新型小直径核测井仪器密封接头体的可靠性设计

张念东+贺伟

摘 要：介绍了核测井仪器密封接头体的结构，对其存在的问题进行了详细分析。阐述了一种新型小直径核测井仪器密封接头体的结构设计，对其密封塞、自密封充排气管进行了可靠性试验。通过实验结果给出了合理选用零件参数的方法及连接头及密封塞螺纹的强度计算公式。对新设计的新型小直径核测井仪器密封接头体进行了包括高压密封试验，气密性试验和电绝缘性能试验的验证。该设计有效地解决了核测井仪器密封接头体气密性差的问题，提高了产品可靠性。

关键词：核测井仪器;密封接头体;成品率;密封塞;结构设计;可靠性;强度计算。

中图分类号：TP316                  文献标识码：A           文章编号：2095-1302（2015）01-00-02

0  引  言

核测井仪器在石油测井中得到越来越广泛的应用。可靠并且性能稳定的小直径核测井仪器更是受到市场的高度关注，这就对核测井仪器每个部件的稳定性提出了更高要求。中子发生器是核测井仪器的核心部分，它由密封短节和驱动短节组成。两个密封短节通过密封接头体联接，密封接头体是密封短节的关键部件之一。在中子发生器中，密封接头体具有联接、密封、充排气、电信号传输等重要作用，它的质量可靠性直接决定着核测井仪器的质量可靠性。由于现有的密封接头体在设计方面存在的问题，使得密封接头体的可靠性和成品率不高。从产品可靠性和经济效益等方面考虑，研发新型可靠的核测井仪器密封接头体就显得尤为重要。

1  密封接头体的现状

1.1  中子发生器的工作环境

根据核测井仪器的设计要求，中子发生器直径尺寸为φ38～φ45 mm、外部工作环境压力100 MPa、温度135～140 ℃;密封短节内部元器件在7.5 kV的高压下工作，为保证良好的绝缘效果，密封短节内部充入0.6 MPa的SF6绝缘气体。密封接头体是在高温、高压、高电的工况环境下实现连接、密封。

1.2  密封接头体的结构

密封接头体的结构见图1，它由连接头、O型密封圈、芯柱、接线柱、充排气管等组成，其中连接头与芯柱采用氩弧焊焊接，接线柱和充排气分别与芯柱采用银焊封接。密封接头体左侧通过螺纹与O型密封圈与密封短节外壳进行密封连接，形成密封短节。

图1  密封接头体结构示意图

1.3  存在的问题

（1）容易发生绝缘电线头脱落和轧断电线现象。

密封接头体上有6个接线柱，分别通过绝缘线与变压器、绝缘骨架等连接。密封短节与密封接头体通过螺纹的转动进行连接，使得绝缘线发生扭转，容易导致绝缘头扭断脱落。并且，绝缘线在设计时留有一定的余量，在连接过程中，绝缘线容易被螺纹剪断。

（2）氩弧焊焊接部分气密性不高。

从生产统计数据看，氩弧焊密封焊接的成品率只有50%。

（3）接线柱容易损坏，造成密封短节漏气。

接线柱是由薄壁陶瓷管与铅丝提供高频封接而成。在仪器生产调试过程中，由于搬运、振动或人为的因素等原因容易组成陶瓷管破裂或银焊处的损坏，导致整个密封接头体报废。

（4）充排气管的气密封性差。

充排气管是由外购气门芯配做加工而成，从生产统计数据看，氩充排气管的成品率约为40%。

（5）密封接头体成品率低。

由于密封接头体的气密性较差，部件的可靠性较差，严重影响密封接头体的成品率，从生产统计数据看，密封接头体的成品率只有20%。

2  密封接头体的新设计

对现有密封接头体存在的问题进行分析可以得出，密封接头体可靠性低的主要原因是密封接头体的气密封性较差和零部件互换性差。为此，在密封接头体的设计中采用互换性较高的密封塞和自密封充排气管。其主要设计思想：

（1）采用标准密封塞陶瓷接线柱;

（2）采用拉环结构解决芯子和外钢管的相对转动问题;

（3）采用新型可靠的自密封充排气管;

（4）优化设计小直径密封接头体结构。

通过以上方法，提高密封接头体的无故障性、耐久性和可维修性。

2.1  密封塞和充排气管的可靠性实验

2.1.1  密封塞的可靠性实验

密封塞的可靠性对密封接头体，乃至于整个测井仪器都具有重要作用。为了获得高可靠性的密封塞，通过分析、比较现有市场上的密封塞产品，选取了一种技术资料数据适合测井仪器工况的密封塞，对该密封塞进行可靠性试验，见表1。

