缸体加热装配理论与实验研究

索忠伟， 尹慧博， 张海平， 张仁龙

（中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，北京100101）

缸体加热装配理论与实验研究

索忠伟， 尹慧博， 张海平， 张仁龙

（中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，北京100101）

针对射流冲击器缸体在水平井应用中内壁断裂的问题，提出了一种新的加工工艺，即采用加热装配的方式加工缸体，在缸体热装方案设计中确定了缸体热装的加热温度、过盈量及承压力等关键参数。并采用了模拟试验的方式验证了热装方案设计的合理性，最终成功实现了冲击器缸体热装装配。采用此加工工艺加工缸体，使缸体内壁厚度从原来的5 mm增大到10 mm，大幅度提高了缸体的强度，解决了缸体内壁断裂问题。通过热装温度、加热时间的理论计算，确定了缸体加热装配方案及缸体加热装配的过盈量，进行了外缸加热膨胀量变化规律试验，在此基础上实现了缸体加热装配，对热装缸体进行了打压试验及台架检测试验，验证了缸体加热装配的可行性，为缸体质量提升找到了一种新的加工方法。

射流冲击器；缸体；加热装配

0 引言

射流冲击器在垂直井应用中取得了显著的效果，并逐步推广应用，目前射流冲击器已拓展应用到水平井。实验在KHA1-63井进行，钻具组合是常规钻具加冲击器和井下马达。在同时使用冲击器加井下马达情况下，平均机械钻速为5.0 m/h，比相邻井段使用同型号钻头（MXL-55DXO）只使用井下马达机械钻速（2.5 m/h）提高了1倍，验证了射流冲击器与井下马达配合使用具有显著的提速效果。

虽然射流冲击器配合井下马达提高了机械钻速，但射流冲击器井下工作寿命短，只工作15h。造成工具工作寿命短的原因是缸体失效，即在缸体内壁流道一侧出现了断块。为了查找出问题的原因，对缸体进行了材料分析、受力分析，并对断块进行了强度分析，分析结果证明，内壁强度系数低是造成缸体断裂的主要原因。因此，进行了缸体加热装配理论与实验研究。制定了缸体热装设计方案，将缸体和外缸采用过盈配合的方式进行热装。采用此加工工艺加工缸体，使缸体内壁厚度从原来的5mm增大到10 mm，大幅度提高了缸体的强度，可解决缸体内壁断裂问题。

1 缸体热装加工方案设计

1.1 热装温度计算

选用过盈配合中的优先配合方式中的重型压入配合公差H7/u6，用热胀（孔套）冷缩（轴）的方法装配，此种情况下要求材料的许用应力要大，40CrMnMo的抗拉强度σb≥980 MPa，屈服强度σs≥785 MPa，满足条件。

因过盈配合的热装过程中需对缸体在外缸的轴向位置进行定位，采用台阶定位，加工缸体部分尺寸为φ132 mm，因此配合尺寸为φ132H7/u6，故孔的尺寸为φ132，轴的尺寸为φ132+0.195+0.170，过盈量为0.130～0.195mm，最大过盈量为0.195 mm，最小过盈量为0.130 mm，热装加热温度为：

式中：d为配合公称直径，mm；α为加热零件材料线膨胀系数，1/℃，见机械设计手册铬钢的线膨胀系数；σ为配合尺寸的最大过盈量，mm；δ为所需热装间隙，mm，当d≤200 mm时，δ取σ/2，当d≥200 mm时，δ取0.001d2或0.0015d2。

1.2 受力计算

1.2.1 可传递的轴向力计算

根据机械设计手册，计算过盈联结可承受的轴向力。承受轴向力情况下，可传递载荷的最小结合压力：

式中，pfmin为传递载荷所需的最小结合压力，N/mm2；eamin为包容件最小直径变化量，mm；Ea为包容件的弹性模量，取235 000，N/mm2；df为结合直径，mm；va，可查机械设计手册表，采用插值法取值。qa为包容件的直径比；va为包容件的泊松比。

结合面积

式中：AA为结合面积，mm2；df为结合直径，mm；ld为结合长度，mm；ld1为非结合段长度，mm。

最小结合压力可承受的轴向力：

式中，FxA为轴向力，N；pfmin为递载荷所需的最小结合压力，N/mm2；μ为摩擦因数。

由以上计算可知，该结构热装后可承受的轴向力为167 272.38 N。

1.2.2 可承受的流体压力计算

根据计算所得的过盈联结可传递轴向力，计算可承受流体压力，假设流体压力全部作用在如图1所示的3个面上无压力差，P1=P2=P。

图1 热装缸体受流体压力图

可承受的流体压力

式中，PA为可承受的轴向压差，N/m2。

计算得热装承受的轴向流体压力为7 272 712.2 Pa，即7.27 MPa。

1.2.3 实际承受冲击动载计算

根据动量守恒，F动t=驻mv，结合冲击器的冲击测试试验所得的实验数据，计算得出最大可参考冲击力：

式中：F动为冲击动载，N；m为冲锤和活塞的总质量，kg；vmax为30 L/s、90 mm行程下的最大冲击末速度试验数据，m/s；Hmax为30 L/s、30 mm行程下的最大冲击频率试验数据。

