專利名稱：復(fù)合式超彈性記憶合金熱采封隔器的制作方法
復(fù)合式超彈性記憶合金熱采封隔器是屬于石油機(jī)械工程領(lǐng)域中的一種稠油熱采密封專用工具—熱采封隔器。這是由前端蓋(1)、錐面環(huán)(2)、彈性短環(huán)(3)、主軸套筒(5)、熱敏材料(6)、塑料外套(7)、記憶合金彈性外環(huán)(9)和后端蓋(10)構(gòu)成。
為了保證稠油熱采的高壓蒸氣進(jìn)入指定油層，防止熱量的散失，熱采封隔器是必須的工具。原來使用的是氮氣隔熱和操作復(fù)雜的隔熱方法，近來產(chǎn)生了一種比較先進(jìn)的自封式封隔器，這類封隔器使用較早的是靠化學(xué)膨脹劑的體膨脹來完成座封，需要一個環(huán)形密閉的容器，注氣后井下溫度升高，膨脹劑氣化膨脹，使熱脹筒發(fā)生變形同時擠壓外部密封套達(dá)到座封的目的。上述使用的封隔器雖有密封良好，結(jié)構(gòu)簡單等特點，但因其僅能使用一次且解封可靠性差，而被雙金屬自封式熱采封隔器所替代，它是靠放置在沿母線方向均勻間隔的溝槽板條狀雙金屬片的膨脹與收縮達(dá)到座封、解封的功能。增加了使用次數(shù)，解封可靠的優(yōu)點。而此類封隔器是靠雙金屬的受熱彎曲座封，它存在下述不足是條形雙金屬片受熱只能在中間彎曲變形，當(dāng)注氣后雙金屬片弓出，這就擴(kuò)大了外經(jīng)，增大了表面積，各金屬片之間就出現(xiàn)縫隙，此縫隙造成無動力骨架影響密封性能。
凡是過去已有的封隔器技術(shù)原理，都沒有采用超彈性技術(shù)功能，沒有能很好解決面積補(bǔ)償問題。
針對已有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的是為彌補(bǔ)上述缺點而提出了一種面積補(bǔ)償?shù)陌l(fā)明思想，即從根本上解決了擴(kuò)徑后面積擴(kuò)大所造成的間隙問題。其設(shè)計原理及特征如下
一是設(shè)計主要采用彈性短環(huán)(3)、熱敏材料(6)和記憶合金彈性外環(huán)(9)的超彈性性能來實現(xiàn)擴(kuò)徑后的面積增加和縮徑時的面積縮小問題，這是由于超彈性材料具有在外力作用下發(fā)生變形和外力消失后立即恢復(fù)原形的特性，其結(jié)構(gòu)是由記憶合金制成雙層復(fù)合式的薄彈性筒，其中間段開有與母線平行的細(xì)口，兩層細(xì)口均勻錯開。單層和雙層的薄筒不做記憶功能處理而做超彈性處理，例如Fe-32Mn-6si系列記憶合金制造時需加防腐措施，又如用不銹鋼記憶合金Fe-14Mn-6si-9Cr-5Ni、Fe-8Mn-6si-13Cr-12Co等，因其耐蝕性的提高可直接應(yīng)用。也可用等原子比的Ti-Ni系記憶合金或用Cu-Al-Ni系記憶合金。但在價格上以鐵基記憶合金最低，其次是銅基合金，最貴的是Ti-Ni合金。耐蝕性能隨價格的增加而提高。
二是發(fā)揮形狀記憶合金(SMA)受熱變形的形狀可預(yù)先根據(jù)需要設(shè)定，將與母線平行方向排布的條形記憶合金片和雙金屬片縱橫交叉編織，達(dá)到注氣后動力作用均勻的效果。
附