表2  自密封充排气的可靠性试验（数量5个）

重复试验次数 密封性（0.6 MPa SF6气体）检测 外观检查

检测试剂 常温 155 ℃保温4 h

1 丙酮 无气泡 无气泡 完好

2 丙酮 无气泡 无气泡 完好

3 丙酮 无气泡 无气泡 完好

4 丙酮 无气泡 无气泡 完好

5 丙酮 无气泡 无气泡 完好

6 丙酮 无气泡 无气泡 完好

7 丙酮 无气泡 无气泡 完好

8 丙酮 无气泡 无气泡 完好

9 丙酮 无气泡 无气泡 完好

10 丙酮 无气泡 无气泡 完好

实验结果表明，在以丙酮为检测试剂进行密封性检测后，密封塞的绝缘胶融化变形，该密封塞德绝缘性能变得很差，合格率为0，不能使用，终止丙酮为检测试剂的密封塞可靠性试验。在以酒精为检测试剂进行密封性检测后，密封塞样品的电绝缘性和密封性能表现良好，外观表象完好，合格率为100%。由此可得结论：（1）选择合适的气密性检测试剂对密封塞在密封接头体的工作环境下正常工作很重要;（2）在选择合适的气密性检测试剂条件下《试验用密封塞合格率为100%，可靠性高，适合密封接头体的工况环境。

2.1.2  自密封充排气管的可靠性实验

自密封充排气管是密封接头体重要部件之一，它由气门柱、密封垫、气门芯、密封圈、垫片、螺和护帽组成，在密封接头体中具有充、排SF6绝缘气体和密封的作用，自密封充排气管的可靠性决定了密封接头体的可靠性。为此，进行了自密封充排气管的可靠性试验。表2是自密封充排气管的可靠性实验结果。试验随机抽取5个自密封充排气管为样件，在外部环境为常温常压和155 ℃常压条件下，利用不同检测试剂考察了自密封充排气管的密封性和外观表象。自密封充排气管的内部检测压力为0.6 MPa，以SF6气体为检测气体。

实验结果表明，在以丙酮和酒精为检测试剂条件下，自密封充排气管的的密封性能和外观表象均出现良好效果，说明检测试剂对自密封充排气管的可靠性影响不大;自密封充排气管能够在密封接头体的工作坏境下正常工作。

2.2  新型密封接头体的可靠性设计

2.2.1  新型密封接头体的结构设计

新型密封接头体结构见图2，它由连接头、O型密封圈、拉环、密封塞、自密封充排气管等组成。

连接头是新型密封接头体的主要零件，属于薄壁结构，从强度角度考虑，连接头材采用比强度（强度/密度）较高的钛合金，连接头上分布多处密封槽和拉环槽，容易形成应力集中，因此在密封槽及拉环槽底部采用适当圆角结构，降低应力集中。

采用拉环结构，避免了密封短节与连接头的密封连接过程中的相对静止，解决了密封高压绝缘骨架和外壳在装配和拆卸过程中的相对转动问题。

图2  新型密封接头体结构示意图

密封塞和自密封充排气管的使用，取代了氩弧焊和银焊的加工工艺。

2.2.2  连接头的强度计算

根据第三强度理论，圆通结构的强度条件为

（1）

式中，p为筒壁存在的压力;R内为桶壁内半径;R外为筒壁外半径;[σ]为材料许用拉应力。

根据式（1），计算确定筒壁内径尺寸。

2.2.3  密封塞螺纹的强度计算

新型密封接头体的结构设计，使密封塞的螺纹处于拉力作用状态，其拉力F为

（2）

式中，p1为密封塞所受气压;d1为螺纹外径。

拉力作用下螺纹部分强度为

（3）

式中，d为螺纹危险剖面计算直径;[σ]1为螺纹许用拉应力。经计算，密封螺纹满足强度计算条件。

3  实验验证

3.1  高压密封性试验

将密封短节外壳、新型密封接头体、试压护帽连接后，在100 MPa液体进行高压试验。

实验结果显示，密封短节内没有发现液体，密封性能良好;新型接头体外观没有出现裂纹、变形等现象。

3.2  气密封性试验

将密封短节外壳与新型密封接头体连接，充入SF6绝缘气体，在不同工况下进行气密封性试验，结果表明气密性良好。

3.3  电绝缘性能试验

进行密封塞电绝缘性能试验。在155 ℃高温条件下，以100个密封塞为样件，进行2.5 kV的电绝缘检测筛选，合格97件，合格率达到90%以上，符合核测井仪器元器件选用标准。

4  结  语

新型小直径核测井仪器密封接头体解决了密封短节起密封性差的问题，改善了连接过程中绝缘线容易损坏的现象，提高了产品可靠性和合格率。新材料、新器件的运用，简化了部件的加工工艺，缩短了生产周期，降低了生产成本。新型密封接头体的结构设计，密封塞和自密封充排气管的设计，可适用于φ38以上的核测井仪器密封接头体，具有一定的推广价值。