【正文】 2 卡瓦的設(shè)計計算 卡瓦的結(jié) 構(gòu)設(shè)計 卡瓦的工作原理是卡瓦軸向張開后，是卡瓦牙咬在套管壁上。 表 35 40Cr的熱處理及力學(xué)性能 牌號 式樣尺寸 /mm 熱處理方法 力學(xué)性能 供應(yīng)狀態(tài)硬度 HBC 淬火 回火 b? /MPa s? /MPa 5? φ kv?/J 溫度 /℃ （ %） ≥ ≤ 40Cr 25 850 52 980 785 9 45 47 207 受力 分析 卡瓦類零件是井下工具的一個重要零件，它的設(shè)計質(zhì)量直接影響到封隔器等井下工具的坐封可靠性和安全性。 通過對相當(dāng)應(yīng)力進行分析和大量數(shù)值計算，可以看出，要想降低卡 瓦類零件的應(yīng)力，可在設(shè)計和施工時采取下列措施： （ 1）增加卡瓦片數(shù)； （ 2）增加卡瓦寬度； （ 3）增加卡瓦牙面長度； （ 4）適當(dāng)增大 α 角（但不宜超過 20?）； （ 5）增加卡瓦牙根部加工刀角半徑； （ 6）增加卡瓦與套管壁的摩擦角 φ。 (1)上錐體下移距離 H： 如圖 所示。為了使彈簧能夠可靠的工作，彈簧材料必須具有高的彈 性極限和疲勞極限，同時應(yīng)具有足夠的韌性和塑性，以及良好的可熱處理性。 坐封剪釘?shù)脑O(shè)計計算 1）材料的選擇： 剪釘材料選用 35CrMo,它的許用應(yīng)力 [τ]= 2) 剪釘?shù)闹睆接嬎悖? 剪釘不被剪斷的條件是 τ≤ [τ]，而所要求的剪釘要被西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（本科論文） 34 剪斷，故按 τ≥[τ]時計算，取臨界值 τ=[τ]。 根據(jù)上述公式， 當(dāng) p=11MPa時 , ? ? ? ? 6226??? ?????? ? ???n psd mm 當(dāng) p=13MPa時 , ? ? ? ? 6226??? ?????? ? ???n psd mm 取 d=6mm。 當(dāng) p=17 MPa 時 ? ? 102954 626 ??? ?????? ? ???n psdmm 當(dāng) p=19 MPa 時 ? ? 102954 626 ??? ?????? ? ???n psdmm 取 d=5mm。 封隔器坐封高度計算 為了加壓一定管柱重量，以保證封隔器坐封時所需要的坐封載荷，封隔器就必須要有一定的坐封高度（油管柱距頂絲法蘭的高度），這個高度取決于封隔器的下入深度、坐封 載荷和套管內(nèi)徑大小等因素。 （ 1） 中性點 封隔器坐封時加壓的管柱重量，就是封隔器的坐封載荷，由此得封隔器坐封載荷的近似計算公式 P＝ L2F（ r－ r0）或 P＝ L2g，則中性點深度的近似計算公式 Frr PL )( 02 ?? 或 gPL?2 式中： P－封隔器坐封載荷，公斤； g－每 100 厘米油管在井內(nèi)液體中的重量，公斤 /厘米； F－油管環(huán)行截面積， 厘米 2； r－鋼的比重，公斤 /厘米 2； r0－井內(nèi)液體比重，公斤 /厘米 2。 5in（指公稱直徑）膠筒為 60～ 70mm左右。 對密封裝置的一般要求是，密封性好，摩擦力要小且穩(wěn)定，壽命長，裝卸方便等。因為漏油、漏水、漏氣會使機械工作不穩(wěn)定、效率下降、污染環(huán)境、影響產(chǎn)品質(zhì)量，有時還會造成設(shè)備和人身事故。隨著合成橡膠的發(fā)展，出現(xiàn)了耐油、耐熱、耐磨等具有各種特點的合成橡膠密封材料。 以前這些具有重要作用的密封元件主要是用皮、革、麻、石棉等纖維質(zhì)的材料，所以不能完全防止泄漏。