一種高溫高壓旋轉(zhuǎn)連接器的實現(xiàn)方案及仿真分析

蔣磊 杜建東 沙奔

摘 要：提出了一種方案，為在井下狹小空間安裝使用的隨鉆測井儀器旋轉(zhuǎn)連接器的實現(xiàn)提供了一種解決思路，并通過有限元分析模擬實際井下高溫高壓環(huán)境，對結(jié)構(gòu)及選材進行了驗證。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)連接器;狹小空間安裝;有限元分析;高溫高壓

0? ? 引言

隨鉆測井儀器通常具有以下特點：多數(shù)情況下是在油水井正常生產(chǎn)時測量，井口具有一定的壓力且安裝有防噴管，儀器下入和起出麻煩;儀器是在油管內(nèi)或油套環(huán)形空間內(nèi)下入，儀器直徑較小。隨鉆測井儀器由若干個短節(jié)組成，兩短節(jié)之間的電力或信號傳輸由內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)連接器完成。

隨鉆測井儀器在井下工作過程中要承受高溫高壓，旋轉(zhuǎn)連接器是隨鉆測井儀器最重要的通用部件，其可靠性直接關(guān)系到儀器的使用性能，對整個儀器的可靠性與穩(wěn)定性都至關(guān)重要。

本文中介紹的旋轉(zhuǎn)連接器由相對轉(zhuǎn)動的部分（轉(zhuǎn)子）和相對靜止的部分（定子）組成，結(jié)構(gòu)獨立，安裝、維保方便。在鉆鋌出現(xiàn)故障時，旋轉(zhuǎn)連接器獨立于其他部分，對鉆鋌其他部件不會產(chǎn)生影響。當儀器不使用時，將旋轉(zhuǎn)連接器直接卸下，可以更好地對其進行單獨保養(yǎng)。

1? ? 旋轉(zhuǎn)連接器——轉(zhuǎn)子

如圖1所示，導線10和接線環(huán)6組成了轉(zhuǎn)子的電信號傳輸部件。電信號傳輸部件通過外部絕緣襯套3實現(xiàn)與其他金屬結(jié)構(gòu)件的電氣隔離;通過鍵5實現(xiàn)與其他部件之間的相對靜止運作。導線10可通過端部連接器或者直接與其他隨鉆儀器相連，實現(xiàn)通路。

轉(zhuǎn)子內(nèi)部走線通過接線環(huán)6、擋環(huán)4、外部絕緣襯套3、轉(zhuǎn)子主體1上的布線槽（窗口）完成。

2? ? 旋轉(zhuǎn)連接器——定子

定子由整環(huán)組件和半環(huán)組件兩大部分組成。整環(huán)組件又包括內(nèi)部環(huán)路和凸輪部件。內(nèi)部環(huán)路如圖2所示，由彈片1、彈片2、彈片3組成。同一環(huán)路上，三款彈片互相接觸形成通路。

凸輪部件由凸輪軸和軸套組成，如圖3所示。

凸輪部件與彈片1接觸。彈片1隨著凸輪部件的轉(zhuǎn)動而向外凸起，當旋轉(zhuǎn)角度大于110°時，固定在凸輪軸上的銷釘與整環(huán)外殼接觸，凸輪部件的旋轉(zhuǎn)被止住，且不會回轉(zhuǎn)。彈片1與半環(huán)組件上的彈片4相接觸，實現(xiàn)整環(huán)組件與半環(huán)組件的穩(wěn)定通路。

由于井下的使用環(huán)境通常伴有高溫高壓，所以在設(shè)計時必須要避免空腔的形成，防止被壓潰，同時需要注重對薄弱點的保護。采用真空灌封可以填補空腔、保護薄弱點，從而有效地解決以上兩個問題。下面通過靜力學仿真分析加以驗證。

3? ? 仿真分析

根據(jù)設(shè)計條件，仿真分析所使用的主要材料及特性如表1所示。

仿真模擬常見的井下環(huán)境：140 MPa/200 ℃。首先建立0.01 mm網(wǎng)格劃分，節(jié)點數(shù)1 160 141，單元數(shù)627 733。

計算結(jié)果如圖4、圖5所示。

最大彈性應(yīng)變點出現(xiàn)在半環(huán)外殼上的彈片4安裝槽內(nèi)，值為0.016 478 mm;最大徑向形變點出現(xiàn)在定子外殼上的彈片3安裝槽開孔之間，值為0.127 96 mm;最大軸向形變點出現(xiàn)在半環(huán)外殼上接線端面，值為0.197 06 mm。

最大等效應(yīng)力點出現(xiàn)在法蘭盤上，為326.44 MPa，且116.58 MPa以上應(yīng)變點均出現(xiàn)在法蘭盤上。

根據(jù)仿真計算結(jié)果可知，在140 MPa/200 ℃的井下環(huán)境中，所有接觸環(huán)路附近的等效彈性形變不超過0.070 mm，等效應(yīng)力不超過69.951 MPa，均符合設(shè)計要求。

4? ? 結(jié)語

本文通過先安裝后鎖止接觸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，解決了狹小空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)連接器的安裝問題，并經(jīng)由有限元分析軟件進一步驗證了選材及結(jié)構(gòu)在井下高溫高壓環(huán)境中的可靠性，證明本方案行之有效。

[參考文獻]

[1] 王紅亮，菅志軍，王智明.隨鉆測井儀器兩種滑環(huán)的設(shè)計與應(yīng)用[J].中國化工貿(mào)易，20l3（4）：71-72.

[2] 張辛耘，王敬農(nóng)，郭彥軍.隨鉆測井技術(shù)進展和發(fā)展趨勢[J].測井技術(shù)，2006，30（1）：10-15.

收稿日期：2020-03-24

作者簡介：蔣磊（1989—），男，江蘇泰州人，助理工程師，主要從事電連接器的設(shè)計及仿真、玻璃真空燒結(jié)連接器的工藝研究工作。