【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 F△p （65）??2214PoozRfh????=式中 套管內(nèi)徑， =；oR?o?膠筒外徑， =；1 1 膠筒內(nèi)徑， =37mm；ooR 工作壓差， =50MPa；P=P= 膠筒與套管內(nèi)壁的摩擦系數(shù)，參見(jiàn)《封隔器理論基礎(chǔ)與應(yīng)用》 P41f ??1?。?=； 工作膠筒的長(zhǎng)度， =80mm。hh根據(jù)計(jì)算可得：==由此可得出保證密封元件密封所需的總壓縮力為：F= 計(jì)算膠筒與套管間的接觸應(yīng)力 膠筒能夠承受壓力的多少取決于接觸應(yīng)力 ,工作膠筒一般處于穩(wěn)定變形階段，rPw其接觸應(yīng)力 的計(jì)算公式由《壓縮式封隔器膠筒耐溫耐壓淺析》 式（12）可得：rPw ??27 （66）??r 1221()(1))wz OOERTP??????? ???? ???? ?式中 = F= 泊松比，參見(jiàn)《壓縮式縮徑井封隔器膠筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究》?。?14=?E膠筒彈性模數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)第一分冊(cè) P4 表 17 得：E=膠筒承受壓差時(shí)高壓端壓力： =50MPazPzP、 、 取值同前oR?1由此可得： =查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)第一分冊(cè) P600 可得，橡膠的扯斷強(qiáng)度為 ，由此可看出：所以膠筒能在井下正常工作。 確定膠筒與套管內(nèi)壁的最大許用間隙 由《封隔器理論基礎(chǔ)與應(yīng)用》式 258 可得： （67）??max 12()2(0)o ORu???式中 為彈性體許用相對(duì)軸向變形，取 =300??? ???由此可得 =，而本設(shè)計(jì)中的 = = ,選取膠筒尺寸合理。maxououR?1maxou 確定中心管截面尺寸（1）中心管材料的選擇根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)第一分冊(cè) P479，選擇中心管的材料為 35CrMo，并可知該材料的屈服強(qiáng)度為 。（2）安全系數(shù)的選擇根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》 教科書(shū)Ｐ366，對(duì)用于材料均勻，載荷與應(yīng)力計(jì)算精確時(shí)??18S=～，由于封隔器的工作條件較惡劣，因此選取 S=。（3）中心管的外徑選擇由于在與封隔器膠筒重合的部分間有襯套，膠筒內(nèi)徑為 74mm，則取中心管的外徑為 68mm，即 。bR（4）中心管內(nèi)徑的選擇根據(jù)中心管所受的軸向力和材料的屈服強(qiáng)度進(jìn)行選擇。 （68）??2SbaF???（ R）式中　　 中心管內(nèi)半徑aR中心管外半徑， =34mmb b高壓?jiǎn)喂芊飧羝髟O(shè)計(jì)15極限應(yīng)力??S?則 的取值由公式 確定，由前述取 = MPa，S=。S??SS??S?可得： = MPa，從而可得中心管的內(nèi)徑??S?≤由于考慮到中心管在工作中還存在其他的因數(shù)力的影響，比如液體壓力等，所以中心管的內(nèi)徑盡量取小一點(diǎn)，再根據(jù)中心管上端與上接頭的連接是標(biāo)準(zhǔn)油管螺紋連接，查標(biāo)準(zhǔn)只有 2″的螺紋連接符合，同時(shí)根據(jù)封隔器的最小內(nèi)徑選擇范圍，選取中心管內(nèi)徑為 50mm，即 =25mm，這樣中心管管壁厚為 9mm，對(duì)于其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)aR講應(yīng)該是比較符合要求的。所以取 =25mm。a 液缸的缸壁厚度設(shè)計(jì)計(jì)算（1）液缸材料的選取根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)第一分冊(cè) P479，選擇液缸的材料為 35CrMo，并可知該材料的屈服強(qiáng)度為 。