當(dāng)用于低速運動的液缸時，則要求摩擦力更加穩(wěn)定，這樣運動平穩(wěn)，不產(chǎn)生爬行。外泄還會造成工作環(huán)境污染、浪費油料等一系列弊病。 （ 3）膠筒壓縮距 膠筒壓縮距，是指封隔器坐封前膠筒的自由長度減封隔器坐封后膠筒受力時的長度。在管柱受拉與受壓間，處于既不受拉，也不受壓時的點 O，叫中性點。 解封剪釘?shù)脑O(shè)計計算 1) 材料選擇：剪釘材料選用 35CrMo,它的許用應(yīng)力 [τ]= MPa 2) 剪釘?shù)闹睆接嬎悖荷咸嶂行墓?，剪斷解封銷釘，實現(xiàn)解封，解封力F=6080kN均布 8個 . 當(dāng) F=60kN時， ? ? 106044 63 ??? ???? ???n Fdmm 當(dāng) F=80kN時， ? ? 108044 63 ??? ???? ???n Fdmm 取 d=5mm。 丟手剪釘?shù)脑O(shè)計計算 1) 材料選擇：剪釘材料選用 20CrMo,它的許用應(yīng)力 [τ]=295Mpa。 當(dāng) p=5MPa時 ? ? ? ? 46226??? ?????? ? ???n psd mm 當(dāng) p=7MPa時 ? ? ? ? 6226??? ?????? ? ???n psd mm 由上選擇 d=4mm. 根據(jù) d＝ 4mm，計算剪斷時的壓力為 p=5MPa。 西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（本科論文） 33 彈簧的尺寸計算 由于選擇的材料為碳素彈簧鋼，根據(jù)上表可知 ? ? ???? B?? MPa 2790008 3 4324 ??? ???? nDGdk pN/mm ???? ?pkp N 52102 ??? dDc 14 ???? ??????? ccck ? ? ?????? ?pk cd mm 取 d=2mm. 表 彈簧的結(jié)構(gòu)參數(shù) 參數(shù)名稱及代號 計算公式 結(jié)果 中徑 D2 D2=cd=5 2=10 10 內(nèi)徑 D1 D1=D2d=102=8 8 外徑 D D=D2+d=10+2=12 12 旋繞比 c c=D2/d=10/2=5 5 自由高度 H0 H0=nd+鉤環(huán)軸向長度 =30 2+40=100 100 螺旋角 α ????????????? 2 ??? ar c t gDpar c t g 取 4186。 綜上 ,L=S+H=60+=。 活塞的行程計算 在坐封過程中，活塞的行程等于上錐體與膠筒的行程之和，所以活塞必須有一定的行程空間，以滿足上錐體與膠筒的下移距離。 ? ??? ??? tgn WQ zk 式中： Qk－壓緊力， N； α－楔形角； υ－摩擦角。為了使卡瓦牙受力均勻，并且盡可能小地損壞套管壁和卡瓦牙，把它設(shè)計成兩面都是錐體，具體結(jié)構(gòu)如下圖： 材料的選擇 材料選擇 40Cr, 因為卡瓦在井內(nèi)套管中靠卡瓦牙固定封隔器，對材料的硬度和韌度要求較高。 2） 膠筒的技術(shù)參數(shù) 主要技術(shù)參數(shù) 工作壓力： 50公斤 /平方厘米 工作溫度： 120攝氏度 使用套管內(nèi)徑 : 圖 長膠筒 圖 短膠筒 西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（本科論文） 28 3） 膠筒配方及物理性質(zhì) YS1503650型膠筒的膠料配方有長膠筒用的 501號和短膠筒用的 29號兩種配方，詳見表 。 膠筒的計算 1）膠筒的選擇 選擇壓縮式膠筒即壓縮膠筒長度 ,從而使直徑變大 ,以達到封隔油、套筒環(huán)形空間的目的。 （ 2） 膠筒的耐壓性能 對不加“防突”結(jié)構(gòu)的封隔器膠筒進行受力分析，如圖 所示。 4） 氫化丁腈橡膠與丁腈橡膠性能對比 氫化丁腈橡膠與丁腈橡膠的性能對比見表 。有人曾用氟橡膠制作膠筒，未獲成功。上海橡膠制品研究所新進研制的 701 型橡膠，在 150℃下基本上能耐壓 35MPa，最終因受結(jié)構(gòu)的限制，在高溫高壓下，其不飽和雙鍵易斷開，使鏈狀結(jié)構(gòu)受到破壞而導(dǎo)致膠筒失效。 1） 丁腈橡膠 壓縮式封隔器膠筒采用丁腈橡膠較好。所謂“防突”，就是在膠筒端部安放某種阻擋環(huán)、支撐環(huán)，限制裝置和保護件等，用以阻止和限制封隔器坐封時膠筒朝油套環(huán)形空間“突出”或“流動”，從而提高和保持接觸壓力，以獲得良好的密封性。 設(shè)計計算 膠筒的設(shè)計計算 膠筒的材料及性能 壓縮式膠筒（以下簡稱膠筒）是壓縮式封隔器的心臟，當(dāng)封隔器膠筒承受軸西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（本科論文） 25 向載荷時，封隔器膠筒將產(chǎn)生較大變形，使膠筒與套管之間產(chǎn)生接觸壓力，借此封隔環(huán)空，隔絕產(chǎn)層，保護套管。為此，選用內(nèi)爪式丟手機構(gòu)。如果用于可回收管柱的作業(yè)中，在下接頭內(nèi)部加工一個內(nèi)錐螺紋即可實現(xiàn)。整個丟手機構(gòu)隨著管柱下入井中，到位后再下壓一點距離，使內(nèi)爪處于環(huán)形槽的中部，避免內(nèi)爪斜面與環(huán)形槽斜面相接觸而擠壓張緊套，使張緊套因自鎖而難下行。當(dāng)鉆具再井下遇卡時，從井口投入一個膠塞，膠塞下行剪斷堵塞，液壓孔貫通。當(dāng)封隔器坐封完畢需要丟手時，從管柱內(nèi)加壓，控制液缸剪釘剪斷，液體壓力推動控制液缸下行，當(dāng)控制液缸與卡爪完全脫開后，上提管柱，卡爪因斜面作用張開， 上下接頭脫開，實現(xiàn)丟手。當(dāng)工具在井 下遇卡時，扭矩超過摩擦環(huán)鎖承受的設(shè)計扭矩時，反螺紋松開，內(nèi)外筒脫開，內(nèi)筒隨著鉆具一起上來，外筒丟在井下，保證了上部鉆具的安全。 這種丟手機構(gòu)雖然簡單，但管柱的全部質(zhì)量完 全依靠滾珠來承擔(dān)，一旦由于管柱在下放過程中震動而壓碎滾珠，丟不開手的情況就可能發(fā)生。工作時，在管柱下井后，從井口頭膠塞， 通過丟手機構(gòu)，將堵塞剪斷，露出傳壓孔，然后加壓，壓力通過傳壓孔作用在活塞上，推動活塞上行，活塞上設(shè)計有推動環(huán)，推動爪子向內(nèi)收縮，從而將管柱遇下接頭脫開，實現(xiàn)丟手。丟手機構(gòu)通過丟手螺母與套管柱相連，丟手螺母和下接頭之間通過花鍵或八方傳遞扭矩，上接頭與上部鉆具相連接。 這種丟手機構(gòu)與前一種丟手機構(gòu)相比，原理相同。將管柱下井到位后，投球加壓，推動剪切活塞剪斷銷釘下行，在剪切活塞上加工有環(huán)形槽，允許鎖塊退入環(huán)形槽內(nèi)，此時鎖塊便于連接套脫開，實現(xiàn)丟手。 主動丟手機構(gòu)主要應(yīng)用在固井和采油方面，用來將套管柱和油管柱送入井下，然后自動脫開；被動丟手機構(gòu)主要應(yīng)用在鉆井方面，當(dāng)鉆具在井下發(fā)生事故被卡時，不得已啟動丟手機構(gòu)，以保全丟手機構(gòu)上邊的鉆具，同時便于下入處理事故的工具。為了操作方便，應(yīng)優(yōu)先考慮使用提放管柱解封方式。一般只要在封隔器的結(jié)構(gòu)設(shè)計上使內(nèi)中心管向下的有效作用面積大于向上的 有效作用面積，就可以解決這一問題。 