陶玉瑾 趙 鈺 易 帥 張 紅 馮 定

(1.長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 湖北荊州 434023;2.湖北省油氣鉆完井工具工程技術(shù)研究中心 湖北荊州 434023)

隨著高壓環(huán)境密封技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)密封安全性能的要求越來(lái)越嚴(yán)格，目前高壓密封技術(shù)在石油、化工、航空航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。MEC密封圈是一種用于高壓下的非金屬密封圈，具有良好的耐腐蝕性、耐高壓性以及抗擠壓變形能力[1-2]。

目前高壓非金屬密封核心技術(shù)被國(guó)外壟斷，Vetco Gray公司研究了HT-SG密封，提出兩端金屬和中間彈性體的組合密封能承載較強(qiáng)徑向力，常用于修井油井[3]；Cameron公司研究了MEC密封，與HT-SG相比減少了金屬包裹面積，提出中間彈性體可修復(fù)金屬表面的損傷[4]；Dril-Quip公司研究了SA密封結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)是組合式密封，金屬占較大面積，下部金屬半包裹橡膠的密封結(jié)構(gòu)[5]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)針對(duì)高壓密封技術(shù)也進(jìn)行了自主設(shè)計(jì)和研究。黃興等人[6]綜述了近年國(guó)內(nèi)橡塑密封行業(yè)的發(fā)展情況，以及橡塑密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、橡塑密封材料等發(fā)展現(xiàn)狀，分析了國(guó)內(nèi)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家密封技術(shù)的差距，提出了橡塑密封技術(shù)的發(fā)展方向。賀秋云等[7]介紹了2種高溫高壓井下密封結(jié)構(gòu)，分析了常用 3 種橡膠材料的使用特性和技術(shù)問(wèn)題，最后對(duì)高溫高壓井下橡膠密封件使用、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等提出了建議。王國(guó)志、樊智敏等[8-9]針對(duì)深海高壓工況，研究了壓縮率、高介質(zhì)壓力等工作參數(shù)對(duì)O形圈密封性能的影響，使其在深海高壓下具有更好的密封性能。李振濤等[5,10]提出了一種MEC密封結(jié)構(gòu)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并分析壓縮量和工作壓力對(duì)密封性能的影響。趙宏林等[11]分析了MEC密封原理，設(shè)計(jì)了一種測(cè)試MEC密封性能的試驗(yàn)裝置。目前國(guó)內(nèi)對(duì)MEC高壓密封的研究主要集中在壓縮量和外部載荷對(duì)密封性能的影響，缺少密封圈本身結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封性能影響的研究。本文作者以油管懸掛器非金屬密封為研究對(duì)象，基于單因素敏感性分析法，研究MEC密封圈結(jié)構(gòu)對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和性能的影響規(guī)律，為MEC密封圈的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究奠定基礎(chǔ)。

1 基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

MEC密封圈是基于O形圈所設(shè)計(jì)的一種帶金屬端帽的非金屬密封圈。常規(guī)O形圈的主要失效形式為橡膠擠壓入密封間隙，或是擠壓密封爆炸，而MEC密封圈的金屬端帽可以有效防止彈性體壓入間隙，防止介質(zhì)與彈性體直接接觸[12]。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩端為金屬端帽，中間為彈性體，金屬通過(guò)硫化處理與彈性體粘結(jié)在一起。硫化處理是利用硫化膠黏劑粘合橡膠與金屬，綜合橡膠的高彈性與金屬的高強(qiáng)度，使密封圈性能大大改善，獲得更好的強(qiáng)度和耐蝕、耐磨性[13]。

圖1 MEC密封圈結(jié)構(gòu)示意

MEC密封圈作為懸掛器金屬密封的輔助非金屬密封，安裝時(shí)由于存在過(guò)盈量，被密封件對(duì)MEC密封圈產(chǎn)生預(yù)緊力，彈性體受擠壓變形，產(chǎn)生一定能量使金屬端帽與被密封面壓緊貼合；密封圈正常工作時(shí)，彈性體形成穩(wěn)定密封帶，介質(zhì)壓力作用于密封圈一端的金屬端帽，彈性體膨脹而實(shí)現(xiàn)自緊密封[14]。

