朱　明，宋滿華

(中石化石油機械股份有限公司研究院，武漢 430000)

0　引言

牙輪鉆頭工作時鉆頭徑向密封圈本身并不參與軸承承載，軸承對它的影響是使之處于熱源環(huán)境、高壓環(huán)境和不規(guī)則的振動狀態(tài)之中[1-2]。為提高牙輪鉆頭密封圈的密封性能和使用壽命，研究學者主要從3個方面對其進行優(yōu)化改進[3-7]：1)研制及選用新型密封材料；2)研究及使用新型密封結構；3)合理設計及提高制造裝配精度。而試驗法、解析法和有限元法是實現上述優(yōu)化方案的主要方法[8-13]。橡膠密封圈的設計和使用不當均會加速其損壞，喪失密封性能。橡膠徑向密封鉆頭在井底的高溫和高壓條件下破壞的主要原因是，材料的永久變形和被擠入密封間隙而引起的間隙咬傷，以及密封圈在運動時出現扭曲的現象。而橡膠材料的壓縮永久變形與溫度有關，相同材料的密封圈在同一溫度下截面直徑越大，密封圈壓縮永久變形率越低；因此，本研究通過改善牙輪鉆頭軸承密封圈的截面形狀，建立有限元模型，進行優(yōu)化分析，設計出合理的壓縮率，以增強密封圈的抗咬合和扭曲能力，提高橡膠密封鉆頭的使用壽命。

據某公司樣本介紹，在相同鉆井工況下，高縱橫比橡膠密封圈(如圖1所示，以下稱扁平密封圈)壽命比O形密封圈壽命更長，特殊的密封穩(wěn)定結構能保持密封圈處于軸承的最佳密封位置。

圖1　扁平密封圈Fig.1　Flat sealing ring

1　扁平橡膠密封結構設計核算

橡膠密封圈屬于擠壓型彈性體環(huán)形密封，設計時需要嚴格控制的參數主要有密封圈的自由內徑、截面壓縮率和圈槽體積比。

1.1　密封圈自由內徑核算

橡膠密封圈主要適用低轉速、短周期的旋轉軸密封。當圓周速率低于0.5 m/s時，密封圈選擇可按正常設計標準；當圓周速率大于0.5 m/s時，拉長的橡膠圈受熱后會收縮，需要克服“卡夫-焦耳效應”。故選擇密封圈內徑需大于密封軸直徑3%～5%[14]。密封圈在溝槽中安裝后，導致密封圈受到徑向壓縮，密封圈在溝槽中形成微量波紋狀，從而改善了潤滑條件。圈內徑與軸直徑比值表示為：

K=d/DS

(1)

式中：d是圈內徑，DS是軸直徑。

8 1/2″扁平密封圈和8 1/2″O形密封圈自由內徑設計值如表1所示。由表1可知，扁平密封圈和O形密封圈的內徑設計值均未達到旋轉密封所要求的范圍，其內徑值可增大3%～4%。

表1　橡膠密封圈自由內徑值Table 1　Calculation of free inner diameter of rubber sealing rings

1.2　截面壓縮率核算

在鉆進過程中，牙輪密封圈的密封力由初始安裝的壓縮變形接觸壓力和井底介質壓力引起的密封面接觸壓力增量組成，初始密封力的大小主要通過調節(jié)橡膠密封圈的截面壓縮率來控制，過大的密封力會造成密封圈永久變形或因摩擦發(fā)熱量過大造成密封圈磨損加快。橡膠密封圈外徑壓縮率表示為：

(2)

式中：r是圈直徑，DH是孔直徑。

橡膠密封圈截面壓縮率表示為：

(3)

O形旋轉密封外徑的壓縮率一般應控制在3%～8%。具體結果如表2所示。由表2可知，兩種密封結構的外徑壓縮率均小于3%，扁平密封圈截面壓縮率較O形密封圈小很多，扁平密封實際壓縮量為0.68 mm，O形密封為0.81 mm。但由于兩種密封圈的密封接觸寬度不一樣，其具體密封力大小需實際測定或有限元分析對比才能得出。扁平密封截面形狀與O形密封有較大的差別，其外徑壓縮率和截面壓縮率大小設計控制范圍還有待驗證。

