【導讀】題目名稱Y445-152注汽封隔器設(shè)計。學院機械工程學院。時間2021年6月至2017年1月

　　

【正文】 銷釘，實現(xiàn)解封，解封力 F=6080kN. 當根據(jù)上述公式， ? ???? ???241 dnFsF 易知 ? ???n Fd 4? 5 主要零部件的設(shè)計與計算 第 19 頁（共 38 頁） F=60kN時， ? ? 106044 63 ??? ???? ???n Fdmm 當 F=80kN時， ? ? 108044 63 ??? ???? ???n Fdmm 因此，可 取 d=8mm。 當 d=8mm,計算 ?F ? ? 622 ?????? ???nd kN,在 60— 80kN之間，滿足要求。 所以，解封銷釘?shù)闹睆?d=8mm。 坐封高度 的 計算 對于本文設(shè)計的 Y445 型封隔器就是靠管柱重力作用，把部分管柱的重量 施加在封隔器上，使膠筒壓縮，卡瓦撐開，實現(xiàn)坐封。實現(xiàn)坐封 需要將管柱提升一定的高度來達到此坐封載荷作用力 實現(xiàn)坐封 。在使用中，封隔器坐封高度的確定影響著封隔器的密封效果。上提管柱高度不夠，造成坐封載荷過小造成密封失敗。因此，必須準計算出封隔器的坐封高度。 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。 如圖 14 所示，封隔器在坐封情況下，管柱受力分為兩部分：一部分受拉（如圖中 L1），管柱處于伸長狀態(tài)；一部分受壓（如圖中 14），管柱處于壓縮狀態(tài)。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。 Y445152 注汽封隔器設(shè)計 第 20 頁（共 38 頁） 圖 14 封隔器坐封高 所以坐封高度的近似計算公式： SLLLH ??????? 21 式中： H－封隔器坐封高度， cm； ΔL―坐封前，封隔器 油管柱長為 L 時的伸長， cm； Δ L1－中性點以上油管自重伸長長度， cm； Δ L2－ 中性點以下油管自重壓縮長度， cm； S－膠筒壓縮距， cm。 （ 1）中性點 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。 （ 2）油管自重伸長或自重壓縮 根據(jù)材料力學得油管自重伸長長度或自重壓縮長度的計算公式： EFPll 2?? 或 E lrrl 2 )( 20??? 式中： Δ l－油管自重伸長長度或自重壓縮長度，厘米； l－油管未伸長或壓縮時的長度，厘米； E－鋼的彈性模數(shù)，為 106公斤 /厘米 2。 （ 3）膠筒壓縮距 指封隔器坐封前膠筒的自由長度與 封隔器坐封后膠筒受力時的長度 差 。 由上述公式可計算封隔器的坐封高度，假設(shè)套管內(nèi)徑 156mm，坐封壓力 18MPa，5 主要零部件的設(shè)計與計算 第 21 頁（共 38 頁） 坐封深度 1500m，其中坐封載? ? ? ? 62222 ????????? NpdDfpF ?? kN 得 331 104 ??? FPkg 即得 ???? qPLmm 由于 L=1600m=160000cm 所以 L1=LL2===13477cm 因為 γ = 106kg/cm3 可得 ? ? ? ? 6220 ??? ?????? E LL ?? cm ? ? ? ? 622101 ??? ??????ELL ?? cm ? ? ? ? 13 6 52 7 622202 ?????????ELL??cm 因為 S=2cm 所以 ! ???????????? SLLLH cm 密封的設(shè)計 密封圈是設(shè)備工作時防止介質(zhì)泄漏，或者防止雜質(zhì)從外部侵入設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)的元件。密封件的優(yōu)劣，對整臺設(shè)備的正 常工作、工作效率和性能及使用壽命都有很大影 。 為了正確地選擇所需要的密封件，必須要熟悉各種密封件的形式及特點，密封材料的特性和使用條件，應(yīng)用范圍，密封件工作壽命長短，制造難易，成本高低，安裝和維修是否方便等。經(jīng)過綜合分析后，才能正確選用。 （ 1） O 型和矩形密封圈的各自特點： O 形密封圈 ： O 形密封圈系指斷面形狀為圓形的非金屬材料環(huán)。其形狀見圖 15。