圖2所示為安裝于油管懸掛器的MEC密封圈實(shí)物圖。文中根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的研究，建立MEC密封圈模型，如圖3所示，模型安裝于密封溝槽中，其具體結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示。

圖2 油管懸掛器密封

圖3 MEC密封圈結(jié)構(gòu)受力示意

表1 MEC密封圈主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 仿真計(jì)算模型建立

2.1 模型與網(wǎng)格劃分

由于MEC密封圈結(jié)構(gòu)和受載形式均可簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱(chēng)形式[15]，為得到更高的計(jì)算精度和更少的計(jì)算成本，采用二位軸對(duì)稱(chēng)計(jì)算模型進(jìn)行模擬仿真。

對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，細(xì)化所有接觸位置，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，并結(jié)合計(jì)算精度與成本，最終網(wǎng)格劃分如圖4所示。被密封件均為剛體，精度無(wú)要求，金屬端帽節(jié)點(diǎn)數(shù)為21 843，單元數(shù)為6 879；彈性體采用四面體網(wǎng)格劃分，其節(jié)點(diǎn)數(shù)為72 319，單元數(shù)為23 772。

圖4 有限元網(wǎng)格劃分示意

2.2 材料參數(shù)設(shè)置

MEC密封圈金屬端帽采用316不銹鋼，是一種奧氏體不銹鋼，因添加了鉬，其耐蝕性、耐腐蝕性和高溫強(qiáng)度特別好，通常在高溫高壓環(huán)境下使用。其密度為7 980 kg/m3，彈性模量為193 GPa，泊松比為0.27，屈服強(qiáng)度為172 GPa。

彈性體采用氫化丁腈橡膠(HNBR)，是一種對(duì)丁腈橡膠進(jìn)行特殊加氫處理的高飽和超彈性體，其低溫特性最好，硬度最大。彈性體選用Mooney-Revlin模型來(lái)描述橡膠材料的應(yīng)變能函數(shù)[16-17]：即

W=C10(J1-3)+C01(J2-3)+C20(J1-3)2+C11(J1-3)·(J2-3)+C02(J2-3)2+C30(J1-3)3+C21(J1-3)2(J2-3)+C12(J1-3)(J2-3)2+C03(J2-3)3+K(J3-1)2/2

(1)

式中：W為應(yīng)變能；C10～C03為Mooney-Rivlin模型材料力學(xué)性能常數(shù)；J1、J2、J3分別為應(yīng)力張量第1、2、3的縮減不變量；K為修正系數(shù)，K=6(C10+C01)/[3(1-2μ)]，μ為泊松比。

文中采用9參數(shù)的Mooney-Rivlin非線性模型，高階數(shù)模型可以描述更復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變曲線，所使用的參數(shù)值分別為

C10=20.6 MPa，C01=17.7 MPa,C20=1.94 MPa,C11=3.75 MPa,C02=14.16 MPa,C30=3.25×10-5MPa,C21=5.6×10-7MPa,C12=0.455 MPa,C03=1.665 MPa。

2.3 接觸設(shè)置

在實(shí)際工程中，接觸問(wèn)題為非線性問(wèn)題，其方法有常規(guī)Lagrange法、罰函數(shù)法、增廣Lagrange乘子法等[18]。文中模型接觸面為柔性體-剛性體的面與面接觸，含有復(fù)雜非線性因素，最終采用罰函數(shù)法。設(shè)定硫化處為綁定接觸，其他接觸為摩擦接觸。橡膠接觸的摩擦因數(shù)為0.2，金屬端帽接觸的摩擦因數(shù)為0.1。

