一種高溫高壓旋轉連接器的實現方案及仿真分析

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連接器的實現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境，對結構及選材進行了驗證。

關鍵詞：旋轉連接器;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：多數情況下是在油水井正常生產時測量，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;儀器是在油管內或油套環形空間內下入，儀器直徑較小。隨鉆測井儀器由若干個短節組成，兩短節之間的電力或信號傳輸由內部的旋轉連接器完成。

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，其可靠性直接關系到儀器的使用性能，對整個儀器的可靠性與穩定性都至關重要。

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

1? ? 旋轉連接器——轉子

如圖1所示，導線10和接線環6組成了轉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實現與其他金屬結構件的電氣隔離;通過鍵5實現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，實現通路。

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

2? ? 旋轉連接器——定子

定子由整環組件和半環組件兩大部分組成。整環組件又包括內部環路和凸輪部件。內部環路如圖2所示，由彈片1、彈片2、彈片3組成。同一環路上，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隨著凸輪部件的轉動而向外凸起，當旋轉角度大于110°時，固定在凸輪軸上的銷釘與整環外殼接觸，凸輪部件的旋轉被止住，且不會回轉。彈片1與半環組件上的彈片4相接觸，實現整環組件與半環組件的穩定通路。

由于井下的使用環境通常伴有高溫高壓，所以在設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

根據設計條件，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境：140 MPa/200 ℃。首先建立0.01 mm網格劃分，節點數1 160 141，單元數627 733。

計算結果如圖4、圖5所示。

最大彈性應變點出現在半環外殼上的彈片4安裝槽內，值為0.016 478 mm;最大徑向形變點出現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在半環外殼上接線端面，值為0.197 06 mm。

最大等效應力點出現在法蘭盤上，為326.44 MPa，且116.58 MPa以上應變點均出現在法蘭盤上。

根據仿真計算結果可知，在140 MPa/200 ℃的井下環境中，所有接觸環路附近的等效彈性形變不超過0.070 mm，等效應力不超過69.951 MPa，均符合設計要求。

4? ? 結語

本文通過先安裝后鎖止接觸的結構設計，解決了狹小空間內旋轉連接器的安裝問題，并經由有限元分析軟件進一步驗證了選材及結構在井下高溫高壓環境中的可靠性，證明本方案行之有效。

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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計及仿真、玻璃真空燒結連接器的工藝研究工作。