顧和元，蘇尚文，劉增凱，趙榮軍

（1.河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘062552；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東 青島266580）①

膠芯作為環(huán)形防噴器的關(guān)鍵部件，在預(yù)防鉆井事故中起著至關(guān)重要的作用。通常，膠芯是由某種結(jié)構(gòu)的金屬骨架和橡膠硫化而成。膠芯的失效主要表現(xiàn)在橡膠疲勞導(dǎo)致的撕裂和脫落、支撐筋的疲勞斷裂2個(gè)方面［1］。目前，國(guó)際上通用的環(huán)形防噴器主要以GE HYDRIL和NOV SHAFFER為代表。前者的環(huán)形防噴器主要采用錐形膠芯結(jié)構(gòu)，后者的環(huán)形防噴器采用球形膠芯結(jié)構(gòu)。Cameron的環(huán)形膠芯則采用組合膠芯結(jié)構(gòu)，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。

FHZ28－105型環(huán)形防噴器作為140MPa防噴器組的重要組成部件，是目前國(guó)內(nèi)壓力最高的環(huán)形防噴器，其膠芯的性能關(guān)系到整套設(shè)備的可靠性。本文研究了該防噴器膠芯的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用有限元軟件分析其密封性能，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試該膠芯的可靠性。

1 密封原理

以GE HYDRIL的環(huán)形防噴器錐形膠芯結(jié)構(gòu)為例。工作時(shí)，帶有壓力的液壓油通過(guò)管線進(jìn)入關(guān)閉腔，依靠油壓推動(dòng)活塞豎直向上運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，運(yùn)動(dòng)著的活塞不斷擠壓膠芯，推動(dòng)膠芯徑向運(yùn)動(dòng)，使膠芯圍成的空間逐漸縮?。蛔罱K在膠芯中部形成密封帶，實(shí)現(xiàn)密封鉆桿或井筒環(huán)空的目的。密封鉆桿的原理如圖1所示。

圖1 環(huán)形防噴器錐形膠芯密封原理

當(dāng)需要打開防噴器時(shí)，帶有壓力的液壓油通過(guò)管線進(jìn)入開啟腔，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，使膠芯失去約束。膠芯依靠自身的彈性性能逐漸回彈至原始狀態(tài)，打開防噴器。

2 膠芯結(jié)構(gòu)

為使膠芯具有較高的密封可靠性，能夠產(chǎn)生滿足封井要求的密封比壓，必須保證膠芯具有足夠的儲(chǔ)膠量，即具有較大的貯膠比［2］。設(shè)計(jì)采用錐形膠芯結(jié)構(gòu)，由多個(gè)內(nèi)嵌的金屬骨架與橡膠硫化而成，如圖2。金屬骨架增強(qiáng)了膠芯的強(qiáng)度，并引導(dǎo)膠芯規(guī)則運(yùn)動(dòng)，有助于實(shí)現(xiàn)密封。金屬骨架的數(shù)量、尺寸和質(zhì)量取決于防噴器的尺寸和結(jié)構(gòu)，同時(shí)也要保證有足夠的儲(chǔ)膠量，還應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，以免在工作中因疲勞而折斷，從而引起安全事故。典型的金屬骨架結(jié)構(gòu)為具有一定角度的傾斜板，兩端與楔形板連接。采用理論計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合，優(yōu)化膠芯的外部結(jié)構(gòu)和骨架尺寸。

圖2 膠芯的結(jié)構(gòu)

3 有限元分析

3.1 橡膠的力學(xué)性能

橡膠作為一種高分子化合物，在常溫下形變可回復(fù)，在很小的外力作用下可以產(chǎn)生很大的形變（達(dá)1 000%），外力去掉后能迅速回復(fù)原狀。在變形過(guò)程中，體積幾乎不變，可歸類于不可壓縮的材料，密度保持常數(shù)。作為一種超彈性材料，具有雙重非線性的特點(diǎn)，即材料非線性和幾何非線性［3］。

橡膠相對(duì)于鋼是非常軟的，橡膠的彈性模量較低，約為10～100MPa。在有限元分析中，其材料的定義不是采用彈性模量等幾個(gè)參數(shù)，而是采用應(yīng)變能的形式。橡膠材料的定義有多種本構(gòu)模型，例如Mooney－Rivlin、Ogden和 Polynomial等。典型的是Polynomial，即多項(xiàng)式形式本構(gòu)模型，其應(yīng)變能密度表達(dá)式為