它屬于接觸式密封自封式壓緊 形式密封， O 形密封圈與其它密封圈相比，優(yōu)點 有 ： Y445152 注汽封隔器設(shè)計 第 22 頁（共 38 頁） a．單圈即可密封兩個方向的壓力，密封可靠，用于靜密封時可以做到不泄漏； b．體積小、重量輕、成本低 ； c．密封部件結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，不用周期性調(diào)整； d．動摩擦阻力?。? e．既能用于作固定用的靜密封，也可用于作往復運動或旋轉(zhuǎn)運動用的動密封； f． O 形密封圈的尺寸，各種密封溝槽的 所有 要求，均可按 GB3452． 1— 92 方便選用，備件易解決。 O 形密封圈與其它密封圈相比 不足之處有 ： ，起動摩擦阻力較大。一般情況下，起動摩擦阻力約為動摩擦阻力的 。 b．用于動密封，速度高列一定程度時，易發(fā)生滲漏現(xiàn)象。 應(yīng)用場合 : O型密封圈 主要用于靜密封和往復運動密封。用于旋轉(zhuǎn)運動密封時，僅限于低速回轉(zhuǎn)密封裝置 。 矩形密封圈： ，是可用于雙向密封的固定密封件。 如圖 16， 由安裝時所施加的予接觸壓力，使其在徑向和軸向產(chǎn)生初始的密封性能。這種接觸壓力。因液壓系統(tǒng)壓力而相應(yīng)加強。這樣就產(chǎn)生了隨液壓 系統(tǒng)壓力而增大的總密封壓力。 采用了 較 好的彈性材料， 使得 它在壓力作用下 的性能，和具有高表面張力的液體相似，因而壓力能均勻地向各個方面?zhèn)鬟f矩形圈的截面面積以及其截面特征，在溝槽中有較高的填充度 。這就表明 了它具有工作可靠性高、密封性好及壽命長的特點 。 ，在頻繁或長期壓力沖擊下， 長時間后 ，會 造成 少量密封材料從低壓側(cè)間隙中被剪切 而擠出。這一現(xiàn)象，被稱之為 “ 擠出損壞 ” 。 若 采用矩形圈時，則不會出現(xiàn) “ 擠出損 壞 ” 。 。 Ｏ形圈工作壓力為 32MPa，矩形圈工作壓力為 50MPa。當Ｏ形圈用于徑向密封時，而壓力又超過 10MPa時，就需要在低壓側(cè)增設(shè)擋圈，以防止擠出 損壞。而在使用矩形圈時，則無需再設(shè)置擋圈。 應(yīng)用場合： 5 主要零部件的設(shè)計與計算 第 23 頁（共 38 頁） 一般安裝在外圓或內(nèi)圓上截面為矩形的溝槽內(nèi)起密封作用。 （ 2）材料的選擇： o型密封圈： o型密封圈的材料應(yīng)按不同的要求進行選擇，適當?shù)剡x擇合成橡膠的種類和匹配，可使 O型密封圈在 60℃～ 200℃的范圍內(nèi)使用，一般用于氣動、液壓等機械中的封材料有丁腈橡膠、氯丁腈橡膠、苯乙烯橡膠、硅橡膠和氟橡膠。在這里我們選用氟橡膠。 氟橡膠的特性： A種氟橡膠是六氟丙烯和偏氟乙烯的共聚物（ CF2CH2CFF 3CF2）n氟橡膠不僅適用于高溫礦物油，而且在二脂潤滑油、硅潤滑油、硅油、鹵族碳氫化合物、磷酸系液壓油、酸等介質(zhì)中也能很好地使用，但它耐酮和耐氨性較差。 矩形密封圈： 選擇石墨。 選用的 封圈尺寸如下： （ 1）活塞處密封圈分別為 Φ 115? Φ ? Φ 125? Φ ? 2 （ 2）滑套處密封圈為 Φ 45 Φ 2； （ 3）內(nèi)中心管處密封圈尺寸為 Φ 75? Φ ? 2； （ 4）上錐體矩形密封圈為 Φ 117? Φ 108? 8。 圖 15 O 型密封圈示意圖 圖 16 矩形密封圈示意圖 膠筒 的設(shè)計 封隔器的“心臟”部件是密封元件，決定著封隔器井下工作的成敗與性能的好壞。隨著發(fā)展的需要相繼出現(xiàn)了金屬或尼龍等材料的密封元件。但仍以膠筒為主，在液壓推力作用下，膠筒受到軸向壓縮作用發(fā)生變形，壓緊封隔器套管壁，起到封隔作用，Y445152 注汽封隔器設(shè)計 第 24 頁（共 38 頁） 在 各種 作業(yè)中發(fā)揮了 至關(guān)重要 的 用處 。 根據(jù)膠筒的材料性能和力學特征 ,以及工作性能出發(fā)， 根據(jù)實際工況選用不同的橡膠；并通過膠筒結(jié)構(gòu)尺寸及性能要求進行膠筒的改進。 (1)膠筒材料的選擇 一般使用的橡膠材料主要有 ：丁腈橡膠、氟橡膠、氫化丁腈橡膠 三種 。 