泥浆脉冲发生器活塞往复运动密封装置设计

林 坤，马朝选，郭嗣杰

(中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北 邯郸，056027)

·开发设计·

泥浆脉冲发生器活塞往复运动密封装置设计

林 坤，马朝选，郭嗣杰

(中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北 邯郸，056027)

无线随钻泥浆脉冲发生器活塞往复运动密封装置在高温和高压环境下工作，既要保证密封可靠，使用寿命长，又要运动平稳，防止运动不平稳卡死。介绍了活塞往复运动密封装置结构，给出了核心部件主阀筒、活塞和耐磨套的设计。利用Y型密封圈的自密封作用，一对Y型密封圈背靠背安装在活塞上，做双向密封。主阀筒内装有耐磨套和弹簧，活塞通过螺纹跟信号阀杆连接。在井下工作时，在泥浆压力和弹簧的作用下，信号阀杆带动活塞在该往复运动密封装置内做往复运动，活塞在耐磨套内运动，其范围不会超出耐磨套长度。现场试验该密封装置未曾发生泄漏现象，密封效果良好。

随钻测量；动密封；活塞；往复运动；Y型密封圈

0 引 言

密封的作用就是将接合面间的间隙封住、隔离或切断泄漏通道，增加泄漏通道中的阻力，或者在通道中加设小型做功元件，对泄漏物质造成压力，与引起泄漏的压差部分抵消或完全平衡，以阻止泄漏。往复动密封除了要承受介质压力外，还必须承受相对运动引起的摩擦、磨损；既要保证一定的密封，又要满足运动性能的各项要求。

泥浆脉冲发生器是无线随钻测量系统中的重要组成部分，其主要功能是将井下测量信号转换为泥浆脉冲信号传至地面。现有泥浆脉冲发生器活塞往复运动密封装置在井下几千米工作，长时间经受高速流动泥浆冲蚀，耐冲蚀性较差，使用寿命较短，从而无法保证无线随钻测量系统长时间稳定工作。在主阀筒内，活塞上的密封圈与主阀筒直接接触，极易被泥浆中杂质拉伤，腐蚀出环形不规则圆坑，造成密封失效，严重影响使用寿命。本文对泥浆脉冲发生器活塞往复运动密封装置进行研究和分析，对该装置进行方案设计，给出了主阀筒、活塞和耐磨套的设计，取得了很好的密封效果良好。

1 密封圈的选择

Y型密封圈的截面呈Y型，如图1所示，Y型密封圈两唇高度相等，唇边在密封耦合零件两壁面上的压应力相同。

图1 Y型密封圈

由于Y型密封圈结构简单紧凑、抗根部磨损能力强，工作位置较稳定。因此，在泥浆脉冲发生器活塞往复运动密封装置中选用Y型唇型密封圈，唇口要对着压力高的一侧，才能发挥作用。同时，由于Y型密封圈只能作单向密封，该装置选用一对Y型唇型密封圈作双向密封。

工程中往复运动密封中常用的材料丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、氟橡胶和硅橡胶，由于氢化丁腈橡胶耐热性、耐碱性、耐油性和物理机械性能优于其它三个，所以选用硬度为邵氏70的氢化丁腈橡胶用作活塞往复运动密封装置的Y型密封圈材料。

2 Y型密封圈的密封原理

Y型密封圈依靠其张开的唇边贴于密封副耦合面。Y型密封圈装于沟槽中的接触压力分布如图2所示，在没有内部压力时，唇尖的变形产生接触压力很小。在密封的情况下，受内部压力作用，与介质接触的每一点上均有与内部压力相等的法向压力，所以Y型密封圈底部将受到轴向压缩，唇部受到周向压缩，唇与密封面接触变宽，同时接触压力增大。当内压再升高时，接触压力的分布和大小进一步改变，唇部与密封面配合更紧密，所以密封性更好，这就是Y型密封圈的自密封作用[1～3]。

