扇区水泥胶结成像测井仪传动件的改进

王野梁

(中海油田服务股份有限公司技术中心,北京101149)

扇区水泥胶结成像测井仪传动件的改进

王野梁

(中海油田服务股份有限公司技术中心,北京101149)

由于设计和制造缺陷,扇区水泥胶结成像测井仪(CBMT)的传动轴在测井过程中发生断裂。通过改进传动轴、传动连接套、定位顶丝等传动件的结构,解决了受力偏心和危险截面的应力集中问题,并改进热处理工艺,提高传动件的塑性,从而保证仪器下井顺利,工作正常。

传动;应力;塑性;试验

Abstract:The reason of the transmission shaft breakup of the Cement Bond Maping Tool during the logging time was found out.Design of transmission shaft,transmission adaptor sleeve and set screw for resolve the two problems were improved:strained eccentricity and hazardous area accumulation of stress.And the thermal processing method for enhance the plastic property of transmission part was improved as well.The transmission system work normality and the logging tool work propitiousness were assured.

Key words:transmission;stress;plastic property;experiment

扇区水泥胶结成像测井仪器(CBMT)是采用声波衰减原理来测量套管和水泥环及地层之间的胶结程度,从而确定水泥固井的质量,以及地层之间的分隔程度。仪器在设计上采用极板推靠式结构,将井周均分为6个扇区,分别对6个扇区进行补偿测量,以达到精确测量水泥固井质量的目的。其推靠器的开、收由仪器的传动系统来控制。由于原传动系统的几个零部件存在设计和加工缺陷,造成有的仪器在下井作业时传动轴发生断裂,如图1,使传动系统失灵,推靠器无法正常开收,仪器无法工作。因此,找到原因并改进设计迫在眉睫。

图1 传动轴及失效部位

1 原传动系统结构

原传动系统结构如图2所示,电机通过连轴器(花齿联轴器)带动离合器旋转,离合器带动滚珠丝杠的滚珠螺母旋转,在导向键的作用下推动丝杠做轴向运动,从而带动传动轴做轴向运动。当行程销碰到行程限位开关LM1时,LM1将切断电机电源,完成推靠动作。反向供电则使电机反向旋转,当另一个行程销碰到行程限位开关LM2时,LM2将切断电机电源,完成收拢动作。

图2 原传动系统结构

2 断裂原因

a) 从照片和传动轴实物断裂部位的痕迹来看,这不是单纯的拉伸断裂破坏,应该是弯曲破坏,传动轴在受到轴向拉力的同时,还受到了一个较大的弯曲力矩作用。

b) 理论上,在将连接筒装入传动连接套后,通过拧紧顶丝,使连接筒下部60°倒角部分与传动连接套内槽60°倒角贴合,当CBMT仪器收腿时,传动轴受到了一个轴向拉力F(来自于滚珠丝杠),轴肩只受到上、下2个反方向的阻力F1、F2作用,如图3。通过抽检传动连接套(共检查6件),发现6件传动连接套全部未加工60°倒角。这样,连接筒的60°倒角无法落入传动连接套的矩形沟槽内。当CBMT仪器收腿时,传动轴除了受到轴向拉力F,轴肩受到了一个反向阻力F′之外,还受到了一个弯曲力矩M(力的大小等于轴向拉力,力臂约为连接筒的60°倒角中径)作用。如图4所示。

图3 理想的传动连接结构及受力

图4 受到弯矩的传动轴

传动轴断裂处的直径为ø9 mm(退刀槽),但是整个推靠力在传递过程中,有比ø9 mm小得多的多个弱点受到了同样大小的轴向拉力,但在检查断裂的传动轴时发现并未发生变形与断裂。因此,可以断定:由于传动连接套未加工60°倒角,以及顶丝压在连接套处为点接触,使得传动连接套受力偏心,继而产生较大的弯曲力矩作用于传动轴肩上,原设计的退刀槽为危险截面,又使应力集中[1],最终使得传动轴在弯曲力矩和轴向拉力的共同作用下在退刀槽处发生断裂。

