复合式超弹性记忆合金热采封隔器 复合式超弹性记忆合金热采封隔器是属于石油机械工程领域中的一种稠油热采密封专用工具—热采封隔器。这是由前端盖(1)、锥面环(2)、弹性短环(3)、主轴套筒(5)、热敏材料(6)、塑料外套(7)、记忆合金弹性外环(9)和后端盖(10)构成。
为了保证稠油热采的高压蒸气进入指定油层，防止热量的散失，热采封隔器是必须的工具。原来使用的是氮气隔热和操作复杂的隔热方法，近来产生了一种比较先进的自封式封隔器，这类封隔器使用较早的是靠化学膨胀剂的体膨胀来完成座封，需要一个环形密闭的容器，注气后井下温度升高，膨胀剂气化膨胀，使热胀筒发生变形同时挤压外部密封套达到座封的目的。上述使用的封隔器虽有密封良好，结构简单等特点，但因其仅能使用一次且解封可靠性差，而被双金属自封式热采封隔器所替代，它是靠放置在沿母线方向均匀间隔的沟槽板条状双金属片的膨胀与收缩达到座封、解封的功能。增加了使用次数，解封可靠的优点。而此类封隔器是靠双金属的受热弯曲座封，它存在下述不足是条形双金属片受热只能在中间弯曲变形，当注气后双金属片弓出，这就扩大了外经，增大了表面积，各金属片之间就出现缝隙，此缝隙造成无动力骨架影响密封性能。
凡是过去已有地封隔器技术原理，都没有采用超弹性技术功能，没有能很好解决面积补偿问题。
针对已有技术存在的问题，本发明的目的是为弥补上述缺点而提出了一种面积补偿的发明思想，即从根本上解决了扩径后面积扩大所造成的间隙问题。其设计原理及特征如下：
一是设计主要采用弹性短环(3)、热敏材料(6)和记忆合金弹性外环(9)的超弹性性能来实现扩径后的面积增加和缩径时的面积缩小问题，这是由于超弹性材料具有在外力作用下发生变形和外力消失后立即恢复原形的特性，其结构是由记忆合金制成双层复合式的薄弹性筒，其中间段开有与母线平行的细口，两层细口均匀错开。单层和双层的薄筒不做记忆功能处理而做超弹性处理，例如Fe-32Mn-6si系列记忆合金制造时需加防腐措施，又如用不锈钢记忆合金Fe-14Mn-6si-9Cr-5Ni、Fe-8Mn-6si-13Cr-12Co等，因其耐蚀性的提高可直接应用。也可用等原子比的Ti-Ni系记忆合金或用Cu-Al-Ni系记忆合金。但在价格上以铁基记忆合金最低，其次是铜基合金，最贵的是Ti-Ni合金。耐蚀性能随价格的增加而提高。
二是发挥形状记忆合金(SMA)受热变形的形状可预先根据需要设定，将与母线平行方向排布的条形记忆合金片和双金属片纵横交叉编织，达到注气后动力作用均匀的效果。
附图1是本发明封隔器的装配图。其中1为前端盖，起压紧锥面环(2)、密封垫(8)和塑料外套(7)的作用。2为锥面环、3为弹性短环，通过螺纹紧固后，起压紧固定带有方波边缘(图4所示)的记忆合金片及间隔的S形双金属片之作用。4为中心管，两端分别有油管及变径头连接的螺纹。5为主轴套筒与中心管(4)焊接在一起，其圆柱面上布置有纵横正交、交叉的沟槽。6为热敏材料，7为塑料外套，8为密封垫(两端均有)，9为记忆合金弹性外环，安置在热敏材料(6)和塑料外套(7)之间靠其高温弹性变形，协助座封和解封。10为后端盖，与前端盖(1)作用类似。图2至图8是本发明的部分零部件图。其中图2为总装配图的剖视图；图3是应用在封隔器的S型双金属片；图4是记忆合金片的外形可见其方波边缘是为了弥补扩径后的面积空缺；图5是双层记忆合金弹性外环(9)其缝隙错开的结构，也可用鱼鳞结构做单层部分套叠安置，这两端非变形部分都不能有开口；图6是中心管(4)的结构图上面有与中心相连的透孔；图7是主轴套筒(5)的构槽分布结构；图8是主轴套筒(5)的剖面。