丁腈橡膠由于具有較好的耐溫性，較好的抗張強度和彈 性，并且在價格上又較為低廉，因此在壓縮式封隔器膠筒中被廣泛應(yīng)用；氟橡膠具有較好的耐溫性和抗老化性能 ,但抗張強度和彈性均隨溫度的升高而明顯降低，故相對于丁腈橡膠來說用量較少；氫化丁腈橡膠是 80 年代中期開發(fā)并投入批量生產(chǎn)的一種新型橡膠，其耐溫性、抗張強度和彈性等其他性能都明顯高 于以上兩種橡膠，但價格較貴。（對比詳情見表 6 和7） 表 6 氟橡膠在不同溫度下的性能變化 性能 溫度（℃） 24 150 260 抗張強度（ MPa） 伸長率（ %） 330 120 80 硬度（邵爾 A） 75 65 63 表 7 丁腈橡膠與氫化丁腈橡膠性能對比 性能 膠筒 丁腈 氫化丁腈 抗張強度（ MPa） 16 27 伸長率（ %） 300 280 硬度（邵爾 A） 78 78 永久變形（ %） 21 通過 上表對比 可以 得 出： 丁腈橡膠 適用于 耐溫和耐壓要求不太高的膠筒； 氫化丁腈橡膠適用于 耐溫和耐壓要求較高的膠筒 。而 根據(jù) Y241114 封隔器所適用的工作環(huán)境以及最佳經(jīng)濟性的原則， 可確定 該封隔器所用材料為丁腈橡膠，其結(jié)構(gòu)形狀如下圖17 所示，具體尺寸見零件圖。 5 主要零部件的設(shè)計與計算 第 25 頁（共 38 頁） 圖 17 Y445152型膠筒示意圖 （ 2）根據(jù)坐封壓力驗證設(shè)計的尺寸 已知：設(shè)計的膠筒外 直徑 1? =150mm，膠筒的內(nèi)直徑 0? =121mm,膠筒的自由高度H=106mm。 保證密封元件所需的總壓縮力為 F = ?F + PF? 式中： ?F 將密封元件壓縮到接觸套管所需的壓縮力， N； PF? 在壓差 p? 的作用下，為達到密封所需的壓力， N。 而 )(12 100 RRERF ??? ??? ?? 式中： E膠筒彈性模量， E= ?0R 套管內(nèi)半徑， ?0R =78mm ? 泊松比 ， ? = 可得： ?F =。 而 )1(4 ))(( 020212020zP hfRRRRRPF ?? ? ? ????? 式中： p? 膠筒承受的工作壓差， p? =17MPa f膠筒與套管間的靜摩擦系數(shù)， f= z? 膠筒的軸向相對變形。 由下式 : 2020 100 )(2 RR RRRz ? ?? ? ??? 可得： z? = )7578(782 22 ?? ??? 代入上式可得： PF? =。 Y445152 注汽封隔器設(shè)計 第 26 頁（共 38 頁） 故可得坐封力： F=。 又 SFP? 式中 :S為膠筒與擋環(huán)的作用面積。 可知： S的最大面積為 2322 )121150(41 mS ??????? S的最小面積為 21022 )121127(41 mS ??????? 所以： P的最小值為 MP aP 3 ??? ? P的最大值為 MP aP 710 ???? ? 而給定的坐封壓力為 18MPa，在兩者之間，故滿足設(shè)計的要求。 其他零部件的設(shè)計計算 活塞的行程計算 在坐封過程中，活塞的行程 為 上錐體與膠筒的行程之和 加上空行程 ，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。 活塞的下移長度 L=S+H+l 其中 S— 膠筒壓縮距； H— 上錐體下移距離。 0L — 活塞的空行程。 (1)上錐體下移距離 H： 圖 18 上錐體下移距離 5 主要零部件的設(shè)計與計算 第 27 頁（共 38 頁） 如圖 18所示。 已知卡瓦的錐角 =190 a a n ??????? LH mm (2)膠筒壓縮距 S 桶形膠筒的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為外徑，內(nèi)徑和高度。假設(shè)膠筒壓縮前后體積不變，可得 ))(()( 21232122 HHRRHRR ??????? 式中 1R 膠筒內(nèi)半徑； 2R 膠筒外半徑； 3R 套管內(nèi)半徑： H膠筒自由高度； ? H壓縮距。 整理后得 )1)(( 21232122 HHRRRR ????? 膠筒的線應(yīng)變 ? = HH? 即可得 )1)(( 21232122 ????? RRRR 由前面的膠筒設(shè)計可知其中： 1R =, 2R =75mm, 3R =78mm， H=53mm。 即可得： ? = 而 ? = HHH )( 0? 其中： 0H 為膠筒工作狀態(tài)下的高度。 即可得 0H = 而 S=H 0H Y445152 注汽封隔器設(shè)計 第