高温高压下检测浮体的装置的结构设计

哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）
摘要
油田固井浮体在固井过程中起着控制水泥注入速度，避免水泥倒灌等作用。

如果浮体失效，会降低固井质量，甚至引发事故。

因此对浮体的耐高温、耐高压性能进行检验有利于提高我国固井的质量。

本论文参照美国API（美国石油学会）的标准，建立一套对浮体进行高温高压性能检验的装置，使其能模拟浮体井下高温、高压和长时间连续工作的环境，该系统包括高温高压工作舱、加热系统和排油冷却系统等部分。

本文首先进行了高温高压工作舱的设计。

工作舱中的高压釜是在高温高压环境下工作，其强度校核至关重要。

本文在设计时采用了有限元分析方法对釜体进行了热-结构应力耦合分析，验算其最大应力是否满足设计要求。

此外对工作舱上盖等其它组件进行了结构设计。

本文还对排油冷却系统和注油系统进行了设计。

在确定了换热器类型的基础上，通过换热计算对传热面积进行校核，从而确定换热器尺寸，并对注油回路进行设计。

最后在完成加热系统设计之后进行了试验。

加热系统设计包括加热类型的确定，炉膛尺寸和安装功率的计算。

并对加热加压流程进行了设计，确定各测量温度。

利用所研制的浮体高温高压性能检验装置进行了试验，根据试验提出了加热加压规程。

该项目的完成，不仅能检验我国浮体产品的质量，为企业增效益，提高浮体产品的售价，扩大国内市场，还可使浮体产品直接进入国际市场，有利于产品出口创汇以及推动我国石油化学工业的发展，提高我国在国际社会的地位。

关键词浮体；高压釜；ANSYS；高温高压性能
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Abstract
The oil-well cementing float equipment is used in controlling the speed to infuse the cement to the well and avoiding the cement to flow backward in the process of oilfield well-cementing. If the cementing float equipment is failure the quality of oil-well cementing will be reduced and it can even causing accident. It is important to detecting the capacity of high-temperature and high-pressure (HTHP) for the cementing float equipment so as to improve the quality of oil-well cementing in our country. A kind of testing equipment that to detect performance of the HTHP was established referring to the American API standard in this paper. It can simulate the environment of where HTHP condition and long time continuous work. The HTHP workspace furnace system and cooling system etc. were included in this system.
First, the HTHP workspace was designed in this paper. The HP vessel in workspace works in the environment of high-temperature and high-pressure and it is important to calculate its intension. In order to design reliable, the couple analysis of heat-stress was done to the cementing float equipment body using the finite element method so as to check whether the maximum stress to meet the design requirements. Additionally, the structure of the top cover of workspace and its components were designed in this paper too.
Secondly, the cooling system of discharging and oiling system were designed on the basis of determining the type of heat transfer. It was checked to the heat-transfer areas through calculated the dimensions were determined by it and the noting oil circuit system was designed.
At last, the experiment was done after the furnace system has been designed. The furnace system design includes determining the type of heating furnace and calculating the dimensions of chamber of the furnace and the installed power. The heating and pressing process was set up to measure the temperature. The test was done by using the HTHP equipment and the regulations of this system were given according to the test.
It is not only to test the quality of the float products increase efficiency for business raise the price of float products expand the domestic market, but also to
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make the products enter into the international market directly. It can conducive to make products export as well as to push the oil industry development and improve the position of our country in international society.
Keywords cementing float equipment；HPvessel；ANSYS；HTHP performance
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目录
摘要 (I)
Abstract (II)
第1章绪论 (1)
1.1课题来源及研究目的和意义 (1)
1.2国内外研究状况 (2)
1.2.1国内高压釜研究状况 (2)
1.2.2国外高压釜研究状况 (3)
1.3有限元在高压釜设计中的应用 (4)
1.4本文的主要研究内容 (5)
第2章高温高压工作舱设计 (7)
2.1浮体简介及浮体高温高压性能检验装置构成 (7)
2.1.1浮体简介 (7)
2.1.2浮体高温高压性能检验装置构成 (9)
2.2工作舱总体设计 (10)
2.2.1工作舱设计参数确定 (10)
2.2.2工作舱结构总体设计 (11)
2.3釜体结构设计及有限元分析 (13)
2.3.1釜体结构设计 (13)
2.3.2釜体强度有限元分析 (17)
2.4工作舱上盖组件设计 (24)
2.5联接预紧力矩计算 (26)
2.6本章小结 (30)
第3章排油冷却系统及注油系统设计 (31)
3.1换热器分类 (31)
3.2换热器设计 (31)
3.2.1换热计算 (31)
3.3结构优化 (36)
3.4注油系统设计 (37)
3.4.1注油系统设计 (37)
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3.4.2液压站及管路设计要求 (37)
3.5本章小结 (38)
第4章加热系统设计及试验 (39)
4.1加热方式及加热炉结构 (39)
4.1.1加热类型及炉型分类 (39)
4.1.2加热炉设计要求 (39)
4.1.3炉膛尺寸计算 (40)
4.2加热加压流程设计 (41)
4.2.1主系统结构及传感器作用 (41)
4.2.2系统加热加压流程设计 (41)
4.3本章小结 (43)
结论 (44)
致谢 (45)
参考文献 (46)
附录1译文 (47)
附录2英文参考资料 (50)
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第1章 绪 论
1.1 课题来源及研究目的和意义
本课题来源于大庆市红岗钻井工具中试厂,为保证固井关键件油田固井浮体（简称浮体）产品质量，依据美国石油学会（API ）的标准，建立一套浮体性能检验装置。

