摘要
本文介绍的“大深度隔热复合保温承压管”主要解决超高温高压环境钻孔测量仪器耐高温高压问题。任务目标是攻克超高温高压环境下真空绝热保温、高水压密封分析校正等设计关键技术，研制出具有自主知识产权的大深度隔热复合保温承压管，使用环境温度可达260 ℃，环境压力130 MPa，保持真空绝热保温瓶内8 h温升<80 ℃，通过在高温地热能钻探工程、干热岩钻探工程、科学钻探工程、深部矿产资源勘探和深部油气资源勘探等工程中的应用，拓展应用领域，进一步提升仪器性能指标。试制的承压外管及保温瓶进行了高温高压试验，试验结果表明承压外管高温高压同时作用环境下工作是可靠的，保温瓶的保温能力亦能达到技术要求，证明该设计方法是合理的。
目前应用于深海、地热、石油、天然气等多种地下钻井环境的电子测量仪
耐温耐压保温承压复合管的结构组成见
图1 耐温耐压保温承压复合管的结构
电子测量仪器电路板探管放置于无磁真空隔热保温瓶外管内，无磁真空隔热保温瓶外管置于无磁承压外管内。通过钢丝绳连接上捞头、直接投入或者捞矛头打捞上捞头的方式下放测量仪器探管；安装了电子测量仪器电路板探管的耐温耐压保温承压复合管测量仪，耐高温、耐高压，可以实现0~260 ℃高温、130 MPa高压环境条件下保持真空绝热保温瓶内8 h温升<80 ℃，达到耐温耐压保温承压复合管内电子测量仪器电路板探管不受进行环空高温高压的干扰影响。
承压管壁厚的理论计
| （1） |
式中：LQ——应力，MPa；LQmax——需用应力=屈服，MPa；b——外径，mm；a——内径，mm；Pz——承压力，MPa；n——安全系数。随着温度的增高材料屈服强度在降低，关键是在高温300 ℃时，其承压外管持久强度能否保证足够的耐压强度。
众所周知很多电子测量仪器对磁干扰都有影响，因此选择TC11无磁钛合金管。
工作温度：500 ℃；密度：4.51 g/c
室温力学性能（25 ℃）：（1）抗拉强度σb>1030 MPa；（2）规定残余伸长应力σr0.2≥900 MPa；（3）伸长率δ5≥10%；（4）断面收缩率ψ≥30%；
高温力学性能（500 ℃）：（1）抗拉强度σb>685 MPa；（2）持久强度σ100 h≥640 MPa；（3）耐磨性比较TC11合金在25 ℃时抗磨损性能较差，而在600 ℃时抗磨损性能较好。
将2.3选择参数值代入公式（1）
则有LQ=（7
所以即使在高温力学性能（500 ℃），持久强度σ100h≥640 MPa。
LQmax==640 MPa>596.7 MPa。
这就表明了低于500 ℃时验算合格。
本项目选择保温瓶的：外径D=51 mm，内径d=36 mm，长L=1970 mm；隔热体长度L=400 mm，外径d2=51 mm，内径d1=48 mm。
保温
注： 单位时间体积的导热密度比热温升〔℃/（s·m
图2 保温瓶设计结构
1-出口；2-石棉隔热体；3-石蜡吸热体；4-外管；5-高真空层；6-抽气嘴；7-内管；8-定位销
保温
（1）通过保温瓶口的轴向传热，包括内管壁、隔热体、吸热体的固体导热；
（2）通过保温瓶筒体的传热，包括内外管之间的辐射漏热、残余气体的导热以及真空层间的固体传热。
将保温瓶热量由外而内传入的单位时间内的全部热量，即总漏热流量设为Φ总，Φ1为内壁导热，Φ2为隔热体漏热，Φ3为辐射漏热，Φ4为残余气体漏热，真空层间的固体传热忽略。
则：Φ总=Φ1+Φ2+Φ3+Φ4
内管壁导热公式：Φ1=··ΔT
式中：A——有效截面积，A=。
保温瓶内管长度L=1870 mm，外径d2=51 mm，内径d1=36 mm。隔热体长度l=150 mm，外径d2=36 mm，内径d1=28 mm。
ΔT：温差取值ΔT=200 K
：材料平均导热系数。取=16.6 W/（m·K），经计算Φ1=1.976 W。
