李冬軍

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部湛江作業(yè)公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

鉆井中途油氣層測試儀是中海油田服務(wù)股份有限公司獨立研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的模塊化電纜式地層測試器，通過多模塊組合工作實現(xiàn)井下地層壓力精確測量以及流體實時分析和取樣[1]。目前，各功能模塊間流體及液壓管道的聯(lián)通需要通過快速接頭來實現(xiàn)，而現(xiàn)在使用的快速接頭設(shè)計存在一定體積的腔室無法完全封閉，在斷開各功能模塊時，這一腔室體積的液壓油或流體會流出到接頭外部。油液的不可控流出存在幾個方面的危害：

(1)極容易造成48芯插針的污染，影響儀器通斷絕緣；

(2)加速48芯插針腐蝕，造成插針強度大幅下降，產(chǎn)生接觸不良、斷針等風(fēng)險[2]；

(3)對于液壓系統(tǒng)而言，無法封閉的腔室容易被污染，間接導(dǎo)致液壓系統(tǒng)受到污染，降低儀器可靠性；

(4)不能保證快速接頭清潔度和48芯絕緣性，現(xiàn)場操作和維保工序相對復(fù)雜[3]。

為解決快速接頭現(xiàn)有設(shè)計的缺陷，新型快速接頭基于不外流、免維護這兩個方向進行研制，實現(xiàn)儀器在配件成本、可靠性、維保效率方面的大幅度提升。

1 設(shè)計思路

1.1 現(xiàn)有設(shè)計結(jié)構(gòu)分析

現(xiàn)有快速接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)[4]，主要由接頭母體、小流量密封芯、彈簧和堵頭組成。由于鉆井中途油氣層測試儀功能模塊上下接頭的壓力油快速接頭P、回油快速接頭R、樣品快速接頭S原理一致，因此以P口的快速接頭公頭為例。

在現(xiàn)有設(shè)計中，當儀器處于斷開狀態(tài)，即P口處于無外力施加的情況時，小流量密封芯會在彈簧的作用下，與接頭母體端口平齊。此時小流量密封芯上的開口流道，在接頭母體和小流量密封芯的O型密封圈的作用下被密閉，從而使處于腔室內(nèi)的油液無法導(dǎo)通流出，如圖1所示。

圖1 小流量密封芯流體通道在斷開和打開時的狀態(tài)

在功能模塊進行對接時[5]，上下接頭上的公母快速接頭相互作用，使快速接頭內(nèi)部的小流量密封芯往后運動。由于上下接頭連接過程緩慢，因此在連接過程中，小流量密封芯上的開口流道被慢慢打開，會有少量油液通過開口流道慢慢流入小流量密封芯的頂部位置；又由于出口處沒有設(shè)計密封圈等結(jié)構(gòu)進行密封，連接好的上下接頭再一次完全斷開后，之前流入小流量密封芯內(nèi)的油液順著通道流出。同理，外流的液壓油和流體混合后也會在上下接頭對接時流入液壓系統(tǒng)內(nèi)。

1.2 改進設(shè)計方案

1.2.1 方案設(shè)計原則

快速接頭導(dǎo)通時，新設(shè)計應(yīng)滿足主體尺寸不變情況下快速接頭的流量相較更改前不變、接頭密封效果不變。

快速接頭公頭與快速接頭母頭在分離過程中，流體管道內(nèi)流體不會出現(xiàn)外泄。

基于兩大設(shè)計原則，針對快速接頭現(xiàn)有設(shè)計中存在的缺陷，通過對上下接頭的分析和研究，將在不改變快速接頭主體結(jié)構(gòu)尺寸、功能、過流量的前提下，重新設(shè)計快速接頭結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)快速接頭對接和斷開的任何過程中、在任意位置都處于對外完全封閉狀態(tài)，從結(jié)構(gòu)上規(guī)避因油液不可控流出導(dǎo)致的相關(guān)質(zhì)量風(fēng)險以及降低使用維保難度。

目前常用設(shè)計選擇上有桿密封和端密封兩個方向。相較于桿密封，端面密封的優(yōu)點是密封件比桿密封更容易復(fù)位，密封效果也能達到設(shè)計要求；缺點是內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，同等流量的接頭，較桿密封快速接頭外觀尺寸大，這一缺點有悖于設(shè)計原則一，因此最終采用桿密封的設(shè)計方向。

