劉葉興 周峰 任晉廷

（1.杭州瑞利聲電技術(shù)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(biāo)大多數(shù)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(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)[2]。超高溫超高壓陣列側(cè)向主電極就是為滿足極端條件而研制的一款產(chǎn)品。技術(shù)指標(biāo)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(xí)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(jié)構(gòu)設(shè)計工作提出了嚴(yán)峻的要求。本文對傳統(tǒng)的芯軸結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了優(yōu)化，使之符合該項目的技術(shù)指標(biāo)要求，并對此結(jié)構(gòu)進行了討論和驗證。

1 芯軸

1.1 芯軸結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)件，直接決定了整個探頭一些機械性能指標(biāo)，如抗拉、抗彎等，其結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 芯軸結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的復(fù)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(biāo)不是很高的情況下，符合該儀器的使用要求。

1.2 結(jié)構(gòu)的局限性

該結(jié)構(gòu)在溫度232℃、壓應(yīng)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(xiàn)絕緣性能下降的情況。（2）芯軸可維修性差，芯軸結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。如果焊接成型、后期檢驗出現(xiàn)問題會導(dǎo)致芯軸報廢，無法維修。（3）加工太復(fù)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(shù)工人經(jīng)驗的積累。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化設(shè)計

基于以上的分析以及產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的要求，對現(xiàn)有的芯軸結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)將芯軸整體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 芯軸結(jié)構(gòu)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(nèi)，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(zhuǎn)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(zhǔn)的強度與模數(shù)，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(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)有以下幾種優(yōu)勢：（1）可維修性高。芯軸整體采用分段式設(shè)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(xiàn)誤差，均可進行拆卸更換。（2）加工簡化。將結(jié)構(gòu)復(fù)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(fēng)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(shù)指標(biāo)校核

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

2.2.1 溫度壓力指標(biāo)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(nèi)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(nèi)徑，mm；k為外徑內(nèi)徑比值；［P］為許用壓力，MPa；n為安全系數(shù)；σs為屈服強度，MPa。根據(jù)式（2）可知，307 MPa＞172 MPa。在1.3的安全系數(shù)下，芯軸的設(shè)計滿足極限溫度壓力下的使用要求。芯軸內(nèi)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(xiàn)在高溫高壓下的密封。

2.2.2 抗拉指標(biāo)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(dāng)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(jié)構(gòu)，在材料無缺陷的前提下，該結(jié)構(gòu)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(xiàn)為軸向力，N；σp是許用擠壓應(yīng)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(guān)系為h=0.5p；z為結(jié)合圈數(shù)。

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(guān)系為：b=0.634p；z是結(jié)合圈數(shù)；τ為許用剪應(yīng)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(shè)計指標(biāo)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(nèi)，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(biāo)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(jié)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(shè)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(chǔ)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(jié)構(gòu)的主要連接關(guān)系，上下接頭處的梯形螺紋不變；（2）芯軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，包括外徑、內(nèi)孔和螺紋孔等尺寸與實際芯軸相應(yīng)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(shè)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(shè)計指標(biāo)。

4 結(jié)論

本文對常規(guī)的芯軸結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)過校核計算，優(yōu)化后的芯軸設(shè)計符合超高溫超高壓要求。試驗表明本設(shè)計達到了技術(shù)指標(biāo)要求。該結(jié)構(gòu)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(yīng)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(shè)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(shè)計打下了良好基礎(chǔ)。理論和試驗研究畢竟只能作為參考的依據(jù)，后續(xù)需要通過產(chǎn)品的實際應(yīng)用情況、以及出現(xiàn)的問題，對該設(shè)計進行評估和改進。