（2）液缸井下受力分析根據(jù)液缸在井下的受力情況，液缸主要承受軸向壓力，以及液壓對(duì)缸壁的剪切力，一般情況下取軸向壓應(yīng)力等于軸向拉應(yīng)力。（3）液缸的截面尺寸確定根據(jù)公式　　　　　　　　 （69）????21CSFR????式中　　 封隔器最大外徑， =；1R液缸的內(nèi)徑；C為極限應(yīng)力，取值同前， = MPa。??S???S從而求得液缸的內(nèi)徑 ≤。CR由于考慮液缸的其他工作條件因數(shù)，以及環(huán)境因數(shù)， 應(yīng)在不浪費(fèi)材料和不影CR響封隔器正常工作的條件下盡量取小值，因此選取 =53mm，這樣液缸的壁厚為，同時(shí)是比較合理的。因此取 =53mm。CR 襯套的尺寸確定（1）襯套的材料選取根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)第一分冊(cè) P479，選擇襯套的材料為 35CrMo，并可知16該材料的屈服強(qiáng)度為 。（2）襯套的受力分析由于襯套在封隔器中只起定位作用，主要作用是為解封方式提供了一個(gè)軌道，因此基本上不受力，只是在與上接頭接觸處承受一部分力。（3）襯套在與膠筒接觸處的截面厚度 1?由于膠筒內(nèi)徑和中心管外徑都已確定，則襯套在與膠筒接觸處的截面厚度也隨即確定為 ObR???式中　　 膠筒內(nèi)徑， =37mm（ 由于膠筒裝入襯套中要撐大內(nèi)徑，所以取襯O套外徑為 38mm） ；中心管外徑， =34mm。bb所以截面厚度 =4mm。?（4）襯套在轉(zhuǎn)折處的截面厚度 2?此處的截面厚度根據(jù)膠筒所受的坐封力來(lái)確定，由于襯套在軸向上受到的坐封力 F=，此作用力在該截面上產(chǎn)生剪力，因此根據(jù)剪應(yīng)力計(jì)算公式來(lái)確定轉(zhuǎn)折處截面厚度。根據(jù)《工程力學(xué)》 教科書(shū) P149： 。??19????~8???的取值由公式 確定，由前述取 = MPa，S=。得 = ??S?SS??S???S?MPa，取系數(shù)為 ，則 　　　　　 =。 ???根據(jù)公式 ，以及FA?2eR???式中　　 為危險(xiǎn)截面處的半徑，取 =38mmeR則 ≥，根據(jù)其工作條件的復(fù)雜性，取 =10mm。2? 2? 膠筒壓環(huán)的尺寸確定（1）膠筒壓環(huán)的材料選取根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)第一分冊(cè) P479，選擇襯套的材料為 35CrMo，并可知該材料的屈服強(qiáng)度為 。（2）壓環(huán)的受力分析壓環(huán)主要受到來(lái)自軸向液缸施加的壓力，因此壓環(huán)承受壓應(yīng)力。（3）確定壓環(huán)的尺寸由于壓環(huán)是安裝在襯套上，所以其內(nèi)徑 R=38mm，外徑為封隔器的最大外徑，取R=。高壓?jiǎn)喂芊飧羝髟O(shè)計(jì)17（4）確定壓環(huán)的截面厚度尺寸 3?由（2）分析可知，壓環(huán)承受壓應(yīng)力，在塑性材料中，拉應(yīng)力=壓應(yīng)力。效核其強(qiáng)度，根據(jù)公式： （610）????21SoFR????式中　　 膠筒外徑， =；1R 　 膠筒內(nèi)徑， =37mm；oo 　 坐封力， =；FF 為極限應(yīng)力，取值同前， = MPa??S???S?因此可得 =＜ = MPa，結(jié)構(gòu)合理，能在高壓下正??21oR??S常工作。截面厚度尺寸 =20mm。3? 隔環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隔環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參見(jiàn)《采油技術(shù)手冊(cè)》 P640，由于膠筒在工作密封時(shí)會(huì)有向??7兩端溢出現(xiàn)象，作為三個(gè)膠筒的中間分隔件隔環(huán)，此時(shí)為了防止對(duì)膠筒端部的損壞，應(yīng)將隔環(huán)的圓周方向上設(shè)計(jì)成弧狀，取隔環(huán)厚度為 10mm，則隔環(huán)的圓周方向設(shè)計(jì)為半徑為 5mm 的半圓狀，從而可延長(zhǎng)密封件的壽命。 