泛塞封密封性能仿真

蘭曉冬，周紅軍，丁輝，丁靜

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 機(jī)械設(shè)備技術(shù)服務(wù)中心， 天津 300452)

摘要：考慮到歷年的采油樹節(jié)流閥維修中，因節(jié)流閥密封失效導(dǎo)致閥門泄露占總維修次數(shù)的50%，擬用密封性能更可靠的泛塞封代替節(jié)流閥原V形密封，利用仿真軟件計(jì)算分析其密封性能，分析對比不同“過盈量”下的密封效果，選擇出最佳“過盈量”。

關(guān)鍵詞：節(jié)流閥；密封件；仿真；過盈量

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.030

中圖分類號：U662.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0109-04

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一蘭曉冬(1989-)，男，碩士，工程師

Abstract:According to statistics of valve repairing in the Christmas tree, the valve leakage caused by valve seal failure accounted for 50% of the total number of repairing. The pan plug seal with more reliable sealing performance is attempted to replace the original V type seal. The sealing performance is analyzed by the simulation software. The sealing effects of different interference are compared with, so shat the best interference is chosen.

修回日期：2015-09-01

研究方向:海洋鉆(修)機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)及管理

E-mail:lanxd@cnooc.com.cn

密封件是絕大多數(shù)機(jī)械設(shè)備上不可缺少的輔件，是保證現(xiàn)代工業(yè)高效、持久、安全和穩(wěn)定運(yùn)行必不可少的重要技術(shù)產(chǎn)品。在石油和石油化工工業(yè)中，有近90%的旋轉(zhuǎn)設(shè)備采用機(jī)械密封[1]。在石油化學(xué)工業(yè)設(shè)備中，離心機(jī)泵占全部機(jī)泵的85%以上，而離心機(jī)維修工作量的70%左右都是針對密封問題[2]。

采油樹是閥門和配件組成的總成，用于油氣井的流體控制，為油氣井產(chǎn)出流體及洗井液等提供出入口。2014年8月，公司接到某平臺的海洋井口采油樹故障維修委托書，對該口井采油樹的節(jié)流閥進(jìn)行維修。在井口采油樹拆解過程中，發(fā)現(xiàn)失效原因是節(jié)流閥原密封損壞而導(dǎo)致閥門泄露。在歷年的采油樹節(jié)流閥維修中，由于節(jié)流閥密封失效導(dǎo)致閥門泄露占總維修次數(shù)的50%。為此，擬用密封性能更可靠的泛塞封代替節(jié)流閥原V形密封，降低密封圈失效維修頻次。

1泛塞封簡介

泛塞封是近10年間發(fā)展起來的一種新型密封方式，該類型的密封件結(jié)構(gòu)與Y形圈類似，Y形圈溝槽內(nèi)部無支撐件，而泛塞封則是以U形聚四氟乙烯材質(zhì)為基體，并在溝槽內(nèi)部裝入特殊形狀的高性能彈簧作為支撐件。當(dāng)泛塞封密封件裝入密封溝槽后，依靠泛塞封密封件的初始形變和彈簧支撐力提供初始接觸應(yīng)力，隨著介質(zhì)壓力的升高，主要的密封力由介質(zhì)壓力提供，此時(shí)，彈簧支撐件僅提供輔助密封力，這樣保證了泛塞封密封件從低壓甚至零壓到高壓都具有非常優(yōu)異的密封性能。

泛塞封既可以用于靜密封，也可用于動密封。其密封原理圖見圖1.

圖1　泛塞封密封原理

泛塞封的基體采用聚四氟乙烯或聚四氟乙烯的復(fù)合材料。聚四氟乙烯是四氟乙烯的聚合物，英文縮寫為PTFE，商品名為“鐵氟龍”，被美譽(yù)為“塑料之王”。

聚四氟乙烯具有一系列優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)[3]。

1)耐高低溫。從-196～250 ℃均可保持良好的性能。

2)耐交變溫差。具有現(xiàn)階段塑料中最佳的老化壽命。

3)摩擦系數(shù)極小。是所有固體材料中摩擦系數(shù)最小的材質(zhì)，可低至0.04。

4)不粘性。具有固體材料中最小的表面張力而不粘附任何物質(zhì)。

5)耐腐蝕。具有非常穩(wěn)定的化學(xué)性能，是世界上耐腐蝕性最佳的材料之一。除了會與熔融堿金屬、氟化物和300 ℃以上的氫氧化鈉反應(yīng)之外，能承受所有強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑、還原劑和各種有機(jī)溶劑的侵蝕，即使在王水中煮沸也不發(fā)生任何變化。

