测井仪器芯轴结构的优化设计

刘叶兴 周峰 任晋廷

（1.杭州瑞利声电技术有限公司，杭州，310023；2.青海油田测试公司，酒泉，736202）

(3.中国石油集团测井有限公司塔里木分公司，库尔勒，841001）

探头是下井仪器一个非常重要的组成部分，需要承受高温高压，并符合抗拉要求[1]。目前常用仪器的耐温耐压指标大多数在150℃～177℃、＜140 MPa。随着深井、超深井的勘探开发，对超过200℃、170 MPa的超高温、超高压测井仪器的需求不断增加，因此，对测井仪器的设计提出了新的挑战[2]。超高温超高压阵列侧向主电极就是为满足极端条件而研制的一款产品。技术指标要求仪器井下工作温度最高为232℃，压力最高为172 MPa，抗拉强度为70 t（行业习惯用t，更加直观，1 t=9 800 N，下同）。同时，该仪器的整体长度超过了4.5 m，对结构设计工作提出了严峻的要求。本文对传统的芯轴结构设计进行了优化，使之符合该项目的技术指标要求，并对此结构进行了讨论和验证。

1 芯轴

1.1 芯轴结构

探头由上管壳、芯轴、电极系、下管壳等零件组成。芯轴是探头中一个主体部分，芯轴连接起了上下两端的结构件，直接决定了整个探头一些机械性能指标，如抗拉、抗弯等，其结构示意见图1。

图1 芯轴结构示意图

不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb（17-4PH）为马氏体沉淀硬化不锈钢，碳含量低、高铬且含铜，具有十分优异的机械性能和耐蚀性[3]，十分适合制作需要承压的部件，因此选作芯轴主体材料。由于芯轴结构的复杂性，为简化加工难度，金属部分分成三段加工，再焊接而成。芯轴外部的玻璃钢层起到与电极系的绝缘作用。玻璃钢具有优良的电绝缘性能和耐热性能，在温度指标不是很高的情况下，符合该仪器的使用要求。

1.2 结构的局限性

该结构在温度232℃、压应力172 MPa、抗拉70 t的条件下具有一定的局限性：（1）玻璃钢材料在超高温下的绝缘性能变差。由于其功能要求，芯轴外层包覆的非金属材料对于绝缘要求有极强的要求，一般的FRP（Fiber Reinforced Polymer）不能在高温下长期使用，在实际使用过程中，也发现绝缘性能下降的情况。（2）芯轴可维修性差，芯轴结构过于复杂。如果焊接成型、后期检验出现问题会导致芯轴报废，无法维修。（3）加工太复杂。整支芯轴的加工包括深孔、密封面、螺纹等工艺，同时焊接成型，加工过程过于繁琐，需要技术工人经验的积累。

2 结构优化

2.1 优化设计

基于以上的分析以及产品技术指标的要求，对现有的芯轴结构做出改进。为保证芯轴的可维修性和可加工性，采用分段式结构，由上接头、芯轴、绝缘套组成。上接头和芯轴之间由梯形螺纹连接，并通过销进行周向定位。绝缘套安装在芯轴上，并通过螺钉进行周向和轴向紧固。通过分段式结构将芯轴整体结构分拆，化整为零，降低零件加工难度，同时整体部件维修方便。改进后的芯轴整体结构如图2。

图2 芯轴结构示意图

为保证在超高温下芯轴金属部分与外部绝缘效果，选用绝缘性能更好的进口PEEK（PolyEtherEtherKetone）材料[4]，该种材料具有卓越的耐高温特性，同时在23℃～200℃温度范围内，介电消散因子保持不变，具有良好的电气绝缘性。同时，PEEK 的玻璃转变温度为143℃，而熔点为340℃。高熔点使PEEK 具有优异的耐高温性。纤维补强级PEEK 的热变形温度可高达315℃，长期的连续使用温度(UL 946B)可达260℃。此外，PEEK在高温下可维持高水准的强度与模数，也就是说其具有优良的高温机械性能。PEEK套管与芯轴用螺钉紧固，方便拆卸。

相比于传统的芯轴结构，此种结构有以下几种优势：（1）可维修性高。芯轴整体采用分段式设计，通过梯形螺纹连接，可拆卸。同时将玻璃钢套更改为PEEK管，可通过螺钉紧固，可拆卸。任何一个零件加工出现误差，均可进行拆卸更换。（2）加工简化。将结构复杂的上接头和需要深孔加工芯轴分开加工，并通过梯形螺纹连接，降低了工艺难度和风险。绝缘套管和其表面的槽采用分段加工，容错率增加。（3）满足超高温超高压下的使用要求。芯轴和上接头通过两道密封圈将外界环境与中心过线孔隔离[5]。密封圈采用进口全氟O型圈，具有杰出的耐高温性，在高温下的各种机械性能优异。

