双侧向刻槽管的改进探讨

赵灵宣，张俊国

(中国电子科技集团公司第二十二研究所 河南 新乡 453003)

·开发设计·

双侧向刻槽管的改进探讨

赵灵宣，张俊国

(中国电子科技集团公司第二十二研究所 河南 新乡 453003)

双侧向测井是裸眼井常规测井项目，在测井勘探开发中已广泛使用，较为常用的双侧向探头为玻璃钢环充油式。针对目前双侧向玻璃钢环充油式探头常用的刻槽管零件所存在的应力集中和装配时预紧力较大的问题，结合新型双侧向探头的研制对刻槽管进行了改进，重新设计了刻槽管纵截面并进行了预紧力矩的计算，建立其三维模型，进行了有限元分析并在微机控制电子式万能试验机上对新的刻槽管进行了压力试验验证，解决了原刻槽管所存在的问题。改进后的刻槽管消除了应力集中，便于装配与维修。关键词：刻槽管；应力集中；预紧力；有限元分析

0 引 言

双侧向测井是常规裸眼井测井项目之一，在油田测井勘探中已得到了广泛的应用。目前国内所使用的双侧向探头主要有压制橡胶类和玻璃钢环充油式两种，玻璃钢环充油式探头更以其美观、电绝缘性能稳定及便于维护等优点得到了大量使用。刻槽管是玻璃钢充油式探头中的核心部件，在北京环鼎科技公司生产的DLS-IC双侧向测井仪中叫压缩弹簧[1],在中国石油测井有限公司技术中心开发的HCT双侧向测井仪中叫应力弹簧[2]，虽然叫法不同，但该零件在仪器中都起给电极与玻璃钢环部分加载一定的预应力，并产生一个小于1.5 mm的间隙,以消除不同材料热膨胀产生的应力并减小电极系的弯曲变形的作用。在使用过程中发现，原来所用的刻槽管在预紧时所需要的扭矩较大(需大于50 kg·m)，装配时需要一个重约50 kg的人在末端用1.2 m 长的加力杠杆旋转螺纹且压紧后刻槽管局部点已出现了塑性变形。结合22所新型双侧向探头设计，对刻槽管的改进进行了探讨。

1 刻槽管介绍

刻槽管如图1所示，在探头中一般位于上A1电极环或下A1电极环内部[1,2]，可等同于一端固定，另一端施加一载荷Q的梁，其内外均有支撑。

刻槽管在探头内所起的作用是通过仪器末端的螺纹预紧使其产生一定的应力和变形，该应力能作用于电极环和玻璃钢环，使各个环之间起端面密封作用的密封圈产生足够的压缩量来保证探头在正常和稍有弯曲的情况下不漏油[3]，同时顶紧刻槽管的两个金属电极环之间预留一个小于1.5 mm的间隙，利用刻槽管的可伸缩性来消除不同材料热膨胀所产生的应力，刻槽管应在弹性范围内变化。

图1 常用刻槽管简图

通过对现有刻槽管的分析可知，其装配时需要一个50 kg 左右的人在末端使用1.2 m 长的加力杠杆旋转螺纹来进行预紧，施加在刻槽管端面的力约为35 000 N ，刻槽管的变形量在3.5～4.5 mm 之间，建立其三维模型，并将其直接导入有限元分析软件[4]ALGOR进行分析，结果如图2所示。

图2 现有刻槽管分析结果

由分析结果可知，刻槽管的变形量可满足要求，但局部点出现了应力集中现象，长时间的应力集中会引起脆性材料断裂，使脆性和塑性材料产生疲劳裂纹。

2 刻槽管改进

应力集中是应力在固体局部区域内显著增高的现象。多出现于尖角、孔洞、缺口、沟槽以及有刚性约束处及其邻域。在22所新型双侧向探头的设计中，充分考虑了装配方便和消除应力集中问题，并对原刻槽管进行了改进设计。为了消除应力集中，将原刻槽管纵截面A-A及B-B进行了改进，如图3所示，在原来的直角处加工了Φ10 mm的孔，并将尖角、棱边处倒圆R 0.5 mm。刻槽管材料选用不锈钢05Cr17Ni4Cu4Nb，并进行固溶(1 040 ℃水冷或空冷)和时效(480 ℃、4 h空冷)处理，处理后σ0.2≥1 175MPa[5]。

图3 改进后刻槽管简图

2.2 改进结果分析

改进后的刻槽管使用方法与原刻槽管相同，装配时只需要在末端使用0.4m长的加力杠杆旋转螺纹来进行预紧，螺纹产生的预紧力可通过下式计算出。

式中：

T―拧紧力矩；d2―螺纹中径；φ―螺纹升角；φv―螺纹当量摩擦角；fc―螺母与支撑面间的摩擦系数，干燥取0.1～0.15；D0―螺母环形支撑面外径；d0―螺栓孔直径。

