泥漿脈沖發(fā)生器活塞往復運動密封裝置設計

林 坤，馬朝選，郭嗣杰

(中國船舶重工集團公司第七一八研究所，河北 邯鄲，056027)

·開發(fā)設計·

泥漿脈沖發(fā)生器活塞往復運動密封裝置設計

林 坤，馬朝選，郭嗣杰

(中國船舶重工集團公司第七一八研究所，河北 邯鄲，056027)

無線隨鉆泥漿脈沖發(fā)生器活塞往復運動密封裝置在高溫和高壓環(huán)境下工作，既要保證密封可靠，使用壽命長，又要運動平穩(wěn)，防止運動不平穩(wěn)卡死。介紹了活塞往復運動密封裝置結(jié)構(gòu)，給出了核心部件主閥筒、活塞和耐磨套的設計。利用Y型密封圈的自密封作用，一對Y型密封圈背靠背安裝在活塞上，做雙向密封。主閥筒內(nèi)裝有耐磨套和彈簧，活塞通過螺紋跟信號閥桿連接。在井下工作時，在泥漿壓力和彈簧的作用下，信號閥桿帶動活塞在該往復運動密封裝置內(nèi)做往復運動，活塞在耐磨套內(nèi)運動，其范圍不會超出耐磨套長度?，F(xiàn)場試驗該密封裝置未曾發(fā)生泄漏現(xiàn)象，密封效果良好。

隨鉆測量；動密封；活塞；往復運動；Y型密封圈

0 引 言

密封的作用就是將接合面間的間隙封住、隔離或切斷泄漏通道，增加泄漏通道中的阻力，或者在通道中加設小型做功元件，對泄漏物質(zhì)造成壓力，與引起泄漏的壓差部分抵消或完全平衡，以阻止泄漏。往復動密封除了要承受介質(zhì)壓力外，還必須承受相對運動引起的摩擦、磨損；既要保證一定的密封，又要滿足運動性能的各項要求。

泥漿脈沖發(fā)生器是無線隨鉆測量系統(tǒng)中的重要組成部分，其主要功能是將井下測量信號轉(zhuǎn)換為泥漿脈沖信號傳至地面。現(xiàn)有泥漿脈沖發(fā)生器活塞往復運動密封裝置在井下幾千米工作，長時間經(jīng)受高速流動泥漿沖蝕，耐沖蝕性較差，使用壽命較短，從而無法保證無線隨鉆測量系統(tǒng)長時間穩(wěn)定工作。在主閥筒內(nèi)，活塞上的密封圈與主閥筒直接接觸，極易被泥漿中雜質(zhì)拉傷，腐蝕出環(huán)形不規(guī)則圓坑，造成密封失效，嚴重影響使用壽命。本文對泥漿脈沖發(fā)生器活塞往復運動密封裝置進行研究和分析，對該裝置進行方案設計，給出了主閥筒、活塞和耐磨套的設計，取得了很好的密封效果良好。

1 密封圈的選擇

Y型密封圈的截面呈Y型，如圖1所示，Y型密封圈兩唇高度相等，唇邊在密封耦合零件兩壁面上的壓應力相同。

圖1 Y型密封圈

由于Y型密封圈結(jié)構(gòu)簡單緊湊、抗根部磨損能力強，工作位置較穩(wěn)定。因此，在泥漿脈沖發(fā)生器活塞往復運動密封裝置中選用Y型唇型密封圈，唇口要對著壓力高的一側(cè)，才能發(fā)揮作用。同時，由于Y型密封圈只能作單向密封，該裝置選用一對Y型唇型密封圈作雙向密封。

工程中往復運動密封中常用的材料丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、氟橡膠和硅橡膠，由于氫化丁腈橡膠耐熱性、耐堿性、耐油性和物理機械性能優(yōu)于其它三個，所以選用硬度為邵氏70的氫化丁腈橡膠用作活塞往復運動密封裝置的Y型密封圈材料。

2 Y型密封圈的密封原理

Y型密封圈依靠其張開的唇邊貼于密封副耦合面。Y型密封圈裝于溝槽中的接觸壓力分布如圖2所示，在沒有內(nèi)部壓力時，唇尖的變形產(chǎn)生接觸壓力很小。在密封的情況下，受內(nèi)部壓力作用，與介質(zhì)接觸的每一點上均有與內(nèi)部壓力相等的法向壓力，所以Y型密封圈底部將受到軸向壓縮，唇部受到周向壓縮，唇與密封面接觸變寬，同時接觸壓力增大。當內(nèi)壓再升高時，接觸壓力的分布和大小進一步改變，唇部與密封面配合更緊密，所以密封性更好，這就是Y型密封圈的自密封作用[1～3]。