对本发明材料的选择利用新型记忆合金的原理作进一步说明。
记忆合金有30多年的历史，该技术能产生较大的应力和快速变形，具有巨大的应用潜力。记忆合金具有阻尼效应、形状记忆效应和超弹性或伪弹性的三大功能。由于种种原因，目前该技术的应用仍不普遍，特别是在封隔器方面的应用就更少。经国际联机检索IPC世界专利库有关记忆合金专利IPC C22C00901 J56166351、IPC HOIR00909US4969835等文献20余篇，未发现有超弹性记忆合金应用在热采封隔器上的专利文献报道。记忆合金是否出现形状记忆效应(SME)或呈现超弹性效应(PE)决定于变形温度、功能训练情况，当需要记忆效应时，外应力作用在马氏体相即T＜As时，其中T表示温度，As表示奥氏体起始转变温度而需超弹性时外应力作用在母相，温度范围是Af＜T＜Mα，其中Af为奥氏体转变终了温度，Md表示应力诱发马氏体的上限温度；Md点温度往往是记忆合金其它转变温度最高值，这是根据热力学原理决定其记忆合金和超弹性材料之应力变形行为对本发明所需较高温度是很有利的。
在高于Af温度低于Md下施加应力时产生应力诱发马氏体相变，卸载时产生逆相变，应变完全消失，回到母相状态，在表现上呈现非线性拟弹性应变称为相变伪弹性或超弹性，普通金属材料的弹性变形通常不超过0.5％，而超弹性至少高出10倍最多可达20％。
根据上述对记忆合金材料性能的分析，本发明一方面利用在As-Af温度之间可存在记忆效应的功能，一方面利用在Af-Md之间存在超弹性功能，但由于记忆合金存在可恢复应变较低的缺点，所以对带有方波边缘咬合的记忆合金片采用一端靠弹性短环(3)压紧，而另一端自由，当注气温度下降时靠其它热敏材料(6)(如S型双金属)和外层弹性筒的收缩，使其残余变形恢复，以利解封。
举一具体实施例说明本发明结构，用35CrMo钢制作成内径φ62mm、外径φ75mm，高400mm的中心管，外部再焊接用中碳钢制成的主轴套筒，由于两种合金成份不同焊前应予热，，焊后应立即保温缓冷，防止热裂纹产生，中心管、主轴套筒合在一起形成毛坯，然后在中心管的两端车削成2.5英寸阴阳螺纹，在主轴套筒上加工沟槽，并在焊后的合成体上钻通气孔，然后表面处理，在沟槽上布置记忆合金、S型双金属或其它复合热敏材料，编织成交叉密封结构。带有方波边缘热敏材料的厚度为0.5mm，长为150mm，宽为15-20mm，其中与轴线平行安放的记忆合金需一端用弹性短环压紧，另一端自由，并注意两端不可调换，纵向安放完后进行横向编排，再套上予先用超弹性材料制成的记忆合金弹性外环，其双层厚度为0.4～0.6mm，外径为φ140mm，高为180mm，最后再套上塑料外套，这是以聚四氟乙稀为基体并用二硫化钼、石墨等添加剂制成的，其内径为φ140mm，外径为φ152mm，高为180mm。最后两端用低碳钢制成的前、后端盖压紧并由高温橡胶或紫铜制成的密封垫，装配成整个热采封隔器。
本发明复合式超弹性记忆合金热采封隔器具有设计结构简单，操作方便，密封性能好，解封可靠，成本低廉等诸多优点，具有广泛的推广应用价值。