新型小直徑核測井儀器密封接頭體的可靠性設計

張念東+賀偉

摘 要：介紹了核測井儀器密封接頭體的結構，對其存在的問題進行了詳細分析。闡述了一種新型小直徑核測井儀器密封接頭體的結構設計，對其密封塞、自密封充排氣管進行了可靠性試驗。通過實驗結果給出了合理選用零件參數的方法及連接頭及密封塞螺紋的強度計算公式。對新設計的新型小直徑核測井儀器密封接頭體進行了包括高壓密封試驗，氣密性試驗和電絕緣性能試驗的驗證。該設計有效地解決了核測井儀器密封接頭體氣密性差的問題，提高了產品可靠性。

關鍵詞：核測井儀器;密封接頭體;成品率;密封塞;結構設計;可靠性;強度計算。

中圖分類號：TP316 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：2095-1302（2015）01-00-02

0 ?引 ?言

核測井儀器在石油測井中得到越來越廣泛的應用。可靠并且性能穩定的小直徑核測井儀器更是受到市場的高度關注，這就對核測井儀器每個部件的穩定性提出了更高要求。中子發生器是核測井儀器的核心部分，它由密封短節和驅動短節組成。兩個密封短節通過密封接頭體聯接，密封接頭體是密封短節的關鍵部件之一。在中子發生器中，密封接頭體具有聯接、密封、充排氣、電信號傳輸等重要作用，它的質量可靠性直接決定著核測井儀器的質量可靠性。由于現有的密封接頭體在設計方面存在的問題，使得密封接頭體的可靠性和成品率不高。從產品可靠性和經濟效益等方面考慮，研發新型可靠的核測井儀器密封接頭體就顯得尤為重要。

1 ?密封接頭體的現狀

1.1 ?中子發生器的工作環境

根據核測井儀器的設計要求，中子發生器直徑尺寸為φ38～φ45 mm、外部工作環境壓力100 MPa、溫度135～140 ℃;密封短節內部元器件在7.5 kV的高壓下工作，為保證良好的絕緣效果，密封短節內部充入0.6 MPa的SF6絕緣氣體。密封接頭體是在高溫、高壓、高電的工況環境下實現連接、密封。

1.2 ?密封接頭體的結構

密封接頭體的結構見圖1，它由連接頭、O型密封圈、芯柱、接線柱、充排氣管等組成，其中連接頭與芯柱采用氬弧焊焊接，接線柱和充排氣分別與芯柱采用銀焊封接。密封接頭體左側通過螺紋與O型密封圈與密封短節外殼進行密封連接，形成密封短節。

圖1 ?密封接頭體結構示意圖

1.3 ?存在的問題

（1）容易發生絕緣電線頭脫落和軋斷電線現象。

密封接頭體上有6個接線柱，分別通過絕緣線與變壓器、絕緣骨架等連接。密封短節與密封接頭體通過螺紋的轉動進行連接，使得絕緣線發生扭轉，容易導致絕緣頭扭斷脫落。并且，絕緣線在設計時留有一定的余量，在連接過程中，絕緣線容易被螺紋剪斷。

（2）氬弧焊焊接部分氣密性不高。

從生產統計數據看，氬弧焊密封焊接的成品率只有50%。

（3）接線柱容易損壞，造成密封短節漏氣。

接線柱是由薄壁陶瓷管與鉛絲提供高頻封接而成。在儀器生產調試過程中，由于搬運、振動或人為的因素等原因容易組成陶瓷管破裂或銀焊處的損壞，導致整個密封接頭體報廢。

（4）充排氣管的氣密封性差。

充排氣管是由外購氣門芯配做加工而成，從生產統計數據看，氬充排氣管的成品率約為40%。

（5）密封接頭體成品率低。

由于密封接頭體的氣密性較差，部件的可靠性較差，嚴重影響密封接頭體的成品率，從生產統計數據看，密封接頭體的成品率只有20%。

2 ?密封接頭體的新設計

對現有密封接頭體存在的問題進行分析可以得出，密封接頭體可靠性低的主要原因是密封接頭體的氣密封性較差和零部件互換性差。為此，在密封接頭體的設計中采用互換性較高的密封塞和自密封充排氣管。其主要設計思想：

（1）采用標準密封塞陶瓷接線柱;

（2）采用拉環結構解決芯子和外鋼管的相對轉動問題;

（3）采用新型可靠的自密封充排氣管;

（4）優化設計小直徑密封接頭體結構。

通過以上方法，提高密封接頭體的無故障性、耐久性和可維修性。

2.1 ?密封塞和充排氣管的可靠性實驗

2.1.1 ?密封塞的可靠性實驗

密封塞的可靠性對密封接頭體，乃至于整個測井儀器都具有重要作用。為了獲得高可靠性的密封塞，通過分析、比較現有市場上的密封塞產品，選取了一種技術資料數據適合測井儀器工況的密封塞，對該密封塞進行可靠性試驗，見表1。