图2 Y型密封圈的接触压力分布

3 活塞往复运动密封装置的方案设计

基于无线随钻活塞工作在高温(150℃)和高压(120 MPa)环境下，活塞往复运动密封装置结构设计应考虑的因素： 1)结构设计尽量简单，装拆方便，起到双向密封作用； 2)活塞在缸体内做往复运动运动的过程中，要求活塞运行平稳，摩擦系数要尽可能小，防止活塞在耐磨套中运行的不平稳发生卡死的现象； 3)随着测井深度的增加，保证在高温高压的环境下具有良好的密封性能[4-9]。

无线活塞往复运动密封装置的结构设计示意图如图3所示。

1-信号阀杆;2-引鞋;3-O型密封圈;4-Y型密封圈;5-阀杆限流环;6-活塞;7-耐磨套;8-主阀筒;9-弹簧。图3 活塞往复运动密封装置结构设计方案

信号阀杆1安装在引鞋2内，一对Y型密封圈4安装在活塞6上。先从主阀筒8内装入耐磨套7，然后装入弹簧9。信号阀杆1和活塞6通过螺纹连接。在井下工作时，在泥浆压力和弹簧9的作用下，信号阀杆1带动活塞6在该往复运动密封装置内做往复运动，其活塞6在耐磨套7内运动，其范围不会超出耐磨套7长度，Y型密封圈7背靠背安装。O型密封圈3用作静密封，防止泥浆从引鞋2处进入活塞6。

3.1 主阀筒的设计

主阀筒的结构如图4所示。主阀筒的材料采用铍青铜材质，经过双重时效处理，硬度达到HRC36～40，使用寿命大大提高。主阀筒总长L5，为直径ΦD圆筒，主阀筒一端为外螺纹，外螺纹端外圆自端面轴向向内有长度为L1加工区。该区域加工有外螺纹及两道密封槽，用于与其它部件相连。密封圈槽位于外螺纹两侧，另一端为内螺纹，自端面轴向延伸，由一段连接过渡段及一段内螺纹段组成。

主阀筒内部为四段不同内径的阶梯状通孔。第一圆孔段自主阀筒外螺纹端向内L2加工出内径Φd1圆孔段，提供泥浆通道。第二圆孔段自本体外螺纹端向内L2处开始至L3处为内径Φd2圆孔段，用于安装主弹簧。第三圆孔段自本体外螺纹段L3处开始至L4处为Φd3圆孔段，耐磨套安装于该段。第四圆孔段7自本体外螺纹段L4处开始至本体末端，该段加工一段内螺纹段及一段内径为Φd4的连接过渡段，用于与引鞋连接。主阀筒内螺纹段轴向延伸L6处均布多个圆通孔，连通主阀筒内外，正常工作时，一部分泥浆可从此排出，防止主阀筒内部泥浆淤积，影响信号阀杆运动。

图4 主阀筒结构

3.2 活塞的设计

为了保证活塞的功能和使用寿命，活塞设计时应考虑的因素：1)活塞与耐磨套之间摩擦系数小，摩擦力小，磨损量小，提高使用寿命；2)耐磨性好，热膨胀系数低，在温度变化的时候变形量要小，和缸体壁之间始终要保持较小的间隙[10，11]。

由于铍青铜材料经过热处理后，具有高的强度、和弹性极限，弹性滞后小，稳定性好，并且具有耐疲劳、耐磨、耐低温、高导电导热性等性能，因此活塞选用铍青铜材质，经过双重时效处理，硬度达到HRC36～40。活塞的结构如图5所示，考虑到加工难易程度，把动密封沟槽开在活塞上，活塞动密封沟槽底径为Φd，活塞配合直径为ΦP ，密封沟槽轴向长度为L，活塞两端直径为ΦD1，泥浆通道直径为Φd1 ，活塞内部有内螺纹，用于连接信号阀杆。