2.2 技术指标校核

芯轴外侧充二甲基硅油，与外界压力平衡，因此，芯轴外侧温度压力值与外界接近。芯轴过线孔走线，需要与外侧超高温超高压环境隔绝。

2.2.1 温度压力指标校核

芯轴材料为钛合金TC4，TC4材料的为Ti-6Al-4V，属于（α+β）型钛合金，热稳定性好，在232℃的温度下能够保持良好的机械性能，TC4棒料在高温下屈服点较大，约为860 MPa。芯轴外径为φ56 mm，过线孔内径φ15 mm，对其进行高温下的强度校核[6]。

式中，D受压零件外径，mm；d为受压零件内径，mm；k为外径内径比值；［P］为许用压力，MPa；n为安全系数；σs为屈服强度，MPa。根据式（2）可知，307 MPa＞172 MPa。在1.3的安全系数下，芯轴的设计满足极限温度压力下的使用要求。芯轴内部的密封选用进口的全氟O形圈，通过挡圈来进一步提高其高温适用性。通过以往的项目实践表明，全氟O形圈和挡圈这样的密封组合可以实现在高温高压下的密封。

2.2.2 抗拉指标校核

芯轴与上接头通过梯形螺纹Tr38×3连接，下端的连接螺纹为Tr55×3。当探头整体受轴向拉力时，整个探头承受拉力的是“上接头-芯轴-下接头”结构，在材料无缺陷的前提下，该结构的薄弱处为上下接头与芯轴的螺纹连接处，如图2。最薄弱处为梯形螺纹Tr38×3的第一扣螺纹。因此对梯形螺纹Tr38×3进行强度校核，而螺纹的失效形式有螺牙被挤压破坏失效、螺牙被剪切失效、螺牙被挤压弯曲失效等[7]。

螺纹副抗挤压校核：

式中，F为轴向力，N；σp是许用挤压应力，MPa；d2是外螺纹中径，mm；h为螺纹工作高度，mm；p为螺距，mm；梯形螺纹中h与p的关系为h=0.5p；z为结合圈数。

式中，d1为计算公扣时使用螺纹小径，mm；b是螺纹牙底宽度，mm；梯形螺纹b与p的关系为：b=0.634p；z是结合圈数；τ为许用剪应力，MPa。

螺纹副抗弯曲校核：

式中，d为螺杆大径，mm。通过计算，在薄弱处的抗拉能力为825 160 N，约为84.2 t，符合设计指标要求。

3 试验情况

3.1 PEEK材料高温绝缘性

为验证其高温下的电气绝缘性能，采用高温烘烤测其绝缘性。实验部件如图3，实验部件由PEEK绝缘管、金属电极组成，将其置于高温烘箱内，在232℃的温度下烘烤6 h，期间每一个小时用绝缘表1 000 V档测量，观察PEEK材料在指标极限温度下绝缘性能和其稳定性。

图3 实验部件图

表1 高温试验统计表

实验结果表明，在高温232℃的情况下，绝缘表测量值始终在250 MΩ以上，该种PEEK材料在高温下的绝缘性能符合要求。

3.2 芯轴抗拉性能

检测设备(大量程)操作空间有限，对样品长度有一定的限制。在图2的基础上将整个探头进行简化，便于受力分析与检测：（1）保留“上接头-芯轴-下接头”结构的主要连接关系，上下接头处的梯形螺纹不变；（2）芯轴的主要结构尺寸，包括外径、内孔和螺纹孔等尺寸与实际芯轴相应尺寸保持一致；（3）上下接头和芯轴的材料不变，如图5。

图4 拉伸实验部件

实验室环境温度23±5℃；湿度RH 40%～80%。通过试验设备将工件拉伸至826 kN时，试验工件于螺纹Tr38×3处断裂，则其抗拉强度约为84 t，其失效处与分析一致，符合设计指标。

4 结论

本文对常规的芯轴结构进行优化设计，经过校核计算，优化后的芯轴设计符合超高温超高压要求。试验表明本设计达到了技术指标要求。该结构具有以下优点：（1）提升了芯轴的可加工性；（2）能够更好的满足超高温超高压的应用场景；（3）提高芯轴的可维修性，降低维修的成本。

本文的理论研究和试验为在超高温超高压下芯轴的设计提供了一定的参照，也为后续超高温超高压测井仪器的整体设计打下了良好基础。理论和试验研究毕竟只能作为参考的依据，后续需要通过产品的实际应用情况、以及出现的问题，对该设计进行评估和改进。