中心管上節(jié)流小孔的尺寸設(shè)計(jì)（1）根據(jù)伯努利方程 （611）221fPVgh????中心管節(jié)流小孔簡(jiǎn)圖如下：由于 P1 是來(lái)自外部的上壓，相對(duì)而言，中心管長(zhǎng)度D1 孔口直徑，則斷面 11 流速 孔口=1V=處流速 ， 可忽略不計(jì)。不計(jì)管路損失，2V1則有（公式見(jiàn)《液壓傳動(dòng)氣壓傳動(dòng)》 P40 ??6（253） ）： （612） 2/VCP???其中 1(/)Vaoild???根據(jù)該書(shū) P35 取 均為 ， =9mm， 圖 61 節(jié)流小孔簡(jiǎn)圖則 =。 VC中心管中心管節(jié)流小孔簡(jiǎn)圖D11 2218由上可得 =則液缸要求的流量為： A，由計(jì)算可得 = m/s。2qV?2q310?（2）負(fù)載要求液缸內(nèi)的壓力為： （613）/PFA其中 F=；A= = 　　　　　　　　2(537)??2m則 P=。 （3）地面提供壓力的泵采用水力活塞泵，參見(jiàn)《采油技術(shù)手冊(cè)》 P245 表 2??745，選取類(lèi)型為 SHB ，其額定沖數(shù)時(shí)理論排量為 60（ /日） ，以每天43??3m工作 8 小時(shí)計(jì)算，其泵的流量為 =2 m/sq310?（4）通過(guò)小孔的流量為： = =2 m/ m/s= m/sTq2310?3?3通過(guò)小孔的流量由式（254）可得： （614）2/TgOqCAP???所以小孔開(kāi)口面積為 = ，由此可得出節(jié)流口的半徑為 。Om 防坐螺釘?shù)某叽缭O(shè)計(jì)防坐螺釘主要為了防止在坐封前的誤動(dòng)作而使液缸運(yùn)動(dòng)，為此專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)防坐螺釘，當(dāng)作用力達(dá)到 3～4KN，剪斷螺釘，從而液缸開(kāi)始上移壓縮膠筒，完成坐封。（1）防坐螺釘?shù)牟牧线x取根據(jù)根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)第一分冊(cè) P464，選擇螺釘?shù)牟牧蠟?35﹟鋼，并可知該材料的抗拉強(qiáng)度為 315MPa。（2）防坐螺釘?shù)陌霃皆O(shè)計(jì)根據(jù)公式 （615）??/FA??只要大于 F 螺釘就能剪斷，從而實(shí)現(xiàn)坐封運(yùn)動(dòng)。式中　　 ， 的取值同前 =，則 =；??SS??S??S?=～ ，取系數(shù)為 ，則 =；???S ?F 為當(dāng)在坐封力作用下能剪斷坐封螺釘?shù)牧?，?F 為 3～4KN由計(jì)算可得：A≤ ，即 ≤ ，從而可得：2m2R?2m≤，取 =查《機(jī)械制圖》 P329 附表 6，選取 M5 的開(kāi)槽盤(pán)頭螺釘，其長(zhǎng)度取為 9mm。??15 防轉(zhuǎn)螺釘?shù)某叽缭O(shè)計(jì)高壓?jiǎn)喂芊飧羝髟O(shè)計(jì)19防轉(zhuǎn)螺釘?shù)淖饔檬菫榱朔乐乖诠ぷ鬟^(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)油管而引起解封的誤動(dòng)作，只有當(dāng)右轉(zhuǎn)油管 500～800N 時(shí)，防轉(zhuǎn)螺釘被剪斷，從而實(shí)現(xiàn)解封。（1）防轉(zhuǎn)螺釘?shù)牟牧线x取根據(jù)根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)第一分冊(cè) P464，選擇螺釘?shù)牟牧蠟?35﹟鋼，并可知該材料的抗拉強(qiáng)度為 315MPa。（2）防轉(zhuǎn)螺釘?shù)陌霃皆O(shè)計(jì) 根據(jù)公式 （616）??/FA??