固井是在钻井、下入套管后，在套管的周围加注水泥，如图1-1所示。

1-水泥浆2-套管3-水泥4-浮体
图1-1 井下灌注示意图
固井是钻井工程中的重要环节，其主要目的是封隔井眼内的油层和水层，保护油井套管、增加油井寿命以及提高产油量。

在整个固井过程中，固井工具及附件的工作情况是影响固井质量的重要因素，有的固井工具甚至是固井成败的关键。

固井工具在井下是否正常工作，除受地面操作的影响，井下环境也会影响固井工具的工作情况。

浮体是油田固井过程中的一个关键工具。

工作在超过1000m 深度的地下，需要承受35MPa 的高压和230℃的高温，同时工作中承受水泥的长时间冲蚀。

浮体起着控制水泥注入速度，避免水泥倒灌等作用，如果浮体失效，就会使固井质量下降，甚至引发事故。

因此保证浮体质量是保证
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固井质量的关键。

所以，建立浮体耐高温、耐高压、耐冲蚀性能的检验装置是非常必要的。

它的完成可以检验我国浮体产品的质量，扩大国内市场，同时还可以使浮体直接进入国际市场。

为企业增加效益，并有利地推动我国石油化学工业的发展。

浮体性能检验装置包括高温高压性能和冲蚀性能检验两部分。

本文就高温高压性能检验装置的研制加以阐述。

浮体高温高压性能检验装置的基本组成包括：高温高压工作舱、加热系统、排油冷却系统、注油系统等。

1.2 国内外研究状况
浮体高温高压性能检验装置是模拟井下的高温高压工作环境，对浮体的耐高温、耐高压性能进行检验的装置。

其中高温高压工作舱是系统的关键部件。

本文仅就构成工作舱的高压釜国内外研究情况进行阐述。

1.2.1 国内高压釜研究状况
我国高压容器的研究已有很长的历史，而超高压技术也开始于上世纪50年代末，当时第一套超高压聚乙烯中试装置建立，所有超高压管式和釜式的反应器全都是国内自行设计和制造的。

上世纪60年代初人造水晶釜国产化初露头角，至90年代初超高压水晶釜制造能力达到500台/年以上，反应釜规格从内径200mm、250mm、280mm、300mm到400mm已形成系列，其质量也与国外产品相当。