圖2 Y型密封圈的接觸壓力分布

3 活塞往復運動密封裝置的方案設計

基于無線隨鉆活塞工作在高溫(150℃)和高壓(120 MPa)環(huán)境下，活塞往復運動密封裝置結(jié)構(gòu)設計應考慮的因素： 1)結(jié)構(gòu)設計盡量簡單，裝拆方便，起到雙向密封作用； 2)活塞在缸體內(nèi)做往復運動運動的過程中，要求活塞運行平穩(wěn)，摩擦系數(shù)要盡可能小，防止活塞在耐磨套中運行的不平穩(wěn)發(fā)生卡死的現(xiàn)象； 3)隨著測井深度的增加，保證在高溫高壓的環(huán)境下具有良好的密封性能[4-9]。

無線活塞往復運動密封裝置的結(jié)構(gòu)設計示意圖如圖3所示。

1-信號閥桿;2-引鞋;3-O型密封圈;4-Y型密封圈;5-閥桿限流環(huán);6-活塞;7-耐磨套;8-主閥筒;9-彈簧。圖3 活塞往復運動密封裝置結(jié)構(gòu)設計方案

信號閥桿1安裝在引鞋2內(nèi)，一對Y型密封圈4安裝在活塞6上。先從主閥筒8內(nèi)裝入耐磨套7，然后裝入彈簧9。信號閥桿1和活塞6通過螺紋連接。在井下工作時，在泥漿壓力和彈簧9的作用下，信號閥桿1帶動活塞6在該往復運動密封裝置內(nèi)做往復運動，其活塞6在耐磨套7內(nèi)運動，其范圍不會超出耐磨套7長度，Y型密封圈7背靠背安裝。O型密封圈3用作靜密封，防止泥漿從引鞋2處進入活塞6。

3.1 主閥筒的設計

主閥筒的結(jié)構(gòu)如圖4所示。主閥筒的材料采用鈹青銅材質(zhì)，經(jīng)過雙重時效處理，硬度達到HRC36～40，使用壽命大大提高。主閥筒總長L5，為直徑ΦD圓筒，主閥筒一端為外螺紋，外螺紋端外圓自端面軸向向內(nèi)有長度為L1加工區(qū)。該區(qū)域加工有外螺紋及兩道密封槽，用于與其它部件相連。密封圈槽位于外螺紋兩側(cè)，另一端為內(nèi)螺紋，自端面軸向延伸，由一段連接過渡段及一段內(nèi)螺紋段組成。

主閥筒內(nèi)部為四段不同內(nèi)徑的階梯狀通孔。第一圓孔段自主閥筒外螺紋端向內(nèi)L2加工出內(nèi)徑Φd1圓孔段，提供泥漿通道。第二圓孔段自本體外螺紋端向內(nèi)L2處開始至L3處為內(nèi)徑Φd2圓孔段，用于安裝主彈簧。第三圓孔段自本體外螺紋段L3處開始至L4處為Φd3圓孔段，耐磨套安裝于該段。第四圓孔段7自本體外螺紋段L4處開始至本體末端，該段加工一段內(nèi)螺紋段及一段內(nèi)徑為Φd4的連接過渡段，用于與引鞋連接。主閥筒內(nèi)螺紋段軸向延伸L6處均布多個圓通孔，連通主閥筒內(nèi)外，正常工作時，一部分泥漿可從此排出，防止主閥筒內(nèi)部泥漿淤積，影響信號閥桿運動。

圖4 主閥筒結(jié)構(gòu)

3.2 活塞的設計

為了保證活塞的功能和使用壽命，活塞設計時應考慮的因素：1)活塞與耐磨套之間摩擦系數(shù)小，摩擦力小，磨損量小，提高使用壽命；2)耐磨性好，熱膨脹系數(shù)低，在溫度變化的時候變形量要小，和缸體壁之間始終要保持較小的間隙[10，11]。

由于鈹青銅材料經(jīng)過熱處理后，具有高的強度、和彈性極限，彈性滯后小，穩(wěn)定性好，并且具有耐疲勞、耐磨、耐低溫、高導電導熱性等性能，因此活塞選用鈹青銅材質(zhì)，經(jīng)過雙重時效處理，硬度達到HRC36～40?；钊慕Y(jié)構(gòu)如圖5所示，考慮到加工難易程度，把動密封溝槽開在活塞上，活塞動密封溝槽底徑為Φd，活塞配合直徑為ΦP ，密封溝槽軸向長度為L，活塞兩端直徑為ΦD1，泥漿通道直徑為Φd1 ，活塞內(nèi)部有內(nèi)螺紋，用于連接信號閥桿。

圖5 活塞結(jié)構(gòu)