图5 活塞结构

为了保证装置的往复运动密封性能，要求活塞加工精度很高，以保证活塞的表面粗糙度。表面粗糙度的大小，对活塞的使用性能影响主要表现如两个方面[12，13]：1)表面粗糙度影响活塞的耐磨性。表面粗糙度越小，活塞与缸体之间的有效接触面积就越大，压强就越小，磨损就越慢，活塞的寿命提高。2)活塞与缸体之间的配合属于间隙配合，活塞表面越粗糙，越容易磨损，使工作过程中间隙逐渐增大，活塞与缸体之间无法严密地贴合，造成密封失效。活塞的表面粗糙度要求为轮廓的算术平均偏差 0.4～0.6 μm。为保证活塞密封的可靠性并有效减小摩擦，对活塞外表面的圆柱度和表面光洁度应有较高的要求，加工时还要保证活塞外圆的形位公差。

3.3 耐磨套的设计

耐磨套的结构如图6所示，耐磨套的内径为Φd，外径为ΦD，长度为L。Y型密封圈通过的部位，不得有尖角、毛刺，这些加工痕迹通常都非常坚硬和锋利，很容易刮伤Y型密封圈的唇部。为此，在设计时，在耐磨套的内表面倒成1×15°的倒角。

图6 耐磨套结构

在装置工作过程，耐磨套与活塞存在着相对运动，必须精密加工，对圆柱度公差和表面粗糙度度应有较高的要求。为了避免线性或非线性误差，对耐磨套的同轴度公差有较高的要求，不得出现鼓形、锥形和细腰形。

若主阀筒与Y型密封圈直接接触时，接触部位在活塞频繁往复运动下极易被泥浆中杂质拉伤因而腐蚀出环形不规则圆坑，从而造成活塞往复运动密封失效，导致仪器无法工作，严重影响使用寿命，同时由于主阀筒只能整体更换，大大的加重了使用成本，造成了很大的浪费。

耐磨套避免了Y型密封圈与主阀筒直接接触，采用钛合金材质，耐冲蚀性好，且即使冲损坏也便于更换。由于耐磨套壁很薄，使用材料很少，因此成本低廉，采用该种方式主阀筒的使用寿命提高近两倍。

该活塞往复运动密封装置在内蒙古乌审旗的苏77-0-46定向井中现场试验500 h，未发生泄漏现象，密封效果良好。该密封装置达到了设计要求，能够满足实际需要。

4 结束语

无线随钻泥浆脉冲发生器活塞往复运动密封装置核心部件中的主阀筒和活塞采用铍青铜材质，经过双重时效处理，使用寿命大大提高。主阀筒内部设置为四段不同内径的阶梯状通孔，提供泥浆通道并与无线随钻其它部件相连、密封；在主阀筒、活塞之间设置耐冲蚀性好的钛合金材质的耐磨套，避免了Y型密封圈与主阀筒直接接触，提高了主阀筒的使用寿命。

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Design on Piston Reciprocating Motion Seal Device of the Mud Pulse Generator

LIN Kun, MA Chaoxuan, GUO Sijie

(The718ResearchInstituteofCSIC,HandanHebei056027,China)

Piston reciprocating motion sealing device for the mud pulse generator in wireless measurement while drilling worked under high temperature and high pressure environment. It was necessary to ensure not only reliable sealing and long service life, but also a stable movement to prevent the stuck movement of the uneven stability. The structure of the piston reciprocating seal device was introduced, and the core component of the main valve cylinder, piston and wear resistant sleeve were designed. Using the self-sealing effect of Y-ring, a pair of Y-ring was mounted on the piston back to back, two-way seal. The main valve cylinder was provided with a wear-resistant sleeve and a spring, and the piston was connected with the signal valve stem through a screw thread. The piston was drive by the signal valve rod to do reciprocating motion in the reciprocating motion sealing device under the action of the mud pressure and the spring under the well. The piston can move within the wear resistant sleeve, and the range of the piston cannot exceed the length of the wear resistant sleeve. The field logging test had not leakage phenomenon. The sealing effect was good.

measurement while drilling; dynamic seal; piston; reciprocal motion; Y-type seal ring

林 坤,男，1982年生，工程师，毕业于哈尔滨工业大学机械电子工程专业，现主要从事石油测井仪器研发工作。E-mail：65681716@163.com

TH138

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2096-0077(2016)06-0019-04

2016-03-14 编辑：高红霞)