1.3 热装工艺

1）加热前的准备工作。清理干净配合表面，复检直径、凸台、圆角和导角等配合尺寸。热装前做好热装位置的标记。

2）加热时间和保温时间计算。零件的加热时间和零件的结构、壁厚材质和加热方法有关，一般可按零件的壁厚考虑，经验数据是每10 mm壁厚需15 min的加热时间。

保温时间与壁厚有关系，经验数据是每10 mm壁厚需保温5 min。

3）绘制加热保温曲线。由之前计算得知热装温度为209℃，外缸壁厚为23 mm，计算得加热时间和保温时间分别为 34.5 min和11.5 min。绘制加热保温曲线如图2。

图2 加热保温曲线图

4）加热后的装配。按照加热保温曲线对外缸加热、保温。在正式缸体加热装配前，进行了外缸加热膨胀试验。

5）热装完成后的冷却方式。热装完成后，切断电源，但电阻丝和保温装置暂时不拆除，使外缸在保温层内逐渐冷却，避免直接暴露在空气中冷却。

6）热装完后的精加工及表面处理：（1）精磨处理。热装完成后需将外缸及缸体内径精磨到设计值。（2）表面硬化处理。采用表面渗氮的方式对该两处表面进行硬化处理。

7）热装完后的检测及试验。热装及表面处理完成后，专门制作打压工装，对热装的缸体进行打压试验，以检验其密封和承压性。

2 缸体加热装配试验

2.1 外缸加热膨胀试验

正式装配前，对热装外缸试验件进行了加热膨胀试验。加热温度分别为167℃、210℃、240℃、286℃、338℃，对应外缸内径膨胀量分别为0.10 mm、0.21 mm、0.28 mm、0.40 mm、0.48 mm。外缸内径加热膨胀量变化、加热时间和温度变化情况见表1。

表1 外缸试验件加热膨胀试验

2.2 缸体加热装配试验

将陶瓷加热履带缠绕外缸上，包上保温带，用铁丝缠牢。连接好加热装置，完成热装准备工作。根据外缸试验件加热试验结果，正式热装设定加热最高温度338℃，装配间隙设定为0.28～0.30 mm。分阶段加热外缸，进行了5个不同温度下的内径测量，设定温度分别为：164℃，210℃，240℃，300℃，338℃，对应直径分别为

当加热到设定338℃时，测量内径尺寸复合设定的装配尺寸，进行装配。热装试验测量数据记录见表2。因为装配间隙足够大（0.31～0.42），可一步到位，一次装成。

表2 缸体热装试验数据记录

3 缸体承压及启动试验

3.1 缸体打压试验

热装缸体打压试验，打压到12 MPa，迅速下降至10 MPa，随后缓慢下降至8 MPa压力趋稳。热装缸体承压8 MPa，此压力满足冲击器正常启动（2～4 MPa）。

3.2 缸体启动试验

将热装缸体组装到射流冲击器中，对射流冲击器进行了台架启动试验，启动排量13 L/s，启动压力2.2 MPa，可满足现场工况条件要求。

4 结论

1）射流冲击器缸体加热装配加工，在不改变冲击器性能的情况增加了缸体内壁强度，可解决缸体内壁断裂问题；

2）射流冲击器采用热装缸体启动排量13 L/s，启动压力2.2 MPa，工作稳定；

3）缸体加热装配试验成功，为延长冲击器使用寿命，特别是水平井使用寿命提供了一个新的加工工艺方法。

［1］ 闫恩刚，电加热实现过盈配合的工艺改进［J］.制造技术与机床，2012（3）：85-86.

［2］ 成晓杰，基于ABAQUS的套筒过盈配合有限元接触分析［J］.机械工程师，2012（2）：79-80.

［3］ GB/T1172-1999黑色金属硬度及强度换算值［S］.北京：中国标准出版社，2000.

［4］ 索忠伟，殷琨，等.射流式液动锤内部动力过程的数学模型及仿真分析［J］.吉林大学学报:地球科学版，2007，37（1）：200-203.

［5］ 邢学强.过盈装配在生产中的应用［J］.安徽冶金科技职业学院学报，2008（8）：30-31。

（编辑：昊 天）

TG 95

A

1002－2333（2014）04－0088－03

索忠伟（1970—），男，博士，高级工程师，主要从事钻井工程科研工作。

2014-01-14