表2　橡膠密封圈外徑壓縮率和截面壓縮率Table 2　Outer diameter compression ratio and cross-section compression ratio of rubber sealing ring

1.3　圈槽體積比

密封溝槽的尺寸參數取決于密封圈的尺寸參數。溝槽尺寸可按體積計算，通常要求矩形溝槽的尺寸比圈的體積大15%左右[15]。這是因為：密封圈裝入溝槽后，承受3%～30%的壓縮，而橡膠材料泊松比接近0.5，在體積上可認為是不可壓縮的，所以溝槽中應有容納密封圈變形的空間。但這個空間不能過大，否則在交變壓力的作用下就會變成有害的“游隙”，而增加密封圈的磨損。

由表3可知，扁平密封槽圈體積比達1.30，有足夠的壓縮變形和膨脹空間；其兩側設置有周向斷開的凸起結構允許潤滑介質和泥漿進入側向空間來冷卻密封圈并限制密封圈在側向的串動，并與溝槽配合設計可防止密封圈發(fā)生扭轉和被咬傷。

槽圈體積比表示為：

式中：SG是槽截面積，SO是圈截面積，槽、圈截面積通過幾何模型測定。

表3　槽圈體積比計算Table 3　Calculation for volume ratio of groove to ring

2　扁平密封材料性能指標測試

利用CMT5105電子萬能試驗機和自制徑向密封力測試夾具(圖2)，對8 1/2″扁平密封圈和試制圈(試制圈橡膠材料與8 1/2″O形密封圈材料相同)進行從壓縮量為5%～15%對應的徑向密封力測試，得出扁平橡膠密封與O形密封圈材料性能對比結果，如表4所示。

由表4可知，與O形密封圈相比，扁平密封圈永久壓縮變形率與其相同，邵氏硬度、50%伸長應力、ASTM3指標均低于O形密封圈，其中扁平密封圈50%定伸長應力僅為O形密封圈的70.41%；因此，相同尺寸設計時扁平密封橡膠圈的密封力較小，但其抗壓縮應力松弛能力更好。

表4　扁平橡膠密封與O形密封圈材料性能對比Table 4　Comparison of material performance between flat-ring and O-ring

圖2　密封力測試夾具Fig.2　Testing fixture of sealing force

3　密封力值和密封寬度有限元分析對比

由扁平密封結構尺寸核算可知，扁平密封截面壓縮率為6.79%,小于O形密封截面壓縮率12.80%，實際壓縮量扁平密封為0.68 mm，O形密封為0.81 mm。而O形密封內徑圓弧直徑為6.35 mm，扁平密封為5.00 mm，即在工作狀態(tài)下相同材料的O形密封要比扁平密封接觸壓力大，密封寬度要寬。有限元量化分析對比結果如下：

3.1　密封圈的接觸壓力分布

考慮牙輪鉆頭不同軸向竄動量和密封壓差的使用工況，計算密封區(qū)域接觸壓力和橡膠體應力分布。設置最大軸向竄動量為0.4 mm，密封壓差為0.5 MPa。牙掌和牙輪作適當簡化，密封溝槽和密封部位保留原有結構，扁平密封圈穩(wěn)定結構簡化為連續(xù)筋結構。

密封圈在不同工況下的變形和接觸壓力分布如圖3所示，O形密封圈與扁平密封圈最大接觸壓力對比如表5所示。從圖3、表5中可以看出，壓差的作用會使密封面上的接觸壓力增加；與O形密封圈相比，初始安裝狀態(tài)扁平密封圈最大接觸壓力下降了20.91%，但施加壓差作用后，兩者的接觸壓力相差變小，扁平密封圈最大接觸壓力降幅為3.59%～5.92%；竄動量對接觸壓力大小影響較小，竄動量由0增加到0.4 mm，O形密封圈最大接觸壓力變化幅度為3.92%，扁平密封圈最大接觸壓力變化幅度為1.25%。

圖3　密封圈在不同工況下接觸壓力分布和變形情況Fig.3　Distribution of contact stress and deformation of sealing ring at different conditions表5　O形橡膠圈與扁平密封最大接觸壓力對比(密封壓差0.5 MPa)Table 5　Comparison of maximum cpress between Flat-ring and O-ring (seal differential pressure at 0.5 MPa)

