MP38B燃燒式釋放器的故障研究與改進(jìn)

梁立華，鄒文凱

(中國(guó)石油測(cè)井有限公司吉林分公司 吉林 松原 138000)

0 引 言

近幾年，吉林探區(qū)XM、MT區(qū)塊的注水井井深已達(dá)到2 500 m左右，隨著注水井深井的增加，注水壓力也隨之增大(井口壓力20 MPa左右)，MP38B燃燒式釋放器受到壓力的影響，在測(cè)井施工中，易出現(xiàn)示蹤劑不釋放的現(xiàn)象，注入五參數(shù)組合測(cè)井儀的同位素測(cè)井曲線無(wú)法測(cè)量。若此時(shí)更換釋放器，釋放器中的放射源會(huì)對(duì)人體造成二次傷害，嚴(yán)重影響施工人員的身體健康和生產(chǎn)作業(yè)。為了避免重復(fù)測(cè)井，節(jié)約人力物力，對(duì)降低MP38B型燃燒釋放器故障率的技術(shù)需求十分迫切。

1 MP38B燃燒式釋放器工作原理及主要問(wèn)題

燃燒式釋放器是一個(gè)測(cè)井儀短節(jié)，用于攜帶和投放放射性示蹤劑，在同位素測(cè)井儀器中得到普遍應(yīng)用[1]。MP38B燃燒式釋放器結(jié)構(gòu)如圖1所示。在測(cè)井施工時(shí)，倉(cāng)體內(nèi)裝載放射性示蹤劑，在目的層上，釋放示蹤劑。釋放過(guò)程利用火藥燃燒產(chǎn)生高壓氣體推動(dòng)活塞由上向下運(yùn)動(dòng)，打開(kāi)釋放器，示蹤劑得到釋放。下活塞與滑動(dòng)桿的滑脫是MP38B燃燒釋放器在工作中出現(xiàn)的主要問(wèn)題[2]。

圖1 MP38B燃燒式釋放器結(jié)構(gòu)圖

2 MP38B燃燒式釋放器故障分析

釋放器最下端的阻尼倉(cāng)由密封圈、密封壓環(huán)、壓環(huán)螺絲組成，它的作用是當(dāng)火藥燃燒時(shí)產(chǎn)生高壓氣體推動(dòng)活塞由上向下運(yùn)動(dòng)，為滑動(dòng)桿帶動(dòng)活塞的下行提供阻力，使其不受較大的沖擊，平穩(wěn)打開(kāi)釋放器，示蹤劑得到釋放。阻尼倉(cāng)如果缺油，就會(huì)造成下活塞下行過(guò)快，產(chǎn)生震動(dòng)沖擊，易與阻尼倉(cāng)發(fā)生碰撞。輕則造成下活塞內(nèi)的卡環(huán)和壓板變形，重則造成下活塞脫落。阻尼倉(cāng)是否缺油，是由滑動(dòng)桿與阻尼倉(cāng)間的密封圈決定的。密封圈的磨損使滑動(dòng)桿向下移動(dòng)，受井下壓力、溫度及注水中的泥沙與污垢、腐蝕性物質(zhì)等因素影響，造成阻尼倉(cāng)漏油。

日常儀器在檢查維修保養(yǎng)時(shí)，要清理滑動(dòng)桿上的銹垢與雜質(zhì)，保證活塞處滑動(dòng)桿的光滑。阻尼倉(cāng)內(nèi)的密封圈應(yīng)光亮整潔，彈性有度，使滑動(dòng)桿進(jìn)出自如，密封良好。如發(fā)現(xiàn)有磨損或變形的密封圈要及時(shí)更換，避免其漏油，失去緩沖作用。

由于現(xiàn)場(chǎng)小隊(duì)平時(shí)連續(xù)多井次作業(yè)，釋放器不能做到一口井一歸還，阻尼倉(cāng)得不到及時(shí)維修保養(yǎng)，所以又對(duì)卡環(huán)和壓板進(jìn)行了改進(jìn)。由于原卡環(huán)和壓板的材料硬度不夠，致使下活塞上的卡環(huán)與壓板變形(如圖2和圖3所示)，進(jìn)而使活塞滑脫，示蹤劑不能釋放。為了減少滑脫現(xiàn)象的發(fā)生，還需要提高卡環(huán)和壓板的抗壓強(qiáng)度。

圖2 變形的卡環(huán)

圖3 變形的壓板

3 MP38B燃燒式釋放器改進(jìn)方法

3.1 卡環(huán)、壓板的改進(jìn)

