠后合金端面施加均勻的壓力，使黏合劑有效滲入硬質合金與分流器鋼體的表面凹坑，形成有效的連接。若黏結完成后未在工件表面對膠層進行間接施壓，則黏合劑無法有效滲入，將無法形成有效的連接。

圖11 泥漿分流器合金插件壓緊工裝

3 結語

以中海油田服務股份有限公司自研的擺動閥式泥漿脈沖器所用的泥漿分流器黏結工藝為研究對象，通過試驗驗證黏結的表面粗糙度、膠層厚度的選擇等對黏結質量具有較大影響，并且通過理論分析說明提高表面清潔程度與增加表面施加壓力對提高黏結質量具有促進作用，以上因素共同影響膠層的黏結質量。

黏結面粗糙度為1.6 μm 時黏結強度最大，粗糙度為0.8 μm 與粗糙度為3.2 μm 的樣件黏結強度差距較小。膠層厚度是影響?zhàn)そY強度的重要影響因素，不同膠層厚度測得的拉伸強度差別較大，不同黏合劑的最佳黏結厚度需通過試驗確定。使用超聲波清洗機對硬質合金插件與金屬基體表面進行清洗，可以使接觸面表面清潔，并增強表面親水性，提高黏合度附著力，增加黏結強度。設計合適的黏結輔助工裝，通過在涂膠后合金端面施加均勻的壓力，使黏合劑可以有效滲入硬質合金與分流器鋼體的表面凹坑，增加黏結面積，有效提升黏結強度。文章優(yōu)化了黏結工藝流程，提高了硬質合金插件與金屬基體之間的連接處強度，對黏結工藝的優(yōu)化具有促進作用。