装配时上紧压紧环所施加的力约为500N，使用0.4m的加力扳手，则：

T=500N×0.4m=200N·m=20kg·m

根据国外技术可知，栽培基质温度达80℃时，可消灭大多数病原菌、害虫。病菌和害虫的杀灭温度[4]，如图1所示。无土栽培基质蒸汽消毒机的栽培基质蒸汽加热温度可达120～200℃，通过灭菌检测均达到99.9%以上，消毒效果非常明显。

d2=62.701mm

φv=arctanfv=arctan0.17≈9.65°

fc取0.15

D0=89 mm,d0=64 mm

将各项参数带入得：

F0≈17 466 (N)

刻槽管与末端螺纹之间有1个Φ58 mm×3.55 mm O形圈、3个Φ71 mm×3.55 mm O形圈、8个Φ73 mm×3.55 mmO形圈、2个Φ77.5 mm×3.55 mm O形圈、2个Φ80 mm×3.55 mmO形圈和1个Φ82.5 mm×3.55 mmO形圈，全部为径向静密封。

传递到刻槽管的压力需要减去中间环节密封圈的摩擦力，密封圈的摩擦力可由下式算出。

F=fKpd0πDE

式中：

f—摩擦系数，典型密封材料取0.4～1.0，润滑良好取0.02～0.1，本设计取0.08；Kp—压缩力无因次系数；d0—密封圈线径；D—密封面直径；E—橡胶的弹性模数。

将不同O形圈的参数分别带入可求得O形圈总摩擦力：

F=F1+3F2+8F3+2F4+2F5+F6=2 216.8(N)

可传递到刻槽管的最大压紧力：Fy=F0-F=17 466-2 216.8=15 249.2(N)

建立改进后刻槽管三维模型，并将其直接导入有限元分析软件ALGOR进行分析，结果如图4所示。

图4 改进后刻槽管分析结果

由分析结果可知，其最大位移点位移为4.67mm为最大应力点应力值为1 071MPa，小于屈服强度σ0.2，没有应力集中现象。为了进一步验证改进后刻槽管的可靠性，在微机控制电子式万能试验机上对加工好的刻槽管进行了压力试验，试验时将载荷缓慢加至15kN，试验结果如图5所示。

由负荷-变形曲线图可知，刻槽管随压力变化的位移为一直线，说明刻槽管在弹性范围内变化，没有出现塑性变形，试验结果与有限元分析结果相吻合。

图5 负荷-变形曲线图

3 结 论

改进后的刻槽管满足了使用要求，克服了局部点的应力集中现象，在仪器装配时仅需要施加20kg·m的力矩就能使刻槽管产生应有的变形量，大大地方便了装配、提高了生产与维修效率。

[1] 北京环鼎科技公司.DLS-1C双侧向测井仪使用维修手册[Z].2007.

[2] 中国石油集团测井有限公司.HCT双侧向测井仪使用维修手册[Z].2004.

[3] 潘 静,闫麦奎,马 颖.小直径电极系密封结构改进[J].石油仪器,2011,25(2):12-13.

[4] 武振鹏.基于刻槽管的有限元研究及实验[J].石油仪器,2008,(8):16-18.

[5] 中国航空材料手册编辑委员会.中国航空材料手册第1卷.结构钢.不锈钢[M].北京：中国标准出版社，1988.

The Improvement of Grooved Pipe Used by Dual Laterlog Sonde

ZHAO Lingxuan, ZHANG Junguo

(The22ndResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,Xinxiang,Henan453003,China)

Dual laterolog is one conventional project for open hole well, which has been widely used in the logging and exploration. The commonly used dual laterolog sonde is the oil type filled with fiberglass rings. The stress concentration and the large assembling pre-tightening force are common problems in the dual laterolog sonde. The grooved pipe is improved based on development of the new dual laterolog sonde. The design for redesigned longitudinal cross of the grooved pipe is improved, and the pre-tightening torque is calculated, its three-dimensional model is established, the finite element analysis and the pressure test on microcomputer control electronic universal testing machine have been carried out to verify the new grooved pipe, and the problem of the original grooved pipe is solved. The improved grooved pipe eliminates the stress concentration，and assemble and maintain easy.

grooved pipe; stress concentration; pre-tightening force; the finite element analysis

赵灵宣，男，1984年生，工程师，2008年毕业于河北工业大学机械制造及其自动化专业，现从事石油测井仪器结构设计工作。E-mail: zhao_0003@163.com

P631.8+3

A

2096-0077(2017)01-0026-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.006

2016-04-12 编辑：韩德林)