只要 F 足夠大，防轉(zhuǎn)螺釘即可剪斷，從而實(shí)現(xiàn)解封。式中參數(shù)說(shuō)明：防轉(zhuǎn)螺釘承受剪切力，有前述可知 ， 同前取 ，??SS??則 = ， ，取系數(shù)為 ，則 =。??S?????~8S????取 F 為 500～800N，由計(jì)算可得：A≤ ，即 ≤ ，從而可得：2m2R?2m ≤ mm，取 =查《機(jī)械制圖》P329 附表 6，選取 的開(kāi)槽盤(pán)頭螺釘，其長(zhǎng)度取為 6mm。 軌道螺釘?shù)某叽缭O(shè)計(jì)軌道螺釘?shù)闹饕饔檬钱?dāng)防轉(zhuǎn)螺釘剪斷后，右轉(zhuǎn)油管，當(dāng)軌道螺釘從上接頭圓周方向的槽內(nèi)滑入與軸線(xiàn)平行的直槽內(nèi)，上提油管，從而就能解封封隔器，因此軌道螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)強(qiáng)度就必須大。（1）軌道螺釘材料的選擇 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)第一分冊(cè) P464，選擇螺釘?shù)牟牧蠟?35﹟鋼，并可知該材料的抗拉強(qiáng)度為 315MPa。（2）軌道螺釘?shù)氖芰Ψ治鲈谳S線(xiàn)方向上，當(dāng)承受上壓的時(shí)候，有一部分的作用力是通過(guò)襯套傳遞到軌道螺釘，在傳遞給上接頭，因此軌道螺釘必須有足夠的強(qiáng)度，螺釘需經(jīng)淬火處理使其強(qiáng)度大大提高，經(jīng)淬火后的螺釘其強(qiáng)度可達(dá)到 800～1000MPa，取為 800MPa。因?yàn)樵诔惺苌蠅簳r(shí)，封隔器的主要承力件為軌道螺釘，因此其受壓力為50MPa，取 F=100KN，根據(jù)公式 （617）式??/SFA??中　　 ， 同前取 ，則 = ；??SS??S20 　 F為承受的一部分力，取 F=100KN。 則 A ，即 ，?2m2R??2m求得 3mmR查《機(jī)械制圖》P330 附表 7，選取 M6 的開(kāi)槽沉頭螺釘，其長(zhǎng)度取為 l＝20mm。 確定中心管與上接頭的螺紋連接尺寸由于在確定中心管的內(nèi)徑時(shí)是根據(jù)《采油技術(shù)手冊(cè)》P685（牙型角 55176。圓錐管螺紋連接尺寸表）的公扣內(nèi)徑最大為 51mm，以及封隔器最小尺寸只有 50mm 符合要求，因此，選擇中心管與上接頭的連接采用 2″TBG 的接頭，其相關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸參見(jiàn)牙型角 55176。圓錐管螺紋連接尺寸表。 確定封隔器與油管連接的接頭尺寸本設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)最初就根據(jù)目前井場(chǎng)上常用的油管尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般井場(chǎng)上常用 ″的油管，因此本設(shè)計(jì)也選用該油管，封隔器與上下油管相連接的公扣與母扣12相關(guān)尺寸參見(jiàn)《采油技術(shù)手冊(cè)》P838（國(guó)產(chǎn)平式、外加厚油管接頭規(guī)范表） ，選用外加厚油管，其表達(dá)為 ″加厚 TBG。12 內(nèi)鎖緊與解封機(jī)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)（1）設(shè)計(jì)原則：內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu)在封隔器的工作中起鎖緊作用，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性關(guān)系到封隔器是否能正常密封，其強(qiáng)度必須達(dá)到坐封的要求，同時(shí)解封過(guò)程簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)封隔器的重復(fù)坐封。（2）組成部分：內(nèi)鎖緊及坐封與解封機(jī)構(gòu)由中心管，