隔热体漏热公式：Φ2=··ΔT
式中：S——隔热体截面积，其余同上，取λ=0.045 W/（m·K），经计算Φ2=0.119 W。
辐射漏热计算：
Φ3=
式中：σ0——黑体辐射常数，其值为5.67×1
经计算Φ3=1.23 W。
残余气体漏热：
Φ4=
K=
式中：——气体分子在T1、T2表面总的适应系数；——气体压力，Pa；A——辐射面积；T1、T2——高低温表面的温度，K，当真空度>1
按隔热体长度L=150 mm，外径d2=36 mm，内径d1=28 mm。综合上述计算结果可知：
Φ总=3.315 W
由于承压外管面临着超高温高压的工作环境，根据设计指标，其承压外管将在最长工作时间8 h内承受最高达130 MPa的压强和260 ℃的高温。密封性能决定了测量仪器系统的可靠性与稳定性，钻孔内恶劣的工作环境对钻孔测量装置的密封技术提出了非常高的要求，通过密封性计算和渗流模型的建立，指导设计密封方式和措施，提出了加装双O型密封件和材料膨胀自密封的2种措施，显著提高了仪器系统的密封性能。
为了减少因机械加工时的精度误差、长时间工作磨损导致密封接触面的破坏对仪器整机密封效果的影响，本承压管采用了2种外部辅助措施来提高仪器系统的密封性能和安全系数。
（1）双O型橡胶密封圈。O型密封圈是具有圆形截面的环行橡胶密封圈，主要用于管状机械部件在静态条件下防止液体或气体介质的泄露。O形密封圈能发挥密封性能的主要原因是它具有良好的变形性能，在一定压力下能补偿间隙。密封圈的材料有天然橡胶、丁苯橡胶、氟橡胶、全氟橡胶等，不同的材质有着不同的温度极限和物理性能。全氟橡胶材料密封构件在航空航天领域、地质钻探工程和深海探测等工作环境较为恶劣的领域下具有广阔的应用前景。
由于本仪器装置在超高温高压的工作环境下，承压探管优先选用耐热性好、抗撕裂力强的全氟橡胶作为密封器件，实物照片如
图3 橡胶O型密封圈
（2）材料膨胀实现自密封。承压外管的密封部件由筒体与锥形堵头组成，在仪器下孔之前将筒体和锥形堵头经过一定的预紧力扭紧，然后利用绞车或钻杆放入孔底开始工作。由于本仪器系统将在最高260 ℃的高温环境下长时间工作，因此需要利用不同材料之间的热膨胀差异实现自密封的效果。选用无磁黄铜与TC11钛合金作的线膨胀系统如
本设计选择黄铜作为锥形堵头的材料，选择TC11钛合金作为筒体的材料。由于TC11钛合金的线膨胀系数略小于黄铜的线膨胀系数，因此在相同的温度变化下，锥形堵头的热膨胀量会略大于筒体的热膨胀量，使得密封间隙缩小，从而实现材料膨胀自密封的功能。单种材料的线膨胀量l与不同材料的热膨胀量的差值Δl计算公式为：
| （2） |
例如当仪器下放到温度为150 ℃的工作区域时，与地表温度温差Δt为125 ℃（假设地表温度为25 ℃），本设计中承压探管长度为2680 mm，通过
图4 耐温耐压保温承压复合管
用于承压管的材料除了进行加工调试，还需进行高温高压试验。
通过委托中海油服高温高压试验台对承压保温管进行了温度、压力验证测试。选取255 ℃高温130 MPa压力环境。测试压力130 MPa、温度240 ℃保持30 min全程曲线，见
图5 测试压力130 MPa、温度240 ℃保持30 min全程曲线
根据要求及相关技术规范，对测量仪的承压外管及保温探管机械设计。设计的承压外管结构不仅进行高温持久第三强度理论条件（最大剪应力条件）强度校核，还通过密封材料比对选型，确定了全氟橡胶形成双O型密封；采用TC11管料和接头铍青铜的材料膨胀实现自密封计算，证明强度符合要求，验算合格，无磁承压外管的机械设计是合理的。对保温探管进行温度场分析，引入单位时间体积的导热密度比热温升〔℃/（s·m
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