表2 ?自密封充排氣的可靠性試驗（數量5個）

重復試驗次數 密封性（0.6 MPa SF6氣體）檢測 外觀檢查

檢測試劑 常溫 155 ℃保溫4 h

1 丙酮 無氣泡 無氣泡 完好

2 丙酮 無氣泡 無氣泡 完好

3 丙酮 無氣泡 無氣泡 完好

4 丙酮 無氣泡 無氣泡 完好

5 丙酮 無氣泡 無氣泡 完好

6 丙酮 無氣泡 無氣泡 完好

7 丙酮 無氣泡 無氣泡 完好

8 丙酮 無氣泡 無氣泡 完好

9 丙酮 無氣泡 無氣泡 完好

10 丙酮 無氣泡 無氣泡 完好

實驗結果表明，在以丙酮為檢測試劑進行密封性檢測后，密封塞的絕緣膠融化變形，該密封塞德絕緣性能變得很差，合格率為0，不能使用，終止丙酮為檢測試劑的密封塞可靠性試驗。在以酒精為檢測試劑進行密封性檢測后，密封塞樣品的電絕緣性和密封性能表現良好，外觀表象完好，合格率為100%。由此可得結論：（1）選擇合適的氣密性檢測試劑對密封塞在密封接頭體的工作環境下正常工作很重要;（2）在選擇合適的氣密性檢測試劑條件下《試驗用密封塞合格率為100%，可靠性高，適合密封接頭體的工況環境。

2.1.2 ?自密封充排氣管的可靠性實驗

自密封充排氣管是密封接頭體重要部件之一，它由氣門柱、密封墊、氣門芯、密封圈、墊片、螺和護帽組成，在密封接頭體中具有充、排SF6絕緣氣體和密封的作用，自密封充排氣管的可靠性決定了密封接頭體的可靠性。為此，進行了自密封充排氣管的可靠性試驗。表2是自密封充排氣管的可靠性實驗結果。試驗隨機抽取5個自密封充排氣管為樣件，在外部環境為常溫常壓和155 ℃常壓條件下，利用不同檢測試劑考察了自密封充排氣管的密封性和外觀表象。自密封充排氣管的內部檢測壓力為0.6 MPa，以SF6氣體為檢測氣體。

實驗結果表明，在以丙酮和酒精為檢測試劑條件下，自密封充排氣管的的密封性能和外觀表象均出現良好效果，說明檢測試劑對自密封充排氣管的可靠性影響不大;自密封充排氣管能夠在密封接頭體的工作壞境下正常工作。

2.2 ?新型密封接頭體的可靠性設計

2.2.1 ?新型密封接頭體的結構設計

新型密封接頭體結構見圖2，它由連接頭、O型密封圈、拉環、密封塞、自密封充排氣管等組成。

連接頭是新型密封接頭體的主要零件，屬于薄壁結構，從強度角度考慮，連接頭材采用比強度（強度/密度）較高的鈦合金，連接頭上分布多處密封槽和拉環槽，容易形成應力集中，因此在密封槽及拉環槽底部采用適當圓角結構，降低應力集中。

采用拉環結構，避免了密封短節與連接頭的密封連接過程中的相對靜止，解決了密封高壓絕緣骨架和外殼在裝配和拆卸過程中的相對轉動問題。

圖2 ?新型密封接頭體結構示意圖

密封塞和自密封充排氣管的使用，取代了氬弧焊和銀焊的加工工藝。

2.2.2 ?連接頭的強度計算

根據第三強度理論，圓通結構的強度條件為

（1）

式中，p為筒壁存在的壓力;R內為桶壁內半徑;R外為筒壁外半徑;[σ]為材料許用拉應力。

根據式（1），計算確定筒壁內徑尺寸。

2.2.3 ?密封塞螺紋的強度計算

新型密封接頭體的結構設計，使密封塞的螺紋處于拉力作用狀態，其拉力F為

（2）

式中，p1為密封塞所受氣壓;d1為螺紋外徑。

拉力作用下螺紋部分強度為

（3）

式中，d為螺紋危險剖面計算直徑;[σ]1為螺紋許用拉應力。經計算，密封螺紋滿足強度計算條件。

3 ?實驗驗證

3.1 ?高壓密封性試驗

將密封短節外殼、新型密封接頭體、試壓護帽連接后，在100 MPa液體進行高壓試驗。

實驗結果顯示，密封短節內沒有發現液體，密封性能良好;新型接頭體外觀沒有出現裂紋、變形等現象。

3.2 ?氣密封性試驗

將密封短節外殼與新型密封接頭體連接，充入SF6絕緣氣體，在不同工況下進行氣密封性試驗，結果表明氣密性良好。

3.3 ?電絕緣性能試驗

進行密封塞電絕緣性能試驗。在155 ℃高溫條件下，以100個密封塞為樣件，進行2.5 kV的電絕緣檢測篩選，合格97件，合格率達到90%以上，符合核測井儀器元器件選用標準。

4 ?結 ?語

新型小直徑核測井儀器密封接頭體解決了密封短節起密封性差的問題，改善了連接過程中絕緣線容易損壞的現象，提高了產品可靠性和合格率。新材料、新器件的運用，簡化了部件的加工工藝，縮短了生產周期，降低了生產成本。新型密封接頭體的結構設計，密封塞和自密封充排氣管的設計，可適用于φ38以上的核測井儀器密封接頭體，具有一定的推廣價值。