式中：I1和I2為應(yīng)變不變量；Cij和Di為與溫度有關(guān)的材料參數(shù)；Jel為彈性體積應(yīng)變。

其中，

式中：λ為伸長(zhǎng)張量；J為總的體積比。

特殊形式可以由設(shè)定某些參數(shù)為0來(lái)得到。如果所有Cij≠0，j＝0，則得到簡(jiǎn)化多項(xiàng)式模型為

對(duì)于完全多項(xiàng)式，如果N＝1，則只有線性部分的應(yīng)變能量。本計(jì)算采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)擬合，應(yīng)用二次多項(xiàng)式形式定義橡膠的本構(gòu)模型，其中N＝2。

3.1 有限元模型及分析結(jié)果

環(huán)形防噴器膠芯主要由橡膠和內(nèi)嵌的金屬骨架組成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。封井過(guò)程中橡膠的變形很大，為與試驗(yàn)結(jié)果相符，采用三維模型進(jìn)行計(jì)算。為了便于建模和有限元網(wǎng)格的劃分、提高計(jì)算效率，分析過(guò)程中采用了一些簡(jiǎn)化措施，即在總體尺寸與實(shí)物一致的基礎(chǔ)上，對(duì)橡膠膠芯和整體金屬支撐筋的形狀作了適當(dāng)簡(jiǎn)化，不考慮突起、圓弧過(guò)渡，忽略部分細(xì)節(jié)尺寸。由于膠芯為完全軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，計(jì)算時(shí)采用整個(gè)膠芯的1／4（90°）進(jìn)行計(jì)算。

3.1.1 形變位移

圖3為活塞行程L為40.0、150.2mm時(shí)膠芯密封127mm（5英寸）鉆桿時(shí)豎直方向的位移云圖。由圖3可以看出：在此過(guò)程中，活塞向上運(yùn)動(dòng)推動(dòng)膠芯，同時(shí)由于受到頂蓋、活塞和對(duì)稱面的約束使得膠芯產(chǎn)生徑向位移，最終封閉鉆桿。還可以看到：支撐筋之間橡膠的儲(chǔ)膠量較大，流動(dòng)性強(qiáng)，徑向位移大，是封閉膠芯內(nèi)部空隙的主要來(lái)源。

圖3 環(huán)形防噴器膠芯封127mm鉆桿時(shí)豎直方向的位移

3.1.2 接觸壓力

隨著活塞向上運(yùn)動(dòng)，擠壓前部橡膠，而鉆桿阻止了橡膠的徑向移動(dòng)，橡膠與鉆桿的接觸壓力逐漸增大，在L＝150.2mm時(shí)，橡膠與鉆桿之間的接觸壓力＞105MPa，達(dá)到封井壓力要求。接觸面的接觸壓力云圖如圖4所示。

3.1.3 應(yīng)力與應(yīng)變

影響膠芯壽命的主要因素是在封井過(guò)程中橡膠的應(yīng)力和應(yīng)變的變化情況，因此對(duì)在封井過(guò)程中的應(yīng)力和應(yīng)變的分析尤為重要。圖5為膠芯橡膠部分的應(yīng)變?cè)茍D。由圖5可以看到：最大的應(yīng)變集中在膠芯后面下部分，大部分單元的應(yīng)力＜20MPa，最大應(yīng)變?yōu)?97.1%。

圖5 密封127mm鉆桿時(shí)的橡膠應(yīng)變?cè)茍D

4 膠芯的制造

由于該膠芯承受的密封井壓為105MPa，選用的橡膠配方需要具有較高的拉伸強(qiáng)度；由于反復(fù)的擠壓變形，需要具有較大的扯斷伸長(zhǎng)率、疲勞強(qiáng)度和較小的永久變形。選用丁腈橡膠（NBR）為原材料。丁腈橡膠主要由單體丁二烯和丙烯腈通過(guò)乳液聚合而成，其拉伸強(qiáng)度和耐油性能主要是由較高極性的丙烯腈基團(tuán)決定。因?yàn)殡S著丙烯腈含量的提高，其耐油性能、耐熱性能、力學(xué)性能等均有所提高。因此選用丙烯腈含量高、強(qiáng)度大、門尼粘度中等、生熱少、加工性能良好、且質(zhì)量較為穩(wěn)定的丁腈橡膠。