正是由于聚四氟乙烯具有很優(yōu)異而穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，而被廣泛的用于生產(chǎn)和生活的許多領(lǐng)域。目前，各類聚四氟乙烯制品已在化工、機(jī)械、電子、電器、軍工、航天、環(huán)保和橋梁等國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中起到了舉足輕重的作用[4]。

在聚四氟乙烯發(fā)現(xiàn)初期，一直被美國秘密用于軍事工業(yè)，直到20世紀(jì)50年代才被應(yīng)用于密封。和一般的螺旋密封件相比，這是一種很好的彈性密封材料[5]。隨著聚四氟乙烯技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)明聚四氟乙烯的復(fù)合材料，以獲得更好的物理化學(xué)性能，例如強(qiáng)度、硬度、抗蠕變性、抗冷流性等。用聚四氟乙烯材料做成的密封圈可用于介質(zhì)壓力高達(dá)200 MPa，線速度高達(dá)15 m/s的動密封和各種靜密封中。

2泛塞封設(shè)計(jì)

密封件的設(shè)計(jì)應(yīng)基于密封件的使用工況及與其配合的溝槽尺寸，采油樹節(jié)流閥的使用工況如下：

1)工作壓力。70 MPa，設(shè)計(jì)壓力應(yīng)為105 MPa。

2)工作溫度范圍。-29～121 ℃。

3)密封形式。動密封和靜密封。

由于節(jié)流閥內(nèi)部每個(gè)密封件的設(shè)計(jì)思路一致，故取其中一處為例進(jìn)行分析，與其配合的溝槽尺寸見表1。

表1　密封溝槽尺寸　cm

為使密封件在受壓時(shí)，密封件兩側(cè)密封件唇口受力均勻，密封件外形尺寸采用對稱設(shè)計(jì)原則，即密封件的外形關(guān)于密封溝槽中心軸線對稱。取密封件唇口與密封溝槽“過盈量”為0.2 mm，設(shè)計(jì)的密封件外形尺寸見圖2。

圖2　密封件外形尺寸

3泛塞封密封性能仿真

對設(shè)計(jì)的密封件，并不知道其密封性能，若設(shè)計(jì)出后直接加工再試驗(yàn)，則研發(fā)成本較大，故在設(shè)計(jì)完成之后，用仿真軟件對其進(jìn)行密封仿真,可大大降低研發(fā)成本。對于該密封件密封性能的仿真，采用ABAQUS仿真軟件。ABAQUS軟件的使用與其他仿真軟件類似，均是按照建模、劃分網(wǎng)格、施加邊界條件、計(jì)算、后處理的步驟進(jìn)行。

3.1模型建立

密封件安裝在密封溝槽里屬于軸對稱的三維模型，為減小計(jì)算量，將三維模型簡化為二維模型，且密封耦合面用屬性為離散剛體的線段代替，即密封耦合面不發(fā)生任何形變，密封件則用其截面形狀代替。同時(shí)，在密封溝槽進(jìn)口設(shè)置倒角，易于模擬密封件的安裝。由于在密封件受到高壓作用時(shí)，彈簧基本不為密封唇口提供彈力，而是靠高壓介質(zhì)為唇口提供力的作用，同時(shí)為了減小仿真難度，在仿真模型中不考慮彈簧。

簡化模型見圖3。

圖3　簡化模型示意

3.2材料屬性

由于密封耦合面設(shè)定為離散剛體，故不需要對其進(jìn)行材料屬性賦予，只需對密封件進(jìn)行材料屬性設(shè)置。

在編輯材料菜單時(shí)，選擇力學(xué)-彈性-彈性，設(shè)置其中的楊氏模量與泊松比分別為280和0.4，并將設(shè)置的材料賦予給密封件。

3.3劃分網(wǎng)格

對溝槽和密封件都要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，密封件的網(wǎng)格見圖4。

圖4　密封件網(wǎng)格用于模擬密封件安裝進(jìn)溝槽

3.4設(shè)置分析步

該分析總共有兩個(gè)分析步(不包括初始分析步)，第一步：主要對密封件和密封耦合面的接觸屬性進(jìn)行設(shè)置。如圖5，將圖中對應(yīng)顏色的線段設(shè)置為“表面與表面接觸”屬性。