2.4 邊界條件和加載方式

約束內(nèi)被密封件所有自由度，給外被密封件水平自由度?；趯?shí)際先安裝后工作的順序，將加載分為兩步：第一步，外被密封件水平方向位移模擬密封圈初始預(yù)緊狀態(tài)，壓緊密封圈；第二步，預(yù)緊后，一端金屬端帽受介質(zhì)壓力作用，模擬工況下的受力狀態(tài)。文中額定設(shè)計(jì)工作壓力為68.9 MPa。

2.5 仿真結(jié)果

等效應(yīng)力是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的表征，即等效應(yīng)力在小于材料許用應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力值越小，表明密封圈強(qiáng)度越高；接觸應(yīng)力是密封性能的表征，即按照最大接觸壓力準(zhǔn)則：最大接觸壓力應(yīng)大于介質(zhì)工作壓力[19]，接觸應(yīng)力越大，密封性能越好。

圖5所示為MEC全局等效應(yīng)力分布，最大應(yīng)力位于金屬端帽壓彎根部，沒(méi)有發(fā)生斷裂等失效形式。但是在實(shí)際加工金屬端帽時(shí)，彎曲根部會(huì)出現(xiàn)變薄情況，原因是工作時(shí)會(huì)發(fā)生壓變，使彎處變薄受傷。

圖5 全局等效應(yīng)力分布

圖6所示為MEC密封圈與內(nèi)、外被密封件密封的接觸應(yīng)力分布。內(nèi)密封面與外密封面接觸應(yīng)力分布大致相同，兩端的金屬端帽接觸部位應(yīng)力值較大，中間彈性體應(yīng)力值較小，密封接觸比較穩(wěn)定。文中結(jié)果與李振濤等[5]得到的結(jié)果相比，接觸應(yīng)力分布趨勢(shì)相同，金屬端帽應(yīng)力值遠(yuǎn)大于彈性體應(yīng)力值，彈性體應(yīng)力分布穩(wěn)定，規(guī)律具有一致性。

圖6 MEC密封圈與內(nèi)、外被密封件接觸應(yīng)力分布

根據(jù)密封原理和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，MEC密封圈彈性體起主要密封作用，金屬端帽的作用是防擠壓，故文中主要對(duì)彈性體密封特性進(jìn)行研究。

如圖7所示為彈性體等效應(yīng)力分布，最大應(yīng)力位于內(nèi)側(cè)密封面。圖8所示為彈性體的接觸應(yīng)力云圖，最大接觸應(yīng)力位于密封面的中部，延伸上下兩端應(yīng)力逐漸遞減，外側(cè)接觸應(yīng)力始終大于內(nèi)測(cè)接觸應(yīng)力，是因?yàn)橥鈧?cè)受主要的周向壓縮，接觸面積始終小于內(nèi)側(cè)接觸面積。

圖7 彈性體等效應(yīng)力分布

圖8 彈性體接觸應(yīng)力分布

提取彈性體密封路徑的接觸應(yīng)力，與內(nèi)、外被密封件密封的接觸應(yīng)力分布如圖9所示。密封面與被密封面接觸應(yīng)力呈“山峰”分布，應(yīng)力值先增大后減小，最大值出現(xiàn)在接觸中部，接觸應(yīng)力由中間向兩端逐漸減小。內(nèi)密封工作狀態(tài)下的接觸應(yīng)力值為100～180 MPa，外密封的接觸應(yīng)力為150～200 MPa，接觸應(yīng)力均大于介質(zhì)壓力，介質(zhì)不泄漏，密封狀態(tài)良好。內(nèi)密封整體曲線平滑，近似對(duì)稱(chēng)分布。外密封在8 mm處應(yīng)力有較小突變，是由于密封時(shí)金屬端帽與彈性體黏結(jié)處受到擠壓力，出現(xiàn)應(yīng)力集中。

圖9 彈性體與內(nèi)、外被密封件接觸應(yīng)力分布

3 密封圈結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封性能的影響

利用上述仿真方法，以安裝在油管懸掛器處MEC密封圈為研究對(duì)象，研究彈性體和金屬端帽主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)強(qiáng)度和密封性能的影響。