ItemMaximumcpressofO-ring/MPaMaximumcpressofflat-ring/MPaRateofchange/%Initialinstallation2.111.67-20.91Movement0mm3.453.24-5.92Movement0.1mm3.423.24-5.10Movement0.2mm3.393.23-4.49Movement0.3mm3.353.22-4.12Movement0.4mm3.323.20-3.59

3.2　密封圈的接觸帶寬情況

通過有限元計算可獲得密封圈在不同工況下旋轉動密封接觸區(qū)域帶寬變化(圖4)，從圖中不難看出，扁平密封接觸帶寬小于O形圈，在相同工況條件下磨損和發(fā)熱量小。

圖4　動密封區(qū)域接觸帶寬Fig.4　Contact bandwidth of dynamic sealing area

4　結論

1)扁平橡膠密封圈內徑設計值可適當調整，其截面壓縮率較常規(guī)O形圈降低了46.95%。側向穩(wěn)定結構設計在牙輪軸向竄動和有壓差時能夠有效防止密封側面完全貼合于溝槽側面，保證密封圈處于合適的位置。

2)扁平密封圈橡膠材料較O形密封圈硬度低，50%定伸應力下降了29.59%。

3)扁平密封圈壓縮率和壓縮量要小于O形密封圈，裝配后徑向密封力值和密封寬度小于O形密封，相同工況下其耐磨損性能更好。

4)在軸承內外壓差的作用下扁平密封徑向密封力迅速增加，在0.5 MPa時其徑向密封力值接近O形密封圈。扁平密封圈的密封寬度隨著牙輪串動量的改變而變化。扁平密封圈結構設計的特點使得其相比O形密封圈穩(wěn)定性更好，在相同鉆井工況下壽命更長。

[1] 陳葆真. 改進牙輪鉆頭軸承密封的探討[J]. 天然氣工業(yè),1990(4):50-51.

[2] 陳家慶. 牙輪鉆頭軸承徑向密封的研究[J]. 潤滑與密封,1995(3):17-22.

[3] 王學榮,王云濤,王永忠,等. 牙輪鉆頭軸承用O型橡膠密封圈耐熱配方的研究[J]. 橡塑資源利用,2008(3):18-21.

[4] 陳飛,陳家慶,劉鵬程,等. 牙輪鉆頭金屬密封環(huán)表面噴涂WC-Co涂層耐磨性研究[J]. 表面技術,2009,38(5):1-2.

[5] 蒲勇,況雨春,劉志鵬,等. 牙輪鉆頭密封試驗機的研制[J]. 鉆采工藝,2009,32(5):54-56.

[6] 肖祥,陳波,孫春梅,等. 高速牙輪鉆頭軸承雙金屬密封結構優(yōu)選分析[J]. 石油機械,2014,42(10): 30-33.

[7] 王占彬,范金娟,肖淑華,等. 橡膠密封圈失效分析方法探討[J]. 失效分析與預防,2015,10(5):314-319.

[8] 胡湘炯,任韶然,羅緯. 碟型密封圈的試驗研究[J]. 石油礦場機械,1985(1): 1-6.

[9] 劉天然,唐蓮英. 三牙輪鉆頭滑動軸承的密封—儲油補償系統(tǒng)的試驗研究[J]. 石油礦場機械,1981(1):24-29.

[10] 張寶生,陳家慶,蔣立培. 牙輪鉆頭單金屬浮動密封結構的密封機理[J]. 石油機械,2003,31(2):1-3.

[11] 周已,黃志強,安先彬,等. 高速牙輪鉆頭軸承雙金屬密封失效分析及改進[J]. 石油礦場機械,2011,40(8):50-53.

[12] 沈桓宇. 三牙輪鉆頭軸承結構強度分析與參數研究[D]. 成都:西南石油大學,2015:1-7.

[13] 鄧敏凱. 牙輪鉆頭單金屬密封圈有限元仿真分析[J]. 中國石油和化工標準與質量,2013,33(20):124-125.

[14] 顧景文. 摩檫學與潤滑技術[M]. 北京:兵器工業(yè)出版社,1992:11-12.

[15] 曹關寶. O形密封圈壓縮率和槽圈體積比核算[C]//第五屆全國摩擦學學術會議論文集(下冊). 北京:中國機械工程學會摩擦學分會,1992:9.