第二步模擬密封件受到105.0 MPa的介質(zhì)壓力。

3.5相互作用設(shè)置

圖5　相互作用屬性設(shè)置

3.6設(shè)置載荷

主要對模擬密封件安裝進(jìn)溝槽和在溝槽內(nèi)受到介質(zhì)壓力的邊界條件進(jìn)行設(shè)置。密封件安裝進(jìn)溝槽的邊界條件設(shè)置為向下運(yùn)動的位移，見圖6 a)；受壓時(shí)的邊界條件設(shè)置為在圖6 b)中所示的線段上施加105.0 MPa的壓力。

圖6　載荷設(shè)置示意

對于仿真結(jié)果，用以下兩條評判標(biāo)準(zhǔn)判斷所設(shè)計(jì)的密封件是否滿足使用要求：

1)密封唇口與密封耦合面的接觸應(yīng)力應(yīng)大于介質(zhì)壓力。

2)當(dāng)密封件受到105.0 MPa的高壓發(fā)生形變后，溝槽口的寬度應(yīng)小于彈簧直徑。若大于彈簧直徑，則在使用過程中，彈簧有可能迸出密封件而影響密封件的性能。

當(dāng)密封件與密封溝槽的“過盈量”為0.2 mm且受到105.0 MPa的介質(zhì)壓力時(shí)，仿真結(jié)果見圖7。

圖7　受105 MPa壓力時(shí)接觸應(yīng)力

由圖7可知，當(dāng)密封件受到105.0 MPa的介質(zhì)壓力時(shí)，接觸應(yīng)力為109.8 MPa。經(jīng)測量，密封件溝槽口寬度小于彈簧直徑，故此設(shè)計(jì)符合密封要求。

既然0.20 mm的“過盈量”滿足密封要求，則可嘗試將“過盈量”減小，因?yàn)椤斑^盈量”越小，密封件的安裝難度越小。取“過盈量”為0.18 mm，仿真該情況下的密封性能，仿真結(jié)果見圖8。

圖8　“過盈量”為0.18 mm時(shí)的應(yīng)力結(jié)果

由圖8可知，當(dāng)“過盈量”為0.18 mm時(shí)，接觸應(yīng)力只有104.0 MPa，小于介質(zhì)壓力105.0 MPa，故此“過盈量”不滿足密封要求。

綜上所述，當(dāng)取密封件與密封溝槽的“過盈量”為0.20 mm時(shí)，能滿足密封要求。

4結(jié)論

從所設(shè)計(jì)的密封件尺寸及其使用工況入手，利用軟件對其受到介質(zhì)高壓時(shí)的受力進(jìn)行仿真計(jì)算分析，從理論上研究了其密封性能的可靠性，進(jìn)一步驗(yàn)證了用泛塞封替代原節(jié)流閥V形密封圈的可行性。

討論分析密封件與密封溝槽之間的“過盈量”選擇，得到最佳“過盈量”，為類似密封件的設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳云龍.淺談石油化工泵用機(jī)械密封技術(shù)的選擇與發(fā)展[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013(3):104.

[2] 彭旭東，王玉明，黃興，等.密封技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].液壓氣動與密封,2009(2)：4.

[3] 李大武，邢婷，孫挺，等.聚四氟乙烯密封的研究進(jìn)展[J].有機(jī)氟工業(yè)，2009(2)：11-12.

[4] 呂楠.聚四氟乙烯生產(chǎn)現(xiàn)狀與改性進(jìn)展[J].有機(jī)氟工業(yè)，2004(2)：10-13.

[5] 管從勝，王威強(qiáng).氟樹脂涂料及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

Simulation Study on the Sealing Performance of the Pan Plug

LAN Xiao-dong, ZHOU Hong-jun, DING Hui, DING Jing

(CNOOC Energy Development Equipment Technology Co. Ltd, Tianjin 300452, China)

Key words: valve; seal; simulation; interference