優(yōu)化壓板結(jié)構(gòu)，增加其厚度。MP38B燃燒式釋放器下活塞是由密封圈、銅套、卡環(huán)、壓板組成。并且通過(guò)4個(gè)螺絲固定在滑動(dòng)桿上。 下活塞中原壓板，如圖4所示，是直徑為20.0 mm，厚度為1.0 mm的圓形不銹鋼板 。壓板中間有一直徑為6.0 mm的圓孔，圍繞其周圍是分布均勻的4個(gè)直徑為3.0 mm的圓孔。由于原壓板的厚度只有1.0 mm，易變形，為了增加壓板的抗壓性，根據(jù)零件彎曲強(qiáng)度的校核將其厚度增加。

1)該壓板零件形狀是圓盤形，斷面形狀為矩形，校核這類形狀的零件時(shí)應(yīng)當(dāng)以中性軸的計(jì)算形式，它的彎曲強(qiáng)度的校驗(yàn)公式如式(1)[3]：

(1)

式中：δ彎為最大彎曲應(yīng)力，kg/cm2；M彎為外截面彎矩，kg·cm；W彎為抗彎斷面系數(shù)，cm3。

2)壓板的斷面為矩形，如圖4所示：

圖4 矩形截面抗彎斷面分析圖

根據(jù)矩形斷面抗彎斷面系數(shù)的計(jì)算方法得到式(2)[3]：

(2)

式中：b為零件的長(zhǎng)度，mm；h為斷面的高度(厚度),mm；Z為中性軸。

3)壓板的受力位置在中心，所以得到如圖5所示的受力圖形：

圖5 矩形截面抗彎斷面受力分析圖

根據(jù)圖形和受力的狀態(tài)，可以得到彎矩的計(jì)算公式[4]：

(3)

式中：F為外力,N；L為零件長(zhǎng)度,mm。

4)根據(jù)盤形零件的特點(diǎn)得出：

L=R

(4)

將式(2)和式(3)代入式(1)，得到：

(5)

5)根據(jù)彎曲強(qiáng)度的校驗(yàn)方法，保證計(jì)算零件的彎曲強(qiáng)度必須小于它的許用彎曲強(qiáng)度[5]。因?yàn)樵S用彎曲強(qiáng)度就是它承受的最大彎曲應(yīng)力(強(qiáng)度)，即：

(6)

由式(6)可以看出，[δ彎]為材料彎曲的許用應(yīng)力[5](強(qiáng)度)，是由材料性質(zhì)決定的，外力F是一定的，所以δ彎的大小是由h的大小決定的，h越大(即壓板越厚),δ彎越小，越能滿足計(jì)算公式，即保證壓板不變形。

改進(jìn)前、后的壓板分別如圖6、圖7所示。圖7中，改進(jìn)后的壓板直徑未變，原來(lái)4個(gè)螺絲孔的部分沒(méi)有增加厚度，只是將壓板中間主要受力部分的厚度增加到最大值4 mm。這樣改造的目的是螺絲擰緊后的高度與整個(gè)壓板的高度在一個(gè)平面，不改變活塞的行程，避免活塞與阻尼倉(cāng)發(fā)生碰撞外效應(yīng)[6]，防止磕碰螺絲帽給拆卸帶來(lái)麻煩。

圖6 原壓板

圖7 改進(jìn)后的壓板

3.2 增加機(jī)械件材質(zhì)的強(qiáng)度

就強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，必須做到既滿足聯(lián)接的工作要求，又要保證聯(lián)結(jié)零件本身的要求[7]，卡環(huán)和壓板的原料由2Cr13馬氏體不銹鋼更換成17-4PH馬氏體沉淀硬化型不銹鋼[8]。 2Cr13馬氏體不銹鋼其強(qiáng)度是686 MPa，而17-4PH合金經(jīng)過(guò)熱處理后，其機(jī)械性能更加完善，可以高達(dá)1 100～1 300 MPa的耐壓強(qiáng)度，并且具有良好的耐腐蝕性。增加了鋼材的強(qiáng)度也就提高了卡環(huán)和壓板的抗壓強(qiáng)度[9]。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)下活塞壓片及卡環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料強(qiáng)度提升，有效改進(jìn)了MP38B燃燒式釋放器的現(xiàn)場(chǎng)使用性能。目前，我們將改進(jìn)后的MP38B燃燒式釋放器投入到實(shí)際生產(chǎn)中,在兩年來(lái)的使用過(guò)程中，在下活塞4個(gè)緊固螺絲不松動(dòng)和阻尼倉(cāng)不缺油的情況下，新卡環(huán)和壓板沒(méi)有出現(xiàn)變形導(dǎo)致下活塞滑脫的狀況發(fā)生，減少了MP38B燃燒式釋放器損壞和對(duì)施工人員的二次傷害。改進(jìn)后的MP38B燃燒式釋放器使用效果得到很好的驗(yàn)證，燃燒式釋放器未改進(jìn)前的維修支次大約150左右，改進(jìn)后維修支次減少為50左右，為公司節(jié)約了大量的人力和物力成本，提高了測(cè)井效率。