可以认为高压容器的研究、设计、制造在我国已经逐步形成一门综合性很强的专业学科。

如图1-2所示为射孔器检测实验用工作舱结构，主要包括釜盖、釜体、磁力耦合器、测温元件、压力表、内冷却盘管、推进式搅拌器、加热炉等。

该检测装置的工作原理：将被检射孔器置于超高压釜内，再注入耐高温液压油，然后对釜内液压油进行加压、加温，模拟深井井下高温超高压环境，同时检测射孔器的性能。

我国于上世纪70年代开始自行设计500L大容积高压搅拌釜。

经过不断的摸索和实验，高压釜的设计方法也由过去的设计计算、打压试验到建立国标、编写手册再到运用有限元分析法等不断的向世界先进行列靠拢。

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1.2.2 国外高压釜研究状况
一直以来国外在压力容器的设计和制造方面都领先于国内。

美国机械工程
1-磁力耦合器2-测温元件3-压力表/防爆膜装置4-釜盖5-釜体
6-内冷却盘管7-推进式搅拌器8-加热炉装置9-电机10-针型阀
图1-2 射孔器检测用工作舱结构
师协会（ASME ）在1914年制订了第一部《锅炉规范》标志着压力容器的安全有了基本的保证。

ASME 于1979年编制了压力为70~1400Mpa 超高压容器的设计规范，之后又颁布了ASME 锅炉压力容器规范第Ⅷ篇第3分篇《Alternative Rules for Construction of High Pressure Vessels 》和第Ⅺ篇《玻璃纤维增强塑料压力容器》。

欧盟也于1987年和1997年分别通过了“简单压力容器法规”(87/404/EEC)和“承压设备法规”(97/23/EC)。

目前在高压容器制造方面，日本、俄罗斯是以内径600~1200mm 大型高压釜为主，单产可达1800~2000kg 。

大型高压釜普遍采用压力较低的生长工艺，约为80 MPa ，因而对加热控制系统及电力质量要求极为严格。

日本三菱重工已建成1000MPa 和1000℃的超高温装置，其容器系用SVS630、GTi135、DAC 和YXMI 等四种材料构成多层结构K=6的厚壁容器，内径为90mm ，筒体长度为640mm 。

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东京大学超高压研究在室温下已达到的压力是500GPa，在1600℃高温条件下可达到的最高压力是25GPa。

国际上“有限元”这个名词于1965年开始出现，上世纪70年代该方法开始用于高压釜设计、汽车、船舶等制造领域。

而我国则是在上世纪90年代才在高压釜设计上使用有限元分析方法，因此在高压容器设计方法上国外要远领先于我国。

1.3 有限元在高压釜设计中的应用
浮体性能检验用高压釜属于高压容器，是典型的厚壁圆筒结构。

由于操作条件非常苛刻，设备的各部位应力分布很不均匀，容易产生应力集中，甚至发生断裂性破坏。

所以，通过对高压釜进行详尽的应力分析，可以有针对性地在设计或制造时加以控制，必要时进行改进，保证设备的安全要求。

目前压力容器及其部件的设计可分为基于弹性失效准则的“规则设计”(Design by Rule)和基于塑性失效准则的“分析设计”(Design by Analysis)。

其中分析设计法是工程与力学紧密结合的产物，它不仅能解决压力容器常规设计所不能解决的问题,而且代表了近代设计的先进水平。

我国分析设计规范是在美国ASME锅炉及受压容器规范第八卷第2分篇的基础上建立起来的，并于1995年在全国开始实施。

过去我们在设备的设计方面，通常采用传统方法即人工计算的方法。

为了安全起见，设计者往往选取较高的安全系数，导致所设计出的设备无论是在体积上、重量上还是筒体壁厚方面都较笨拙，在计算精度上离设计要求也相去甚远。

在设计承受内压（且其内部压力不稳定）的压力容器过程中，想要通过人工计算的方法来准确描述其载荷则更是无法实现，只能依靠工程实践中得到的经验值来估算设计中需要的一些参数。