為了保證裝置的往復運動密封性能，要求活塞加工精度很高，以保證活塞的表面粗糙度。表面粗糙度的大小，對活塞的使用性能影響主要表現(xiàn)如兩個方面[12，13]：1)表面粗糙度影響活塞的耐磨性。表面粗糙度越小，活塞與缸體之間的有效接觸面積就越大，壓強就越小，磨損就越慢，活塞的壽命提高。2)活塞與缸體之間的配合屬于間隙配合，活塞表面越粗糙，越容易磨損，使工作過程中間隙逐漸增大，活塞與缸體之間無法嚴密地貼合，造成密封失效?；钊谋砻娲植诙纫鬄檩喞乃阈g(shù)平均偏差 0.4～0.6 μm。為保證活塞密封的可靠性并有效減小摩擦，對活塞外表面的圓柱度和表面光潔度應有較高的要求，加工時還要保證活塞外圓的形位公差。

3.3 耐磨套的設計

耐磨套的結(jié)構(gòu)如圖6所示，耐磨套的內(nèi)徑為Φd，外徑為ΦD，長度為L。Y型密封圈通過的部位，不得有尖角、毛刺，這些加工痕跡通常都非常堅硬和鋒利，很容易刮傷Y型密封圈的唇部。為此，在設計時，在耐磨套的內(nèi)表面倒成1×15°的倒角。

圖6 耐磨套結(jié)構(gòu)

在裝置工作過程，耐磨套與活塞存在著相對運動，必須精密加工，對圓柱度公差和表面粗糙度度應有較高的要求。為了避免線性或非線性誤差，對耐磨套的同軸度公差有較高的要求，不得出現(xiàn)鼓形、錐形和細腰形。

若主閥筒與Y型密封圈直接接觸時，接觸部位在活塞頻繁往復運動下極易被泥漿中雜質(zhì)拉傷因而腐蝕出環(huán)形不規(guī)則圓坑，從而造成活塞往復運動密封失效，導致儀器無法工作，嚴重影響使用壽命，同時由于主閥筒只能整體更換，大大的加重了使用成本，造成了很大的浪費。

耐磨套避免了Y型密封圈與主閥筒直接接觸，采用鈦合金材質(zhì)，耐沖蝕性好，且即使沖損壞也便于更換。由于耐磨套壁很薄，使用材料很少，因此成本低廉，采用該種方式主閥筒的使用壽命提高近兩倍。

該活塞往復運動密封裝置在內(nèi)蒙古烏審旗的蘇77-0-46定向井中現(xiàn)場試驗500 h，未發(fā)生泄漏現(xiàn)象，密封效果良好。該密封裝置達到了設計要求，能夠滿足實際需要。

4 結(jié)束語

無線隨鉆泥漿脈沖發(fā)生器活塞往復運動密封裝置核心部件中的主閥筒和活塞采用鈹青銅材質(zhì)，經(jīng)過雙重時效處理，使用壽命大大提高。主閥筒內(nèi)部設置為四段不同內(nèi)徑的階梯狀通孔，提供泥漿通道并與無線隨鉆其它部件相連、密封；在主閥筒、活塞之間設置耐沖蝕性好的鈦合金材質(zhì)的耐磨套，避免了Y型密封圈與主閥筒直接接觸，提高了主閥筒的使用壽命。

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Design on Piston Reciprocating Motion Seal Device of the Mud Pulse Generator

LIN Kun, MA Chaoxuan, GUO Sijie

(The718ResearchInstituteofCSIC,HandanHebei056027,China)

Piston reciprocating motion sealing device for the mud pulse generator in wireless measurement while drilling worked under high temperature and high pressure environment. It was necessary to ensure not only reliable sealing and long service life, but also a stable movement to prevent the stuck movement of the uneven stability. The structure of the piston reciprocating seal device was introduced, and the core component of the main valve cylinder, piston and wear resistant sleeve were designed. Using the self-sealing effect of Y-ring, a pair of Y-ring was mounted on the piston back to back, two-way seal. The main valve cylinder was provided with a wear-resistant sleeve and a spring, and the piston was connected with the signal valve stem through a screw thread. The piston was drive by the signal valve rod to do reciprocating motion in the reciprocating motion sealing device under the action of the mud pressure and the spring under the well. The piston can move within the wear resistant sleeve, and the range of the piston cannot exceed the length of the wear resistant sleeve. The field logging test had not leakage phenomenon. The sealing effect was good.

measurement while drilling; dynamic seal; piston; reciprocal motion; Y-type seal ring

林 坤,男，1982年生，工程師，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學機械電子工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事石油測井儀器研發(fā)工作。E-mail：65681716@163.com

TH138

A

2096-0077(2016)06-0019-04

2016-03-14 編輯：高紅霞)