測井儀器芯軸結構的優(yōu)化設計

劉葉興 周峰 任晉廷

（1.杭州瑞利聲電技術有限公司，杭州，310023；2.青海油田測試公司，酒泉，736202）

(3.中國石油集團測井有限公司塔里木分公司，庫爾勒，841001）

探頭是下井儀器一個非常重要的組成部分，需要承受高溫高壓，并符合抗拉要求[1]。目前常用儀器的耐溫耐壓指標大多數在150℃～177℃、＜140 MPa。隨著深井、超深井的勘探開發(fā)，對超過200℃、170 MPa的超高溫、超高壓測井儀器的需求不斷增加，因此，對測井儀器的設計提出了新的挑戰(zhàn)[2]。超高溫超高壓陣列側向主電極就是為滿足極端條件而研制的一款產品。技術指標要求儀器井下工作溫度最高為232℃，壓力最高為172 MPa，抗拉強度為70 t（行業(yè)習慣用t，更加直觀，1 t=9 800 N，下同）。同時，該儀器的整體長度超過了4.5 m，對結構設計工作提出了嚴峻的要求。本文對傳統(tǒng)的芯軸結構設計進行了優(yōu)化，使之符合該項目的技術指標要求，并對此結構進行了討論和驗證。

1 芯軸

1.1 芯軸結構

探頭由上管殼、芯軸、電極系、下管殼等零件組成。芯軸是探頭中一個主體部分，芯軸連接起了上下兩端的結構件，直接決定了整個探頭一些機械性能指標，如抗拉、抗彎等，其結構示意見圖1。

圖1 芯軸結構示意圖

不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb（17-4PH）為馬氏體沉淀硬化不銹鋼，碳含量低、高鉻且含銅，具有十分優(yōu)異的機械性能和耐蝕性[3]，十分適合制作需要承壓的部件，因此選作芯軸主體材料。由于芯軸結構的復雜性，為簡化加工難度，金屬部分分成三段加工，再焊接而成。芯軸外部的玻璃鋼層起到與電極系的絕緣作用。玻璃鋼具有優(yōu)良的電絕緣性能和耐熱性能，在溫度指標不是很高的情況下，符合該儀器的使用要求。

1.2 結構的局限性

該結構在溫度232℃、壓應力172 MPa、抗拉70 t的條件下具有一定的局限性：（1）玻璃鋼材料在超高溫下的絕緣性能變差。由于其功能要求，芯軸外層包覆的非金屬材料對于絕緣要求有極強的要求，一般的FRP（Fiber Reinforced Polymer）不能在高溫下長期使用，在實際使用過程中，也發(fā)現絕緣性能下降的情況。（2）芯軸可維修性差，芯軸結構過于復雜。如果焊接成型、后期檢驗出現問題會導致芯軸報廢，無法維修。（3）加工太復雜。整支芯軸的加工包括深孔、密封面、螺紋等工藝，同時焊接成型，加工過程過于繁瑣，需要技術工人經驗的積累。

2 結構優(yōu)化

2.1 優(yōu)化設計

基于以上的分析以及產品技術指標的要求，對現有的芯軸結構做出改進。為保證芯軸的可維修性和可加工性，采用分段式結構，由上接頭、芯軸、絕緣套組成。上接頭和芯軸之間由梯形螺紋連接，并通過銷進行周向定位。絕緣套安裝在芯軸上，并通過螺釘進行周向和軸向緊固。通過分段式結構將芯軸整體結構分拆，化整為零，降低零件加工難度，同時整體部件維修方便。改進后的芯軸整體結構如圖2。

圖2 芯軸結構示意圖

為保證在超高溫下芯軸金屬部分與外部絕緣效果，選用絕緣性能更好的進口PEEK（PolyEtherEtherKetone）材料[4]，該種材料具有卓越的耐高溫特性，同時在23℃～200℃溫度范圍內，介電消散因子保持不變，具有良好的電氣絕緣性。同時，PEEK 的玻璃轉變溫度為143℃，而熔點為340℃。高熔點使PEEK 具有優(yōu)異的耐高溫性。纖維補強級PEEK 的熱變形溫度可高達315℃，長期的連續(xù)使用溫度(UL 946B)可達260℃。此外，PEEK在高溫下可維持高水準的強度與模數，也就是說其具有優(yōu)良的高溫機械性能。PEEK套管與芯軸用螺釘緊固，方便拆卸。

相比于傳統(tǒng)的芯軸結構，此種結構有以下幾種優(yōu)勢：（1）可維修性高。芯軸整體采用分段式設計，通過梯形螺紋連接，可拆卸。同時將玻璃鋼套更改為PEEK管，可通過螺釘緊固，可拆卸。任何一個零件加工出現誤差，均可進行拆卸更換。（2）加工簡化。將結構復雜的上接頭和需要深孔加工芯軸分開加工，并通過梯形螺紋連接，降低了工藝難度和風險。絕緣套管和其表面的槽采用分段加工，容錯率增加。（3）滿足超高溫超高壓下的使用要求。芯軸和上接頭通過兩道密封圈將外界環(huán)境與中心過線孔隔離[5]。密封圈采用進口全氟O型圈，具有杰出的耐高溫性，在高溫下的各種機械性能優(yōu)異。