这样所得到的结果误差会很大，设计出的设备不论是外观上还是性能上都达不到设计要求。

但有限元分析方法诞生后，利用这种快捷、准确又有效的方法，对压力容器特别是高压和超高压容器进行设计研究，所设计出的设备不仅质量轻、体积小、节约材料，而且可以大大的节约产品在开发和生产过程中各环节所产生的成本，优化产品的结构。

为了满足自动化、大型产品工业生产要求，现在已开发出了能够适应各种设计要求的有限元分析软件，不仅可以使产品批量、系列化的生产，还可以进行非常规工艺、非常规结构，参数复杂的多种设备的应力较集中部分的校核。

综合以上各
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项优点，有限元分析方法已逐渐成为压力容器设计过程中所不可或缺的一种重要工具。

“有限单元法”这个名称自1960年由Clough提出以来，至今已走过五十多个春秋，无论是在理论研究方面还是在其技术应用方面都得到了迅猛的发展，它的理论以及计算方法也都有了长足的进步。

有限单元法（finite element method,简称FEM）是通过求解数理方程，然后再将计算机软件同计算数学等理论有机结合起来的数值分析技术，是一种极佳的解决工程实际问题的分析计算方法。

有限单元法的主要思想就是将连续体的求解域进行离散化处理，然后再将所有的边缘结点重新连接成一个主体。

这样就把原来的无穷自由度问题转化成了有限自由度问题，从而建立常微分方程组，通过对其求解来解决常规理论分析所解决不了的工程实际问题。

最早的有限元分析软件是在1965年诞生的，它是由美国计算科学公司和贝尔航空系统公司受美国国家宇航局委托进行开发的NASTRAN有限元分析系统，该系统发展至今已开发出很多种版本。

另外，德国设计开发的ASKA，英国设计开发的PAFEC，法国设计开发的SYSTUS以及美国设计开发的ABAQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS等都是现在较知名的有限元分析软件。

目前国际上最流行的有限元软件是ANSYS软件，该软件将结构、流体、电场、磁场以及声场分析融为一体，并且它还被广泛的应用于各科学技术领域，同时在解决工程实际问题中也经常使用该软件。

例如在机械制造、材料加工、航空航天、土木工程、电子电气、国防军工、造船、铁道、汽车和石化能源等领域，它已成为必备的一种工具。

该软件的另一优点就是可以在任意计算机的所有系统和平台中进行操作，其兼容性非常好。

ANSYS还具有分析非结构场问题、模拟流-热-固、土壤渗流、电-热、耦合电磁、热-结构、电-热-结构以及声-结构等多种耦合场的能力。

因此本课题采用ANSYS来完成高压釜的动态强度有限元分析。

1.4 本文的主要研究内容
本课题研究的是如何建立一套能模拟浮体井下高温、高压和长时间连续工作的环境对浮体进行高温高压性能的检验装置。

本文主要工作内容如下：
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（1）对高温高压工作舱进行设计。

先建立系统模型，再确定釜体及其上盖组件的各项参数。

（2）高压釜强度有限元分析。

研究结构应力和热应力对釜体内部应力分布的影响，并在模拟温度场的基础上进行热-结构耦合应力的分析，提出优化意见。

（3）加热系统设计。

在设计中重点是确定安装功率和各区测量温度，并通过试验确定加热加压规程。

（4）排油冷却系统设计。

通过换热量计算，确定其各项结构参数，以保证试验后釜内介质可快速冷却后回到储油池中。

（5）注油系统设计。

所设计的液压回路要能够保证提供系统工作所需的压力。

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第2章 高温高压工作舱设计
2.1 浮体简介及浮体高温高压性能检验装置构成
2.1.1 浮体简介
（1）浮体结构
如图2-1所示为浮体结构。

浮体由阀芯、弹簧、固水泥、套管等部分组成。

在固井过程中，具有一定压力的水泥浆利用弹簧的弹性流入套管外面，从而起到固井的作用。

a)外观图 b)结构图
1-阀芯2-弹簧3-固水泥4-套管
图2-1 浮体结构
（2）浮体在固井过程中的作用
① 防止被注到套管外壁环空中的水泥浆沿套管内壁上返
如图2-2所示按照U 形管原理，如果套管内压力不足，在没有浮体时，注到环形空腔中的水泥浆会倒流到套管内。

