摆动阀式脉冲器脉冲发生机构黏结工艺研究

郭心宇 王智明 高 建 罗登银 田博辉 陈 锟

（1. 中海油田服务股份有限公司，三河 065201；2. 自贡硬质合金有限责任公司，自贡 643000）

泥浆脉冲数据传输技术是以泥浆钻井液为介质，通过在井下安装可影响流道的装置，并根据井下随钻测井仪器采集的数据，控制装置按照一定规则动作来产生可传播至地面的压力脉冲，从而达到传输井下数据到地面的目的[1]。

基于摆动阀式脉冲发生原理，中海油田服务股份有限公司自主研发了高速率泥浆脉冲器，具有双向通信功能。它不仅可以以0.5 ～20 b·s-1的速率实时向地面传输井下数据，还可以通过泥浆涡轮发电机下传地面指令，实现对井下仪器工作模式的实时控制[2-3]。

摆动阀式脉冲器的脉冲发生机构部分始终在泥浆环境中工作。该机构由摆动阀、泥浆分流器以及分流罩等零件组成，其中泥浆分流器是发生机构的核心部件，由金属基体与硬质合金插件黏结而成，始终在泥浆环境中工作。它的工作环境温度可超过150 ℃，且由于泥浆为高速流动的固液双相流体，流动速度在l.4 ～3.5 L·min-1，黏度大。根据不同区块的配比，泥浆环境呈现弱酸或弱碱性，具有一定的腐蚀性[4]。

泥浆分流器在泥浆环境中主要会受到流体冲蚀、酸碱环境的腐蚀以及流体中固相颗粒的高速冲击，易导致泥浆分流器形态或者结构的失效。若泥浆分流器金属基体与硬质合金插件间黏结强度不足，甚至会因固相颗粒的冲击而发生破碎，而分流器碎片将在泥浆的带动下损坏钻铤及内部构件，造成憋压、仪器损坏以及作业失效等严重后果[5]。

文章以泥浆分流器黏结流程中的工艺为研究对象，研究表面粗糙度、胶层厚度、表面清洁以及涂胶工装等因素对硬质合金与金属基体黏结力的影响，并且通过受力分析与试验，验证影响因素，优化工艺参数，使黏结胶层固化后表现出更佳的黏结性能。

1 泥浆分流器结构与受力分析

1.1 泥浆分流器结构

泥浆分流器的装配方式如图1 所示。泥浆分流器由硬质合金插件和金属基体两部分组成，其中硬质合金插件以燕尾槽方式镶入钢体。每件泥浆分流器需镶入6 件硬质合金插件，并且通过胶层填充插件与金属基体间的缝隙。

图1 脉冲器泥浆分流器装配

1.2 泥浆分流器黏结流程

泥浆分流器的黏结流程如图2 所示。在黏结前需对待黏结零件进行清洁，在镶入过程中使用环氧树脂胶作为黏合剂填充插件与钢体件的缝隙，再将装配完成的泥浆分流器放入烘箱中做热固化处理，最后清理残胶，打磨光滑。

图2 泥浆分流器黏结流程图

1.3 泥浆分流器插件受力分析

脉冲器工作时，插件除承受流体冲蚀和流体中固相颗粒的冲击之外，还承受摆动阀反复开合过程中由水锤效应带来的瞬时压力。

摆动阀往复摆动工作中，插件承受流体拉力F1、水锤效应产生的压力F2、环隙产生的压力F3、流量变化产生的交变作用力F，还包括一系列二次作用力和多次作用力的组合力。

摆动阀脉冲器工作时存在3 种状态，分别为全开状态、闭合状态以及往复摆动状态。全开状态下，插件主要受F1、F2的作用，水锤效应产生的压力集中在插件平面，流体除了从全开的开口通过外，少部分通过摆动阀间隙产生复杂的水锤与涡流的反复组合，对插件产生压力F2。闭合状态下，插件主要受F2、F3的作用，水锤效应产生的压力集中在插件表面，流体全部通过摆动阀间隙产生复杂的水锤与涡流的反复组合，对插件产生压力F2。在往复摆动状态下，插件承受以上矢量方向力的反复交变作用，受力状态复杂且时刻变化。

泥浆实际作用在分流器插件上的应力复杂，包括剪应力、剥离应力和交变应力。由于偏心拉伸，应力集中发生在黏结面。除了剪切力之外，还有与界面方向一致的拉力和垂直于界面方向的撕裂力。此时，在剪应力作用下，被黏物越厚，接头强度越大。图3 为脉冲器泥浆分流器处受力情况。

图3 脉冲器泥浆分流器处受力图

剪切力过大时，会产生剥离应力，此时界面上存在拉应力和剪应力，力集中在胶层与钢体、硬质合金插件的黏结界面，容易损坏泥浆分流器。由于剥离应力的巨大破坏性，设计时必须避免采用产生剥离应力的连接方式。

2 影响因素分析及试验验证

2.1 表面粗糙度对黏结强度的影响

为探究表面粗糙度对插件与金属基体间黏结强度的影响，设计并加工测试样件3 组，每组测试样件包含上拉力机耦合杆、下拉力机耦合杆以及一件被测硬质合金样件，如图4 所示。

图4 测试样件

被测硬质合金样件可以通过加工过程中线切割工艺的不同，实现不同的表面粗糙度。黏结前，需对表面粗糙度进行检测，如图5 所示。本次试验3 组样件表面粗糙度分别为0.8 μm、1.6 μm、3.2 μm，且每组重复3 次试验。