圖1是本發(fā)明封隔器的裝配圖。其中1為前端蓋，起壓緊錐面環(huán)(2)、密封墊(8)和塑料外套(7)的作用。2為錐面環(huán)、3為彈性短環(huán)，通過螺紋緊固后，起壓緊固定帶有方波邊緣(圖4所示)的記憶合金片及間隔的S形雙金屬片之作用。4為中心管，兩端分別有油管及變徑頭連接的螺紋。5為主軸套筒與中心管(4)焊接在一起，其圓柱面上布置有縱橫正交、交叉的溝槽。6為熱敏材料，7為塑料外套，8為密封墊(兩端均有)，9為記憶合金彈性外環(huán)，安置在熱敏材料(6)和塑料外套(7)之間靠其高溫彈性變形，協(xié)助座封和解封。10為后端蓋，與前端蓋(1)作用類似。圖2至圖8是本發(fā)明的部分零部件圖。其中圖2為總裝配圖的剖視圖；圖3是應(yīng)用在封隔器的S型雙金屬片；圖4是記憶合金片的外形可見其方波邊緣是為了彌補(bǔ)擴(kuò)徑后的面積空缺；圖5是雙層記憶合金彈性外環(huán)(9)其縫隙錯開的結(jié)構(gòu)，也可用魚鱗結(jié)構(gòu)做單層部分套疊安置，這兩端非變形部分都不能有開口；圖6是中心管(4)的結(jié)構(gòu)圖上面有與中心相連的透孔；圖7是主軸套筒(5)的構(gòu)槽分布結(jié)構(gòu)；圖8是主軸套筒(5)的剖面。
對本發(fā)明材料的選擇利用新型記憶合金的原理作進(jìn)一步說明。
記憶合金有30多年的歷史，該技術(shù)能產(chǎn)生較大的應(yīng)力和快速變形，具有巨大的應(yīng)用潛力。記憶合金具有阻尼效應(yīng)、形狀記憶效應(yīng)和超彈性或偽彈性的三大功能。由于種種原因，目前該技術(shù)的應(yīng)用仍不普遍，特別是在封隔器方面的應(yīng)用就更少。經(jīng)國際聯(lián)機(jī)檢索IPC世界專利庫有關(guān)記憶合金專利IPC C22C00901 J56166351、IPC HOIR00909US4969835等文獻(xiàn)20余篇，未發(fā)現(xiàn)有超彈性記憶合金應(yīng)用在熱采封隔器上的專利文獻(xiàn)報道。記憶合金是否出現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)(SME)或呈現(xiàn)超彈性效應(yīng)(PE)決定于變形溫度、功能訓(xùn)練情況，當(dāng)需要記憶效應(yīng)時，外應(yīng)力作用在馬氏體相即T＜As時，其中T表示溫度，As表示奧氏體起始轉(zhuǎn)變溫度而需超彈性時外應(yīng)力作用在母相，溫度范圍是Af＜T＜Mα，其中Af為奧氏體轉(zhuǎn)變終了溫度，Md表示應(yīng)力誘發(fā)馬氏體的上限溫度；Md點溫度往往是記憶合金其它轉(zhuǎn)變溫度最高值，這是根據(jù)熱力學(xué)原理決定其記憶合金和超彈性材料之應(yīng)力變形行為對本發(fā)明所需較高溫度是很有利的。
在高于Af溫度低于Md下施加應(yīng)力時產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，卸載時產(chǎn)生逆相變，應(yīng)變完全消失，回到母相狀態(tài)，在表現(xiàn)上呈現(xiàn)非線性擬彈性應(yīng)變稱為相變偽彈性或超彈性，普通金屬材料的彈性變形通常不超過0.5％，而超彈性至少高出10倍最多可達(dá)20％。
根據(jù)上述對記憶合金材料性能的分析，本發(fā)明一方面利用在As-Af溫度之間可存在記憶效應(yīng)的功能，一方面利用在Af-Md之間存在超彈性功能，但由于記憶合金存在可恢復(fù)應(yīng)變較低的缺點，所以對帶有方波邊緣咬合的記憶合金片采用一端靠彈性短環(huán)(3)壓緊，而另一端自由，當(dāng)注氣溫度下降時靠其它熱敏材料(6)(如S型雙金屬)和外層彈性筒的收縮，使其殘余變形恢復(fù)，以利解封。