1.2.2 免維護快速接頭公母頭配合狀態(tài)及工作原理

上下接頭在處于斷開狀態(tài)時，由于采用平面密封結(jié)構(gòu)，免維護快速接頭兩端處于封閉密封狀態(tài)。

上下接頭在處于對接狀態(tài)時，公頭進入母頭，此時公頭密封閥芯退回，同時母頭密封內(nèi)環(huán)退回，實現(xiàn)公母頭流道導(dǎo)通。在從對接向斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變時，公頭密封閥芯和母頭密封內(nèi)環(huán)逐步在彈簧的作用下前移復(fù)位，油口逐漸收攏，并在快速接頭前端O型密封圈的密封作用下，實現(xiàn)上下接頭斷開過程中油液不外泄。

免維護快速接頭公頭主要由接頭母體、密封閥芯、彈簧、堵頭組成；免維護快速接頭母頭主要由接頭母體、密封內(nèi)環(huán)、閥芯、彈簧、堵頭組成。

快速接頭公頭在無外力作用時，彈簧處在輕載荷伸長狀態(tài)，密封閥芯在彈簧力的作用下復(fù)位，密封閥芯與兩道O型密封圈形成密封，達到密封效果，如圖2所示。

圖2 公頭密封狀態(tài)

快速接頭公頭在外力作用下，密封閥芯克服彈簧力向內(nèi)移動，當密封閥芯脫離第一道O型密封圈時，接頭母體小徑部分與外界聯(lián)通，密封閥過流孔移動至第二道O型密封圈時，接頭內(nèi)流體與外界導(dǎo)通，如圖3所示。

圖3 公頭導(dǎo)通狀態(tài)

快速接頭母頭在無外力作用下，在彈簧作用下向外移動，通過兩道O型密封圈與閥芯、接頭母體形成密封，接頭內(nèi)流體與外界密封隔離，如圖4所示。

圖4 母頭密封狀態(tài)

快速接頭母頭在外力作用下，密封內(nèi)環(huán)克服彈簧力內(nèi)移，處于導(dǎo)通狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 母頭導(dǎo)通狀態(tài)

與現(xiàn)有設(shè)計比較，采用桿密封的改進方案，改進后的流量與現(xiàn)有快速接頭一致。更改前的快速接頭，在接頭密封時，雖然能密封住流體管線內(nèi)的流體，但是快速接頭密封腔外本體殘留的流體會流出至快速接頭外，對整個上下接頭液壓、電氣部分造成污染，而改進后的快速接頭對設(shè)計方案所提的原則都能很好地滿足。

在設(shè)計方面除了功能需求外，充分考慮了產(chǎn)品制造工藝，保證產(chǎn)品能實現(xiàn)生產(chǎn)以及產(chǎn)品在實際的使用中能達到設(shè)計性能。

同時還充分考慮產(chǎn)品制造成本和技術(shù)成本因素，設(shè)計的免維護快速接頭能在不對原有儀器本體快速接頭安裝孔座修改的情況下，直接替換原有快速接頭，保證了免維護快速接頭與原有件的互換性，因此產(chǎn)品與原有配件外部連接尺寸一致。

2 應(yīng)用對比分析

實施后有效保證了在連接或斷開各功能模塊時，沒有液壓油或殘留樣品流出快速接頭外部，從根本上解決了由快速接頭殘留流體外流引起的一系列問題。

3 實驗數(shù)據(jù)與免維護效果

3.1 實驗數(shù)據(jù)

為有效驗證免維護快速接頭的功能和其他方面的效益，進行了效果驗證，共驗證86次，均沒有出現(xiàn)流體溢出的情況，可實現(xiàn)免維護功能。統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)表

3.2 免維護效果

鉆井中途油氣層測試儀一般根據(jù)保養(yǎng)策略，執(zhí)行相對應(yīng)級別的保養(yǎng)動作，同時在現(xiàn)場操作中也常常需要執(zhí)行額外的保養(yǎng)動作。免維護效果主要針對以下高頻維護程序：在一級保養(yǎng)中，需要徹底清洗48芯轉(zhuǎn)接棒和48芯承壓接頭，避免其受到流體污染；在每次連接不同功能模塊短節(jié)之前，要對上下接頭進行清洗檢查；模塊短節(jié)在連接之前，需要將48芯轉(zhuǎn)接棒旋轉(zhuǎn)位于上方，避免外泄流體流入；根據(jù)免維護快速接頭不外泄特性，有效刪減相應(yīng)維護程序，達到目標免維護效果。

4 結(jié)語

免維護快速接頭的成功研制以及試驗，證明了免維護快速接頭設(shè)計的合理性。同時，本次研制打破維保人員在維保程序上做加法的慣例，而是通過對儀器的改進升級，完成對應(yīng)維保程序優(yōu)化，這對提升維保效率和質(zhì)量意義重大。