為提高膠芯的各項(xiàng)物理性能，選用有機(jī)和無(wú)機(jī)的配合劑，適量的高耐磨炭黑等作為補(bǔ)強(qiáng)和填充劑，選用增粘樹脂與炭黑協(xié)同作用，使膠料伸長(zhǎng)率大、強(qiáng)度高、耐撕裂性能優(yōu)良。

橡膠試樣的試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 橡膠的性能參數(shù)

為保證膠芯的尺寸精度，在模具的設(shè)計(jì)中根據(jù)橡膠材料成形收縮的特殊性及橡膠的硬度、硫化溫度和時(shí)間，采用一定的比例進(jìn)行放大處理，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理的模具。在數(shù)控加工中心進(jìn)行精密加工。骨架采用合金鋼材料，精鑄成形，調(diào)質(zhì)處理，確保具有足夠的強(qiáng)度。

5 室內(nèi)試驗(yàn)

依據(jù)GB／T 20174—2006 標(biāo)準(zhǔn)［4］的要求，對(duì)該膠芯進(jìn)行了出廠試驗(yàn)驗(yàn)證和疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證。出廠試驗(yàn)包括封127mm（5英寸）管柱和空井，穩(wěn)壓10 min。疲勞試驗(yàn)密封127mm（5英寸）管柱，采用10.5MPa的液控關(guān)閉壓力關(guān)閉膠芯，低壓1.4～2.1MPa，高壓105MPa。每開關(guān)7次進(jìn)行1次密封壓力試驗(yàn)，共87個(gè)壓力循環(huán)，開關(guān)膠芯609個(gè)循環(huán)。按照防噴器現(xiàn)場(chǎng)使用要求，每天開關(guān)1次，每7 d進(jìn)行1次壓力循環(huán)，其使用壽命達(dá)到20個(gè)月，超過(guò)了API 16A（密封127mm 管柱，52個(gè)壓力循環(huán)，開關(guān)膠芯364個(gè)循環(huán)）規(guī)定的指標(biāo)。

疲勞試驗(yàn)后膠芯的磨損如圖6所示，可以看到：在膠芯下面外圓處和頂部破損較嚴(yán)重，頂部是橡膠損失最大的區(qū)域，主要原因是由于密封鉆桿時(shí)骨架與鉆桿之間以及鉆桿與鉆桿之間間隙的存在，致使橡膠從間隙處流失。該處橡膠的流失是膠芯密封失效的主要原因。

圖6 疲勞試驗(yàn)后膠芯磨損情況

6 結(jié)論

1） 通過(guò)對(duì)FHZ28－105型環(huán)形防噴器膠芯的有限元三維模擬計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，表明該錐形膠芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以滿足井口壓力為105MPa時(shí)，封閉127mm（5英寸）鉆桿和全封井口的要求，橡膠的變形及應(yīng)力在橡膠的彈性范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)和制造完全滿足GB／T 20174—2006標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2） 在膠芯的下面外圓處和膠芯的頂部，橡膠容易撕裂和脫落。建議增強(qiáng)橡膠與支撐筋之間的粘結(jié)力，以防止環(huán)形膠芯損壞。

3） 105MPa環(huán)形防噴器膠芯的研制成功，為國(guó)產(chǎn)高壓環(huán)形防噴器奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，為高壓油氣開采提供了可靠的保障。

［1］裴東林，楊 勇，李天德.環(huán)形防噴器膠芯失效的原因及提高膠芯使用壽命措施的分析［J］.裝備制造，2009（11）：143.

［2］林 軍.液壓球形防噴器膠心骨架的力學(xué)分析［J］.石油機(jī)械，1990（6）：1－5.

［3］何朝東，何祖清，葉 峰，等.封隔器工作性能試驗(yàn)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（2）：37－38.

［4］GB／T 20174—2006，鉆井和采油設(shè)備 鉆通設(shè)備［S］.