3.1 中間彈性體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封性能的影響

3.1.1 橡膠內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度l

為分析MEC密封圈橡膠內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度對(duì)密封性能的影響，文中對(duì)10.4～15 mm內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度范圍進(jìn)行了研究。

如圖10所示，在其他條件不變的情況下，內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度增加，等效應(yīng)力下降，因?yàn)閮?nèi)側(cè)橡膠長(zhǎng)度增加導(dǎo)致內(nèi)側(cè)金屬端帽縮短，擠壓彈性體帶來(lái)的應(yīng)力變小。內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度從10 mm增至13 mm時(shí)，等效應(yīng)力降低約50%；但當(dāng)內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度值為13 mm時(shí)，等效應(yīng)力下降趨勢(shì)減緩。最大接觸應(yīng)力隨內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度的增加有小幅度增長(zhǎng)，這是由于內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度的變化決定了金屬端帽的長(zhǎng)度，當(dāng)內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度增加時(shí)，金屬端帽長(zhǎng)度相應(yīng)減少，金屬端帽“分擔(dān)”接觸力減少，彈性體受到的接觸力增加。在考慮實(shí)際密封溝槽的長(zhǎng)度下，內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，密封強(qiáng)度與性能越好。

圖10 不同橡膠內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)力的影響

3.1.2 外側(cè)圓弧半徑R

密封圈外側(cè)橡膠材質(zhì)與采油樹(shù)主體緊密接觸，為分析不同圓弧半徑對(duì)密封性能的影響，文中對(duì)11.2～16.8 mm范圍變化的外側(cè)半徑進(jìn)行了研究。

如圖11所示，外側(cè)圓弧半徑增加時(shí)，等效應(yīng)力呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；外側(cè)圓弧半徑達(dá)到14 mm后，等效應(yīng)力增長(zhǎng)趨勢(shì)變快，如半徑從14 mm增加至17 mm時(shí)，增加約50%，這是因?yàn)閳A弧半徑的增加使得在一定過(guò)盈量下，彈性體受壓體積增大，從而導(dǎo)致等效應(yīng)力增大。隨著圓弧半徑增加，外側(cè)密封面的最大接觸應(yīng)力先緩慢降低然后趨于平穩(wěn)，而內(nèi)側(cè)密封接觸應(yīng)力小幅度增加。這是由于雖然彈性體受到擠壓力增加，但外側(cè)接觸面隨圓弧半徑增加而變大，因此外側(cè)應(yīng)力值略有下降，而內(nèi)側(cè)接觸應(yīng)力增大。

圖11 不同橡膠外側(cè)圓弧半徑對(duì)應(yīng)力的影響

3.2 金屬端帽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封性能的影響

3.2.1 端帽厚度t

為分析金屬端帽不同厚度對(duì)密封性能的影響，文中對(duì)0.64～0.96 mm范圍變化的金屬端帽厚度進(jìn)行了研究。

如圖12所示，金屬端帽厚度增加時(shí)，彈性體最大等效應(yīng)力小幅度增加，接觸應(yīng)力幾乎沒(méi)有變化。這是由于金屬端帽厚度增加后，受擠壓后發(fā)生變形，導(dǎo)致對(duì)中間彈性體的擠壓量也增大，因此彈性體等效應(yīng)力隨之增大，但由于彈性體內(nèi)外兩側(cè)接觸面積和過(guò)盈量一定，因此接觸應(yīng)力變化不大。

圖12 不同金屬端帽厚度對(duì)應(yīng)力的影響

3.2.2 接觸面傾斜角度θ

為分析金屬端帽與采油樹(shù)接觸側(cè)的接觸面不同傾斜角度對(duì)密封性能的影響，文中對(duì)110°～117.6°范圍變化的傾角進(jìn)行了研究。