解封方式的選擇 還應(yīng)考慮封隔器坐封后的承壓平衡，使封隔器不會因液壓力而產(chǎn)生使其解封的力?？梢哉f，目前國內(nèi)外設(shè)計的雙錐體雙向錨定封隔器（下工具解封方式除外）一般都利用主動力使下錐體脫卡。這主要是設(shè)計問題或加工問題，如單向卡瓦和燕尾槽配合時，若卡瓦在封隔器坐封時前部懸空，則在較大的坐封載荷下懸空部分將產(chǎn)生一定程度的彎曲變形，嚴(yán)重時卡瓦無法收回，造成卡封。這種錨定方式同樣也存在封隔器解封時的下錐體脫卡問題。 （ 3）單卡瓦、雙錐體結(jié)構(gòu)式 即采用一套卡瓦、雙錐體結(jié)構(gòu) ,如圖 。一般兩套單向卡瓦和雙錐體正反相接。這種組合錨定方式的封隔器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大。這個力可由下式求得： F=?pS 式中 F— 中心管承壓時的上頂力， N； ?p— 封隔器上下壓差， MPa； S— 心管有效承壓面積， mm2 封隔器中心管承受的上頂力上頂管柱，使得封隔器產(chǎn)生解封的趨勢，因此，封隔 器承壓能力越高，解封力就越大。 從我國機械加工能力及使用可靠性等方面考慮，應(yīng)優(yōu)先選用單面螺紋步進鎖緊機構(gòu)。 4）單面螺紋步進鎖緊機構(gòu) 這種鎖緊機構(gòu)由一面帶有特殊螺紋，一面帶有錐面的鎖環(huán)和鎖環(huán)座等組成，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 3）雙面螺紋步進鎖緊機構(gòu) 這種鎖緊機構(gòu)由雙面帶有特殊螺紋的鎖環(huán)和鎖 環(huán)套等組成，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。這種鎖緊方式機構(gòu)尺寸較長。在設(shè)計這種機構(gòu)時，可采用組合式密封，使用金屬環(huán)保護密封膠心，以保證液缸內(nèi)的壓力 能維持較長的時間。密閉機構(gòu)可以采用針閥或球閥、單流閥結(jié)構(gòu)，也可采用膠件密封。 鎖緊機構(gòu) 的設(shè)計及選擇 液壓封隔器坐封泄壓后，一般都采用鎖緊機構(gòu)鎖緊以防封隔件回彈，目前封隔器鎖緊機構(gòu)大致有以下幾種可供選擇： （ 1）密閉式鎖緊機構(gòu) 封隔器坐封時，液體進入封隔器液缸由液壓力推動活塞壓縮封隔件（或擴張封隔件），泄壓后密閉機構(gòu)使液體只能進不能出，一直保持坐封壓力。如遇封隔器下面的管柱被卡，可加力上提，剪斷懸掛銷釘，此時，下錐體掉入井中，可保證封隔器被安全起出。泄壓后，由于鎖緊機構(gòu)和彈簧片的縮緊作用，卡瓦仍處于擴張狀態(tài)，膠筒也處于密封狀態(tài)。 丟手部分主要由丟手束爪 2丟手短節(jié) 丟手剪釘 2防脫塊 28 等組成。 鎖緊部分主要由卡簧、卡簧座 16 等組成，其主要作用是防止卡瓦、封隔件回彈，保證封隔器的長期密封。 西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（本科論文） 15 坐封部分主要由活塞 缸套 坐封剪釘 6 組成，其主要作用是為封隔器提供坐封載荷。該型封隔器設(shè)計了防中途坐封裝置、后處理安全裝置和分壓裝置。 （ 3） 在結(jié)構(gòu)上，泄壓和丟手裝置互不關(guān)聯(lián)，丟手失敗的情況屢屢發(fā)生。單位 /mm 剛體內(nèi)通徑 38 40 46 50 55 62 76 85 95 100 105 主要設(shè)計內(nèi)容 設(shè)計技術(shù)參數(shù) 適用套管內(nèi)徑：Φ — Φ