2.2 技術指標校核

芯軸外側充二甲基硅油，與外界壓力平衡，因此，芯軸外側溫度壓力值與外界接近。芯軸過線孔走線，需要與外側超高溫超高壓環(huán)境隔絕。

2.2.1 溫度壓力指標校核

芯軸材料為鈦合金TC4，TC4材料的為Ti-6Al-4V，屬于（α+β）型鈦合金，熱穩(wěn)定性好，在232℃的溫度下能夠保持良好的機械性能，TC4棒料在高溫下屈服點較大，約為860 MPa。芯軸外徑為φ56 mm，過線孔內徑φ15 mm，對其進行高溫下的強度校核[6]。

式中，D受壓零件外徑，mm；d為受壓零件內徑，mm；k為外徑內徑比值；［P］為許用壓力，MPa；n為安全系數；σs為屈服強度，MPa。根據式（2）可知，307 MPa＞172 MPa。在1.3的安全系數下，芯軸的設計滿足極限溫度壓力下的使用要求。芯軸內部的密封選用進口的全氟O形圈，通過擋圈來進一步提高其高溫適用性。通過以往的項目實踐表明，全氟O形圈和擋圈這樣的密封組合可以實現在高溫高壓下的密封。

2.2.2 抗拉指標校核

芯軸與上接頭通過梯形螺紋Tr38×3連接，下端的連接螺紋為Tr55×3。當探頭整體受軸向拉力時，整個探頭承受拉力的是“上接頭-芯軸-下接頭”結構，在材料無缺陷的前提下，該結構的薄弱處為上下接頭與芯軸的螺紋連接處，如圖2。最薄弱處為梯形螺紋Tr38×3的第一扣螺紋。因此對梯形螺紋Tr38×3進行強度校核，而螺紋的失效形式有螺牙被擠壓破壞失效、螺牙被剪切失效、螺牙被擠壓彎曲失效等[7]。

螺紋副抗擠壓校核：

式中，F為軸向力，N；σp是許用擠壓應力，MPa；d2是外螺紋中徑，mm；h為螺紋工作高度，mm；p為螺距，mm；梯形螺紋中h與p的關系為h=0.5p；z為結合圈數。

式中，d1為計算公扣時使用螺紋小徑，mm；b是螺紋牙底寬度，mm；梯形螺紋b與p的關系為：b=0.634p；z是結合圈數；τ為許用剪應力，MPa。

螺紋副抗彎曲校核：

式中，d為螺桿大徑，mm。通過計算，在薄弱處的抗拉能力為825 160 N，約為84.2 t，符合設計指標要求。

3 試驗情況

3.1 PEEK材料高溫絕緣性

為驗證其高溫下的電氣絕緣性能，采用高溫烘烤測其絕緣性。實驗部件如圖3，實驗部件由PEEK絕緣管、金屬電極組成，將其置于高溫烘箱內，在232℃的溫度下烘烤6 h，期間每一個小時用絕緣表1 000 V檔測量，觀察PEEK材料在指標極限溫度下絕緣性能和其穩(wěn)定性。

圖3 實驗部件圖

表1 高溫試驗統(tǒng)計表

實驗結果表明，在高溫232℃的情況下，絕緣表測量值始終在250 M?以上，該種PEEK材料在高溫下的絕緣性能符合要求。

3.2 芯軸抗拉性能

檢測設備(大量程)操作空間有限，對樣品長度有一定的限制。在圖2的基礎上將整個探頭進行簡化，便于受力分析與檢測：（1）保留“上接頭-芯軸-下接頭”結構的主要連接關系，上下接頭處的梯形螺紋不變；（2）芯軸的主要結構尺寸，包括外徑、內孔和螺紋孔等尺寸與實際芯軸相應尺寸保持一致；（3）上下接頭和芯軸的材料不變，如圖5。

圖4 拉伸實驗部件

實驗室環(huán)境溫度23±5℃；濕度RH 40%～80%。通過試驗設備將工件拉伸至826 kN時，試驗工件于螺紋Tr38×3處斷裂，則其抗拉強度約為84 t，其失效處與分析一致，符合設計指標。

4 結論

本文對常規(guī)的芯軸結構進行優(yōu)化設計，經過校核計算，優(yōu)化后的芯軸設計符合超高溫超高壓要求。試驗表明本設計達到了技術指標要求。該結構具有以下優(yōu)點：（1）提升了芯軸的可加工性；（2）能夠更好的滿足超高溫超高壓的應用場景；（3）提高芯軸的可維修性，降低維修的成本。

本文的理論研究和試驗為在超高溫超高壓下芯軸的設計提供了一定的參照，也為后續(xù)超高溫超高壓測井儀器的整體設計打下了良好基礎。理論和試驗研究畢竟只能作為參考的依據，后續(xù)需要通過產品的實際應用情況、以及出現的問題，對該設計進行評估和改進。