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石油測(cè)井是石油工業(yè)中最基本和最重要的環(huán)節(jié)。井下環(huán)境具有高溫、高壓的特點(diǎn)，地磁、地電等外界環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，導(dǎo)致一般材料的傳感器在井下作業(yè)時(shí)不能精確測(cè)量井下的數(shù)據(jù)。陶瓷材料的耐高溫性能極好，且具有優(yōu)良的耐磨性和耐化學(xué)腐蝕性能，陶瓷優(yōu)異性能能滿足井下復(fù)雜工況的作業(yè)條件，所以陶瓷傳感器在石油測(cè)井應(yīng)用方面有極其廣闊的前景。本文針對(duì)石油測(cè)井陶瓷在燒結(jié)過程中經(jīng)常遇到開裂的問題，應(yīng)用有限元分析法研究陶瓷燒結(jié)過程中的降溫階段溫度場(chǎng)變化，分析不同的降溫曲線對(duì)陶瓷坯體內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，為優(yōu)化燒結(jié)工藝提出理論據(jù)。
本文模擬燒結(jié)對(duì)象為石油測(cè)井陶瓷傳感器電極，成分為Al2O3。
Al2O3陶瓷熱物性參數(shù)見表，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3。
已知陶瓷坯體在1200℃環(huán)境下保溫1h后進(jìn)行冷卻。溫度載荷施加分為2類：（1）等斜率燒結(jié)曲線。從1200℃開始分別按照15°、30°、45°的燒結(jié)曲線加載，如圖1所示。（2）變斜率燒結(jié)曲線。切線斜率逐漸變大（上凸），切線斜率逐漸變小（下凹）。等時(shí)間下的直線斜率及變斜率燒結(jié)曲線對(duì)比圖如圖2所示。
在降溫階段，降溫至30℃左右時(shí)不同燒結(jié)曲線下可以知道，最高溫度集中在圓孔的下端面區(qū)域，而兩端面最大圓角區(qū)域溫度值最低。這是由于傳熱過程中陶瓷體厚壁降溫比較慢，而薄壁區(qū)降溫比較快。在ANSYS熱分析后處理模塊中，溫度梯度表示單位長度內(nèi)的溫度變化速率，溫度梯度越小表示受熱時(shí)間越長，在相變過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力就相對(duì)較小。在降溫結(jié)束階段，隨著燒結(jié)曲線斜率的增加，即降溫速率的變快，陶瓷坯體整體的溫度梯度數(shù)值有增大的趨勢(shì)。且切線斜率在一定范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)（約30°以前），溫度梯度數(shù)值變化幅度較小，切線斜率超過30°后，隨著斜率增加溫度梯度數(shù)值有明顯變大的趨勢(shì)。綜合考慮時(shí)間與燒結(jié)性能，選取30°燒結(jié)曲線為最佳。
變斜率燒結(jié)曲線下的溫度場(chǎng)的分布將30°等斜率燒結(jié)曲線轉(zhuǎn)化為變斜率燒結(jié)曲線，說明變斜率燒結(jié)曲線對(duì)陶瓷燒結(jié)性能的影響。現(xiàn)選取垂直于薄壁區(qū)域中心且平行于陶瓷坯體前后兩端的截面為研究對(duì)象，進(jìn)行溫度場(chǎng)的分析，截面如圖3所示。降溫過程中，不同燒結(jié)曲線下截面溫度梯度在1200s時(shí)刻分布云圖如圖4所示。從陶瓷坯體中選取4個(gè)有代表性的節(jié)點(diǎn)A、B、C、D如圖3所示，得到不同燒結(jié)曲線下溫度梯度隨時(shí)間變化曲線圖，如圖5所示。
由圖5可知，在三種燒結(jié)曲線下，在同一時(shí)刻節(jié)點(diǎn)A溫度梯度數(shù)值始終最大，節(jié)點(diǎn)D次之，節(jié)點(diǎn)B、C溫度梯度相對(duì)較小，這是由于陶瓷坯體自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚薄不一，薄壁區(qū)域傳熱快，而端面區(qū)域傳熱相對(duì)較慢。在降溫過程中，采用等斜率的燒結(jié)曲線，各節(jié)點(diǎn)溫度梯度隨時(shí)間有變大的趨勢(shì)，但變大的速率趨于平緩；采用下凹燒結(jié)曲線，各節(jié)點(diǎn)溫度梯度開始隨時(shí)間逐漸變大，達(dá)到一個(gè)最大值后溫度梯度隨時(shí)間逐漸減小；采用上凸燒結(jié)曲線各節(jié)點(diǎn)溫度梯度隨時(shí)間逐漸變大，且變化趨勢(shì)越來越大。從數(shù)值上比較可知，采用下凹的降溫?zé)Y(jié)曲線，最大溫度梯度為1800℃/m左右，小于等斜率曲線下的2020℃/m及上凸曲線下的3240℃/m。且在降溫終了階段，下凹曲線下溫度梯度數(shù)值為80℃/m左右，均遠(yuǎn)低于等斜率曲線和上凸燒結(jié)曲線下的數(shù)值。
結(jié)論：（1）不同等斜率的降溫曲線對(duì)陶瓷燒結(jié)性能有顯著影響，主要體現(xiàn)在采用斜率大（即升溫速率快）的燒結(jié)曲線，能減少燒結(jié)時(shí)間，但會(huì)增加燒結(jié)過程中的溫度梯度，降低陶瓷的燒結(jié)性能。針對(duì)本文的燒結(jié)對(duì)象，采用30°的燒結(jié)曲線為宜。（2）變斜率的降溫曲線會(huì)對(duì)陶瓷燒結(jié)產(chǎn)生明顯影響，采用下凹斜率的降溫曲線，能大大降低溫度梯度，提高燒結(jié)性能。
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