井筒腐蚀监测系统的设计开发

2022-03-23

1 井筒腐蚀监测系统的结构设计

系统组成

井下腐蚀监测系统的主体结构由探针、测量仪、电池组、尾部连接器、配套软件和其他附件组成。系统需要通过投捞工具，将设备投放至指定深度，仪器自动测量腐蚀减薄深度并存储，结束后，打捞设备，将存储的数据转储至电脑中，通过专有软件，对监测期间的数据进行分析，同时，在井下腐蚀监测系统前端放置腐蚀挂片，用于对比分析，如图2所示。

图2 井下腐蚀监测设备的结构设计图

密封结构设计

随着井下深度的增加，温度和压力会发生变化，这增加了密封难度。因此，在密封结构设计上，一是监测仪只留有一个密封口，以减少密封环节，二是同时采用斜面法兰、端面O圈和静态活塞共四道密封，如图3所示。保证4道密封在仅有一道正常发挥作用的情况下即可实现60 MPa压力下的密封安全。

图3 井下监测设备密封结构设计图

2 仪器壳体的承压能力设计

圆筒形压力容器的设计公式入下：

S=P·D/(2·s·F-P)+C （1）

式中：S为设计壁厚；P为设计压力；D为容器内径；s为许用应力，一般用材料屈服强度除以安全系数，安全系数多为1.0～1.2；F为焊缝系数，常规取1，如因焊接问题造成承压能力减小，则系数降低；C为壁厚余量，用于增加安全系数。

根据电路板尺寸等实际需要，壳体内径取31 mm，根据井下腐蚀环境或用户要求选择壳体材料，如316L、718不锈钢等。材料不同，其许用应力不同，根据计算得到的壳体厚度也不同。在60 MPa环境中采用718不锈钢，壳体外径为40 mm以下。

本工作壳体材料选用316L不锈钢，许用应力为210 MPa。尾部封堵焊接部位的结构采用螺纹止口式结构。先用螺纹拧紧，之后在坡口部位填料焊接。该结构与完全对焊式的不同，可对壳体起到一定的支撑作用，增加壳体的强度。封堵部分焊缝系数取1，环境压力取60 MPa，依据式（1）计算得壁厚为5.17 mm，实取6.5 mm。

3 井筒腐蚀监测设备的电路设计

井下腐蚀监控设备是在高温高压环境中使用的，这对其技术及性能提出了更高的要求，且在器件选择方面受到了严格的限制，因此，需要精简电路设计，降低功耗，在有限的条件内实现精确测量。电路设计的基本原理框图见图4，其实现措施如下：

① 激励信号采用直流电流。交流激励信号由直流信号调试获得，通过功率器件信号变压器施加到串联试片两端，直流电流通过场效应管开关控制电流的通断，场效应管的使用温度为-55~155 ℃。

② 采用仪表放大器INA333-HT作为差分输入一级放大，INA333-HT是高温低功耗精密仪表放大器，是井下及钻井检测的专用芯片，使用温度为-55~210 ℃。

③ 采用精密、零漂移运算放大器OPA2333-HT作为二级放大电路。

④ 模数转换芯片采用井下测量专用器件。该器件是8通道4路差分，精度高、宽动态范围，支持极端环境（-55 ℃/210 ℃）中的应用。

⑤ 数据采集存储单元采用EEPROM存储器25LC640A，该器件具有8K存储空间，服役温度为-40~150 ℃，掉电数据可保存10年。

⑥ 系统核心控制单元微处理器采用ATmega168， CPU温度为-40~150 ℃，具有一路UART串行通讯端口，能够满足设计的基本要求。

图4 电路测量原理示意图