舉一具體實施例說明本發(fā)明結(jié)構(gòu)，用35CrMo鋼制作成內(nèi)徑φ62mm、外徑φ75mm，高400mm的中心管，外部再焊接用中碳鋼制成的主軸套筒，由于兩種合金成份不同焊前應(yīng)予熱，，焊后應(yīng)立即保溫緩冷，防止熱裂紋產(chǎn)生，中心管、主軸套筒合在一起形成毛坯，然后在中心管的兩端車削成2.5英寸陰陽螺紋，在主軸套筒上加工溝槽，并在焊后的合成體上鉆通氣孔，然后表面處理，在溝槽上布置記憶合金、S型雙金屬或其它復(fù)合熱敏材料，編織成交叉密封結(jié)構(gòu)。帶有方波邊緣熱敏材料的厚度為0.5mm，長為150mm，寬為15-20mm，其中與軸線平行安放的記憶合金需一端用彈性短環(huán)壓緊，另一端自由，并注意兩端不可調(diào)換，縱向安放完后進(jìn)行橫向編排，再套上予先用超彈性材料制成的記憶合金彈性外環(huán)，其雙層厚度為0.4～0.6mm，外徑為φ140mm，高為180mm，最后再套上塑料外套，這是以聚四氟乙稀為基體并用二硫化鉬、石墨等添加劑制成的，其內(nèi)徑為φ140mm，外徑為φ152mm，高為180mm。最后兩端用低碳鋼制成的前、后端蓋壓緊并由高溫橡膠或紫銅制成的密封墊，裝配成整個熱采封隔器。
本發(fā)明復(fù)合式超彈性記憶合金熱采封隔器具有設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，密封性能好，解封可靠，成本低廉等諸多優(yōu)點，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。
權(quán)利要求
1.復(fù)合式超彈性記憶合金熱采封隔器是用于石油機(jī)械工程的熱采密封工具，這是由錐面環(huán)(2)、彈性短環(huán)(3)、主軸套筒(5)、熱敏材料(6)、塑料外套(7)、記憶合金彈性外環(huán)(9)和前、后端蓋(1)、(10)構(gòu)成，其特征在于采用記憶合金的超彈性性能來保證實現(xiàn)座封時面積的增加和解封時的面積縮小。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合式超彈性記憶合金熱采封隔器，其面積補(bǔ)償方法的特征主要在于記憶合金彈性外環(huán)(9)安置在熱敏材料(6)和塑料外套(7)之間，利用其超彈性效應(yīng)，發(fā)揮形狀記憶合金(SMA)的高溫超彈性變形功能。
3.如權(quán)利要求1和2所述的復(fù)合式超彈性記憶合金熱采封隔器，其特征在預(yù)先設(shè)定主軸套筒(5)上縱橫交叉均勻分布的溝槽，以安置形狀記憶合金片和雙金屬片的熱敏材料，構(gòu)成復(fù)合編織結(jié)構(gòu)，保證動力作用均勻。
全文摘要
復(fù)合式超彈性記憶合金熱采封隔器是用于石油機(jī)械工程的熱采密封工具。它是由錐面環(huán)、彈性短環(huán)、中心管、主軸套筒、熱敏材料、塑料外套、密封墊、記憶合金彈性外環(huán)、前、后端蓋組成,該封隔器既利用了記憶合金的記憶效應(yīng),又采用了超彈性性能,發(fā)揮形狀記憶合金的高溫超彈性變形功能,與S型雙金屬交叉編織達(dá)到密封無間隙,解封可靠,并具有自行座封、解封和結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低的諸多優(yōu)點。具有廣泛的應(yīng)用價值。
文檔編號E21B33/12GK1202568SQ97112629
公開日1998年12月23日 申請日期1997年6月13日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月13日
發(fā)明者張桐義, 耿殿奇, 許寶燕, 王純武, 王東海, 李淑華, 鄭鈺, 耿冰, 陳大眾, 白玉潔 申請人:遼河石油勘探局鉆采工藝研究院