而在固井时若套管内压力过大又会导致环空中的水泥产生孔隙。

所以不采用加大套管内压力的方法来固井。

浮体的单向阀作用避免了U 形管现象，只允许水泥浆保留在空中，不会倒灌入套管内，同时还不会增加套管内压力。

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1-套管2-套管内3-套管外4-井壁5-浮体
图2-2 U 型管原理
② 防止地层流体向上流动
一些油井钻到一定深度后就会有液体出现，用浮体来控制流体液面是很重要的。

如果套管内静压力低于底部附近地层的压力时，井眼内的液体就会有向管内流动的趋势。

此时，浮体装置起到重要的控制作用。

③ 减少钻机负载
油井浮体所具有的特殊装置，减少了过流端面，这是因为浮体具有防止流体在套管内向上流动的作用。

下套管时，使用此装置所产生的向上的浮力要远远大于没有此装置时的浮力。

而钻机负载是避免套管下降速度过快的向上的拉力，所以有了浮体可以减少钻机负载。

④ 减慢水泥浆自由下落
由于水泥浆的密度大于套管内液体的密度，这样水泥浆和套管内液体存在密度差，这将导致水泥浆产生自由下落的倾向。

而浮体减少了过流端面，在一定程度上减慢了水泥浆的自由下落。

（3）浮体的主要性能
①耐高温性能
浮体工作环境的温度最高达230℃。

浮体构成材料应具备耐高温的性能，即在230℃的情况下仍能正常工作。

② 耐高压及反向承压能力
浮体工作环境压力近35MPa ，所以浮体必须具有耐高压能力。

另外，固井之后，环空中液体所产生的静压力大于相应的套管内液体的静压力，浮体必须具有抵抗作用于单向阀的高压所产生的压差的能力。

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③抗磨蚀性能
在固井过程中泥浆中所含有的高硬度颗粒对浮体产生磨蚀，这就要求浮体具有足够的抗磨蚀性能。

在工作周期内，各个部位或温度压力上升的情况下，此装置仍能正常工作。

④流动阻力及反向流动阻力
由于浮体流动路径上有一定的结构，因而流体通过浮体循环时将产生压力损失。

用浮体的流动阻力来估计压力损失，如果流体通过浮体时的压力损失过大，循环速度将受到限制。

当然，在某些情况下，希望有较大的压力损失，其目的是减少套管内水泥浆自由下落的速度。

阀体的反向流动阻力是衡量浮体压力浮动性能的指标。

下套管时允许地层液体从套管下端向上流入到套管内，以减少下套管时的压力波动。

⑤可钻性
浮体属于一次性工具，固井后浮体无法取出，需要钻碎。

所以在选择构成浮体的材料时要考虑其可钻性。

2.1.2 浮体高温高压性能检验装置构成
浮体高温高压性能检验装置是模拟井下的高温（230℃）、高压（35MPa）工作环境，完成浮体的耐高温、耐高压性能的检验。

本系统采用釜外加热，通过釜内介质—硅基油，达到试件所需的温度。

再通过封闭的液压回路，使釜内达到试件所需压力，实现井下工况的模拟。

系统包括：
高温高压工作舱：形成封闭的试件容器，通过加热系统和液压系统达到所需的高温和高压；
加热系统：提供检测温度所需的热量，并根据热电偶所检测到的数据进行等温控制；
注油系统：提供检验所需压力，并根据压力传感器所检测到的数据进行等压控制；
排油冷却系统：通过换热器中的冷载体对工作舱内介质（硅基油）进行冷却；
操作控制系统：按照检验程序和加热加压规程进行操作，实现温度与压力控制。