图5 表面粗糙度检测

将上拉力机耦合杆、下拉力机耦合杆与硬质合金黏结后，放置在保温炉内升温、保温、冷却至室温，至此被测样件制备结束。制备后的被测样件，如图6 所示。

图6 制备后测试样件

测试样件制备完成后，将样件依次装入WFW-100 微机屏显式液压万能试验机，记录从加载拉力至耦合杆与被测样件脱开过程中记录的极限拉力值，并根据测得数据绘制粗糙度试验数值趋势，如图7 所示。

图7 粗糙度试验数值趋势图

从图7 可以看出，粗糙度对胶层的黏结强度有影响。粗糙度为1.6 μm 的黏结强度最大，粗糙度为0.8 μm 与粗糙度为3.2 μm 的样件黏结强度差距较小。分析发现，在黏结时黏合剂需要与被黏结物表面紧密接触，被黏结物表面粗糙度较大时，黏合剂填充表面凹陷，增大接触面积，提高了黏结强度。但是，表面粗糙度过大会导致黏合剂无法充分填充尽可能多的表面凹陷而形成空隙，减小黏结面积，从而影响黏结强度。

2.2 胶层厚度对黏结强度的影响

为探究胶层厚度对插件与金属基体间黏结强度的影响，设计并加工测试装置5 组，每组测试装置包含上拉力机耦合杆、下拉力机耦合杆以及一件被测硬质合金样件，如图8 所示。该测试装置通过控制拉力机耦合杆中环槽深度的大小控制胶层厚度。本次试验的5 组胶层厚度分别为0.05 mm、0.15 mm、0.25 mm、0.35 mm、0.45 mm，且每组重复3 次试验。

图8 测试装置（单位：mm）

将上拉力机耦合杆、下拉力机耦合杆与硬质合金黏结后，放置在保温炉内升温、保温、冷却至室温，至此被测样件制备结束。

将被测样件依次装入WFW-100 微机屏显式液压万能试验机并启动，观察拉力机耦合杆与被测硬质合金样件脱开后停止。脱开后样件如图9 所示。

图9 拉伸后样件

记录每次被测样件从开始加载至脱开过程中的极限拉力值，根据测得的数据绘制胶层厚度试验数据趋势，如图10 所示。

图10 胶层厚度试验数据趋势图

从图10 可以看出，胶层厚度是影响黏结强度的重要影响因素，不同胶层厚度测得的拉伸强度差别较大。当胶层厚度较小时，拉伸强度较低。随着胶层厚度的增加，拉伸强度升高。当胶层厚度超过0.25 mm时，拉伸强度下降，拉伸强度在厚度为0.25 mm 时达到极值。分析后发现，较厚的胶层易产生气泡、缺陷和早期断裂，热应力也较大，更容易使胶层内聚强度下降。当胶层厚度太薄时，不仅容易造成胶填充不足，接头强度下降，而且在黏结胶层固化后厚度过小，干胶层内部残余应力较大，强度越差。

2.3 清洗工艺选择

影响黏结面的因素有表面涂层、脏污、水分等，需借助一些设备仪器进行分析，如显微镜观察表面形貌。

金属表面常被一些有机物或无机物污染，致使黏结面表面能发生改变。如果污染物是一种表面能低的物质，则金属表面能随之下降，胶黏剂在金属上的润湿性变差，黏结强度变低。因此，在黏结前必须清理金属表面才能使其获得相应的黏结效果。

使用超声波清洗机对硬质合金插件与金属基体表面进行清洗，可以清洁接触面表面，并增强表面亲水性，提高黏合度附着力，增加黏结强度。

2.4 黏结工装改进的影响

黏结时，对黏结面施加压力，使黏合剂更容易填充被黏物表面的凹坑，从而减少黏结缺陷。对于低黏度的黏合剂，加压时会过度流动，导致黏合不足。因此，当黏度较高时应施加压力，促进被黏物表面的气体逸出，减少黏合区域的气孔。由于所用的环氧树脂胶是一种高黏稠、低流动性的黏合剂，需使用高压应用于固体或高黏度黏合剂。

如图11 所示，设计泥浆分流器合金插件压紧工装，通过在涂胶后合金端面施加均匀的压力，使黏合剂有效渗入硬质合金与分流器钢体的表面凹坑，形成有效的连接。若黏结完成后未在工件表面对胶层进行间接施压，则黏合剂无法有效渗入，将无法形成有效的连接。

图11 泥浆分流器合金插件压紧工装

3 结语

以中海油田服务股份有限公司自研的摆动阀式泥浆脉冲器所用的泥浆分流器黏结工艺为研究对象，通过试验验证黏结的表面粗糙度、胶层厚度的选择等对黏结质量具有较大影响，并且通过理论分析说明提高表面清洁程度与增加表面施加压力对提高黏结质量具有促进作用，以上因素共同影响胶层的黏结质量。

黏结面粗糙度为1.6 μm 时黏结强度最大，粗糙度为0.8 μm 与粗糙度为3.2 μm 的样件黏结强度差距较小。胶层厚度是影响黏结强度的重要影响因素，不同胶层厚度测得的拉伸强度差别较大，不同黏合剂的最佳黏结厚度需通过试验确定。使用超声波清洗机对硬质合金插件与金属基体表面进行清洗，可以使接触面表面清洁，并增强表面亲水性，提高黏合度附着力，增加黏结强度。设计合适的黏结辅助工装，通过在涂胶后合金端面施加均匀的压力，使黏合剂可以有效渗入硬质合金与分流器钢体的表面凹坑，增加黏结面积，有效提升黏结强度。文章优化了黏结工艺流程，提高了硬质合金插件与金属基体之间的连接处强度，对黏结工艺的优化具有促进作用。