如圖13所示，隨著接觸面傾斜角度增加，密封的等效應(yīng)力變化不明顯，而內(nèi)外接觸面最大接觸應(yīng)力呈線性減小趨勢(shì)。這是由于內(nèi)側(cè)金屬端帽傾斜角度變大后，MEC密封上下兩端厚度降低，受到擠壓時(shí)，更“容易”發(fā)生變形，所產(chǎn)生的“抵抗力”也變小，所以接觸應(yīng)力有所減小。

圖13 金屬端帽接觸面傾斜角度對(duì)應(yīng)力的影響

3.2.3 外側(cè)圓角半徑r

為分析MEC密封圈金屬端帽外側(cè)圓角半徑對(duì)密封性能的影響，文中對(duì)1.2～1.8 mm范圍變化的外側(cè)圓角半徑進(jìn)行了研究。

如圖14所示，金屬端帽外圓角半徑增加，彈性體最大等效應(yīng)力基本沒(méi)變化，而內(nèi)外最大接觸應(yīng)力有小幅度降低。這是由于外圓角半徑變大，彎曲根部變平滑，與密封面接觸面積增大，但金屬端帽沒(méi)有對(duì)彈性體增加擠壓量，因此等效應(yīng)力基本不變，接觸應(yīng)力減小。

圖14 不同金屬端帽外側(cè)圓角半徑對(duì)應(yīng)力的影響

綜上所述，各個(gè)因素對(duì)MEC密封強(qiáng)度和性能的影響程度與規(guī)律如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)MEC密封強(qiáng)度和性能的影響

由表2可以看出，MEC密封圈的橡膠內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度、外側(cè)圓弧半徑對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性能影響均顯著；金屬端帽的厚度對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大，對(duì)密封性能幾乎無(wú)影響，而端帽接觸傾角對(duì)密封性能影響較大；金屬端帽圓角半徑的改變，對(duì)密封圈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與密封性能影響較小。

4 結(jié)論

(1)考慮金屬端帽塑性，基于彈性材料本構(gòu)方程，建立有限元仿真模型。仿真計(jì)算表明：MEC密封圈工作時(shí)，整體最大應(yīng)力出現(xiàn)在金屬端帽壓彎根部，彈性體的最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)接觸部位；接觸面接觸應(yīng)力由中間部位向兩端遞減，其接觸部位的應(yīng)力值均大于介質(zhì)壓力。

(2)MEC密封圈的橡膠內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度、外側(cè)圓弧半徑和金屬端帽厚度對(duì)強(qiáng)度影響較大，接觸面傾斜角度和外圓角半徑對(duì)強(qiáng)度有一定影響。其中隨著內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度增大，彈性體的最大等效應(yīng)力減小；隨著圓弧半徑、金屬端帽厚度增大，等效應(yīng)力呈增大趨勢(shì)；而隨接觸面傾斜角度和外圓角半徑的改變，等效應(yīng)力幾乎不變。在實(shí)際設(shè)計(jì)制造中需綜合考慮金屬端帽的厚度、彈性體內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度和外側(cè)圓弧半徑的影響，避免MEC密封圈在使用過(guò)程中因應(yīng)力過(guò)大而失效。

(3)MEC密封圈的接觸面傾斜角度、彈性體外側(cè)圓弧半徑對(duì)彈性體接觸應(yīng)力有較大影響，內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度和外圓角半徑影響較小。隨著傾斜角度和外圓角半徑的增大，接觸應(yīng)力降低，在考慮到實(shí)際密封溝槽尺寸，可考慮采用較小結(jié)構(gòu)尺寸；隨著彈性體內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度的增大，接觸應(yīng)力增加，可考慮采用較大結(jié)構(gòu)尺寸；隨著彈性體外側(cè)圓弧半徑的增大，內(nèi)側(cè)接觸應(yīng)力增加，外側(cè)接觸應(yīng)力減小。說(shuō)明設(shè)計(jì)MEC密封結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)充分考慮金屬端帽接觸面傾斜角度和彈性體外圓弧半徑等因素對(duì)接觸密封的影響，選擇較小值時(shí)可以保持良好的密封性能。