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系统总体构成如图2-3所示。

1-试件 2-高温高压工作舱 3-加热系统 4-介质 5-控制系统
6-排油冷却系统 7-液压系统
图2-3 系统总体构成
2.2 工作舱总体设计
2.2.1 工作舱设计参数确定
（1）工作舱工作基本要求
① 舱内有效工作内径为400mm ，因工件最大外径为360mm ，工作舱有效工作长度为1000mm ；
② 舱内的工作压力为35MPa ，工作温度为230℃；
③ 工作舱工作的环境温度为0～40℃；
④ 被测试件联结结构简单、拆装方便；
⑤ 在正常的工作条件下，釜体不发生塑性变形，密封可靠不泄露，安全使用总时间即工作舱寿命要大于（等于）2000小时
（2）设计压力
容器的设计必须考虑最高工作压力和最高工作温度可能同时出现的最苛刻
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条件的组合。

设计压力取略高于或等于最高工作压力。

g s P P ⨯=)1.1~05.1(
式中Ps ——设计压力
Pg ——最高工作压力，Pg =35MPa
代入上式后得Ps =36.75～38.5 （Mpa ）
考虑到存在的其它实际问题，取设计压力为40 Mpa 。

（3）设计温度
釜内介质被热载体或冷载体间接加热或冷却时，热载体的设计温度根据加热或冷却的方式来选取，对于外加热形式，取热载体的最高工作温度作为设计温度。

工作舱内工作介质（硅基油）是通过釜体间接加热的。

因为釜内试件试验最高工作温度为230℃，为提高加热效率，釜外加热温度应高于该温度。

根据表2-1所示的35CrMo 材料的高温强度，限定釜外加热炉的最高温度在300～500℃之间，取其设计温度为400℃。

表2-1 35CrMo 材料的高温强度 t （℃） 20 100
100＜t ≤300 300＜t ≤500 500＜t ≤800 [б]t （MPa ） 292
219 205 199 175 2.2.2 工作舱结构总体设计
（1）工作舱基本结构确定按容器的压力（P ），压力容器可分为低压、中压、高压、超高压四个等级。

具体为：
① 低压容器 0.1 MPa≤P ＜1.6 Mpa
② 中压容器 1.6 Mpa ≤P ＜10 Mpa
③ 高压容器 10 Mpa ≤P ＜100 Mpa
④ 超高压容器 P ≥100 Mpa
由检验系统技术要求可知，所设计的釜体工作压力为35Mpa ，为高压容器。

一般情况下，中、低压容器大多数采用薄壁容器，高压、超高压容器多采用厚壁容器。

厚壁容器有单层厚壁和多层厚壁。

单层厚壁结构有：
① 单层卷焊式圆筒：适用于D=400～3200mm P=10～100Mpa
② 单层瓦片式圆筒：适用于D=400～1800mm P=10～100Mpa
③ 锻环组成式圆筒：适用于D=400～1000mm P=10～200Mpa
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④ 无缝钢管式圆筒：适用于D ≤60mm
⑤ 整体锻造式圆筒：适用于D ≤1000mm P=10～200Mpa
⑥ 整体锻造自增式圆筒：适用于D ≤1000mm P=10～200Mpa
多层厚壁高压容器，用较薄钢板一层挨着一层制造成厚容器。

其综合机械性能优于单层厚壁高压容器，但其成本高于单层厚壁高压容器。

通过对比分析，整体锻造式结构制造工艺简单，可以外部控温，制造成本相对较低，所以系统釜体采用整体锻造式结构。

上盖也是整体锻件，用螺栓联结形成封闭的高温高压工作舱。

（2）工作介质选择
由于硅基油可视为不可压缩流体且其物性较稳定，故工作介质选硅基油。

（3）工作舱总体结构
如图2-4所示浮体高温高压性能检验系统工作舱由釜体、上盖、螺栓等部分组成。

釜体和上盖通过螺栓联接形成封闭舱，被检测浮体安装在上盖。

先通过加热炉对釜体进行加热，达到所需温度（230℃）后再加压，当压力达到35MPa 后保温保压8小时，从而检验浮体高温高压性能是否合格。

1-吊环2-上盖3-排气管接头4-夹具5-热电偶6-接头7-螺栓8-釜体9-浮体10-油孔
图2-4 高温高压工作舱总体构成。