【正文】 以前這些具有重要作用的密封元件主要是用皮、革、麻、石棉等纖維質的材料，所以不能完全防止泄漏。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)品質量，有時還會造成設備和人身事故。當用于低速運動的 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。 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。外泄還會造成工作環(huán)境污染、浪費油料等一系列弊病。 5in（指公稱直徑）膠筒為 60～ 70mm左右。 （ 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。 （ 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－井內液體比重，公斤 /厘米 2。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。 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、坐封載荷和套管內徑大小等因素。 解封剪釘?shù)脑O計計算 1) 材料選擇：剪釘 材料選用 35CrMo,它的許用應力 [τ]= MPa 2) 剪釘?shù)闹睆接嬎悖荷咸嶂行墓埽魯嘟夥怃N釘，實現(xiàn)解封，解封力F=6080kN均布 8個 . 當 F=60kN時， ? ? 106044 63 ??? ???? ???n Fdmm 當 F=80kN時， ? ? 108044 63 ??? ???? ???n Fdmm 取 d=5mm。 當 p=17 MPa 時 ? ? 102954 626 ??? ?????? ? ???n psdmm 當 p=19 MPa 時 ? ? 102954 626 ??? ?????? ? ???n psdmm 取 d=5mm。 丟手剪釘?shù)脑O計計算 1) 材料選擇：剪釘材料 選用 20CrMo,它的許用應力 [τ]=295Mpa。 根據(jù)上述公式， 當 p=11MPa時 , ? ? ? ? 6226??? ?????? ? ???n psd mm 當 p=13MPa時 , ? ? ? ? 6226??? ?????? ? ???n psd mm 取 d=6mm。 當 p=5MPa時 ? ? ? ? 46226??? ?????? ? ???n psd mm 當 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。 坐封剪釘?shù)脑O計計算 1）材料的選擇： 剪釘材料選用 35CrMo,它的許用應力 [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畢業(yè) 設計 （本科論文） 34 剪斷，故按 τ≥[τ]時計算，取臨界值 τ=[τ]。 西安石油大學畢業(yè) 設計 （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 彈簧的結構參數(shù) 參數(shù)名稱及代號 計算公式 結果 中徑 D2 D2=cd=5 2=10 10 內徑 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。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，同時應具有足夠的韌性和塑性，以及良好的可熱處理性。 綜上 ,L=S+H=60+=。 (1)上錐體下移距離 H： 如圖 所示。 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。 通過對相當應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力，可在設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。 ? ??? ??? tgn WQ zk 式中： Qk－壓緊力， N； α－楔形角； υ－摩擦角。 表 35 40Cr的熱處理及力學性能 牌號 式樣尺寸 /mm 熱處理方法 力學性能 供應狀態(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，它的設計質量直接影響到封隔器等井下工具的坐封可靠性和安全性。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，把它設計成兩面都是錐體，具體結構如下圖： 材料的選擇 材料選擇 40Cr, 因為卡瓦在井 內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。 表 物理機械性能 配方編號 501號 29號 強度 （公斤 /平方厘米） 伸長（ ％） 變形 （％ ) 硬度（邵氏 ) 130 155 0 89 252 250 3 82 卡瓦的設計計算 卡瓦的結構設計 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。 2） 膠筒的技術參數(shù) 主要技術參數(shù) 工作壓力： 50公斤 /平方厘米 工作溫度： 120攝氏度 使用套管內徑 : 圖 長膠筒 圖 短膠筒 西安石油大學畢業(yè) 設計 （本科論文） 28 3） 膠筒配方及物理性質 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 。這種膠筒結構為三單元膠筒，有兩個長膠筒和一個短膠筒組成。 