c) 对断裂的1件传动轴进行了材料成分化验,材料(17-4PH)符合要求,但是热处理工艺没有达到原设计要求(HRC35～38),硬度值实测为HRC44～48。因此,传动轴的材料硬度较高,塑性较差也是断裂原因之一。

d) 与甲方用户沟通时了解到仪器在海上平台测井后,由于平台的相关规定并没有按照仪器维修手册的要求对仪器的传动部位用高压水进行及时冲洗。仪器测井完成返回基地后,仪修工程师也没有及时对仪器进行相关的保养。造成仪器的传动连接套内堆积大量泥浆,将传动轴与传动连接套糊死。仪器测井时传动件本应该存在的相对运动被限制,因此对传动件造成伤害。

3 改进方法

a) 补充加工传动连接套的60°倒角,为方便对下井后的仪器进行保养,增加冲洗时泥浆的出口(泥浆孔)。并建议甲方用户在测井后及时冲洗相关传动部件。

b) 将定位的锥端顶丝改为平端顶丝,增大贴合面,使连接套、顶丝、传动连接套三者定位更精确,传动件将不会产生受力偏心现象。

c) 修改传动轴的设计,将原有的退刀槽改为R1的光滑圆弧过渡[2],增加危险截面的面积,减小应力集中。

d) 改进传动轴材料的热处理工艺,增大其塑性。对加工传动轴的材料(17-4PH)进行固溶时效处理。固溶温度须控制在1 020～1 060℃,时效温度则控制在550℃左右。这样处理的该材料组织均匀,而且能够获得最佳的强度和韧性的配合[2]。

改进后的传动件装配关系如图5所示

图5 改进后的传动件装配关系

4 基于COSMOSWorks对改进后的传动轴进行有限元分析[4-6]

根据实际情况,在满足精度要求的前提下,忽略对计算结果影响不大的外界因素,改进后的传动轴在仪器推靠器收拢时只受到轴向的拉应力作用。

传动轴的有限元模型如图6。

图6 传动轴的有限元模型

根据受力情况对有限元模型施加约束与载荷,如图7。

图7 施加约束与载荷

运算后得到的应力云图及位移云图如图8～9所示。

根据有限元分析结果和材料力学的强度理论[1],传动轴的最高等效应力约为128.7 MPa,远小于材料17-4PH在安全系数为2时的许用应力535 MPa[2],满足强度要求。更换新传动件的仪器在下井试验中传动系统工作状态良好,仪器推靠自如。目前已对所有CBMT仪器更换新传动件,实际测井显示传动件未出现任何异常。

图8 应力云图

图9 位移云图

5 结语

本文针对相关问题,对扇区水泥胶结成像测井仪的传动件进行了相应改进,并利用有限元模拟分析和下井试验进行验证,证实改进方法具有较高可靠性,达到了预期效果,保证了仪器推靠的正常工作。

[1] 刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2004.

[2] 成大先.机械设计手册[K].北京:化学工业出版社,2007.

[3] 夏恭忱,石玉珍.中国航天材料手册[K].北京:中国标准出版社,1988.

[4] 赵 斌.基于MATLAB的VSP测井仪推靠机构的优化设计[J].石油矿场机械,2008,37(6):42-45.

[5] 罗瑜林,陶爱华,田志宾,等.基于 COSMOSWorks的测井仪器压力平衡设计计算[J].石油矿场机械,2009,38(5):41-43.

[6] 鲍忠利,于会媛,侯洪为.常见测井仪器推靠器结构综述[J].石油矿场机械,2010,39(5):84-88.

Improve Design of Transmission Part of Cement Bond Maping Tool

WANG Ye-liang
(Technique Center,China Oilfield Services Limited,Beijing101149,China)

TE927.4

B

1001-3482(2010)11-0075-03

2010-05-21

王野梁(1985-),男,重庆人,工程师,2008年毕业于长江大学机械设计制造及其自动化专业,现从事石油测井仪器研究,E-mial:wangyel@cosl.com.cn。