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。 Ft?膠筒的抗剪切力， N； Δp?膠筒承受的工作壓差， Pa； R2?套管內半徑， m； R1?膠筒座外半徑， m。 （ 2） 膠筒的耐壓性能 對不加“防突”結構的封隔器膠筒進行受力分析，如圖 所示。 表 丁腈橡膠與氫化丁腈橡膠性能對比 性能 中膠筒 端膠筒 丁腈 氫化丁腈 丁腈 氫化丁腈 抗張強度（ MPa） 16 27 伸長率（ %） 300 280 175 210 硬度（邵爾 A） 78 78 90 86 永久變形（ %） 21 18 綜上所述，封隔器膠筒的耐溫性能與材質密切 相關，對于耐溫和耐壓不高，或工作溫度較高而工作時間較短的膠筒，可優(yōu)先選用丁腈橡膠。 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 。由于對熱敏感的雙鍵部分被消除，因而耐熱性能明顯提高，加之保留了氰側基（ — CN），仍具有丁腈橡膠的耐油性能； 強伸性能和耐磨性能高。有人曾用氟橡膠制作膠筒，未獲成功。見表 。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，最終因受結構的限制，在高溫高壓下，其不飽和雙鍵易斷開，使鏈狀結構受到破壞而導致膠筒失效。未加補償填充劑丁腈橡膠的抗張強度為 3～ ，而加補強填充劑后抗張強度增大到 25～ 30MPa。 1） 丁腈橡膠 壓縮式封隔器膠筒采用丁腈橡膠較好。目前橡膠硫化體一般采用無硫硫化體系，有利于提高其耐溫性能。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。膠筒的耐溫性能與材質密切相關。 設計計算 膠筒的設計計算 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，當封隔器膠筒承受軸西安石油大學畢業(yè) 設計 （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。當液壓力達到 一定值后，剪斷丟手剪釘，丟手短節(jié)下移，被防脫環(huán)擋住，液體從束爪上的縫隙中流出，實現(xiàn)泄壓。為此，選用內爪式丟手機構。將幾種不同結構的丟手機構組合在一起，也是一種提高 可靠性的辦法，但會增加成本和加工難度。如果用于可回收管柱的作業(yè)中，在下接頭內部加工一個內錐螺紋即可實現(xiàn)。 這種丟手機構的特點是運動機構均設計在管柱內，不會因管柱與井壁的摩擦而引起操作；二是張緊套、球及內爪等所有零件均隨上部管柱的提出而起出，不會給管柱端部留下阻礙。整個丟手機構隨著管柱下入井中，到位后再下壓一點距離，使內爪處于環(huán)形槽的中部，避免內爪斜面與環(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。 西安石油大學畢業(yè) 設計 （本科論文） 24 2) 內爪式丟手機構 圖 內爪式丟手機構 內爪式丟手機構主要用于油管柱和套管柱的丟手作業(yè)中，其結構如圖 。當鉆具再井下遇卡時，從井口投入一個膠塞，膠塞下行剪斷堵塞，液壓孔貫通。 （ 3） 其它丟手機構 1) 牙嵌式丟手機構 圖 牙嵌式丟手機構 牙嵌式丟手機構式一種用來傳遞大扭矩和重載荷的可旋轉丟手機構，可用于石油鉆井的井下工具中，作為安全接頭使用（如圖 ），在上接頭和滑套之間設計有相互嚙合的牙嵌；滑套和下接頭之間設計有花鍵聯(lián)接。當封隔器坐封完畢需要丟手時，從管柱內加壓，控制液缸剪釘剪斷，液體壓力推動控制液缸下行，當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。 2) 液壓爪式丟手機構 圖 液壓爪式丟手機構 液壓爪式丟手機構主要用于采油作業(yè)中，當需要機械坐封封隔器時 ，常用這種結構。當工具在井下遇卡時，扭矩超過摩擦環(huán)鎖承受的設計扭矩時，反螺紋松開，內外筒脫開，內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。 （ 2） 可旋轉的丟手機構 1） 摩擦式丟手機構 圖 摩擦式丟手機構 摩擦式丟手機構也叫摩擦式安全接頭（如圖 ），主要用在石油鉆井井下工具中，常用在取心筒上，其關鍵零件是內外筒之間的摩擦環(huán)，在摩擦環(huán)的 2個端面上，通過焊接 或機加工，變成凹凸不平并帶有尖銳突出物的表面，內外筒擰緊后依靠摩擦環(huán)的 2 個摩擦端面?zhèn)鬟f扭矩。 這種丟手機構雖然簡單，但管柱的全部質量完全依靠滾珠來承擔，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。 4） 滾珠式丟手機構 圖 滾珠式丟手機構 這是最簡單的丟手機構，主要用于油管柱和套管柱的丟手作業(yè)，其結構如圖。工作時，在管柱下井后，從井口頭膠塞， 通過丟手機構，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，活塞上設計有推動環(huán)，推動爪子向內收縮，從而將管柱遇下接頭脫開，實現(xiàn)丟手。 這種丟手機構首先是承載能力大，可以承受幾百噸的載荷；其次是卸荷套消除丟手螺母的軸向載荷后，丟手螺母與套管柱之間有相對運動時，減少了摩擦力的影響，確保丟手螺母順利倒螺紋并脫開。丟手機構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。因此，在丟手工具的上下必須加裝剛性扶正器，以避免丟手工具與外層管柱相摩擦。 這種丟手機構與前一種丟手機構相比，原理相同。 圖 為一個動作機構外置的非投球式丟手機構，同樣用鎖塊將上下接頭連