馮 定 陶玉瑾 趙 鈺 張 紅

(1.長江大學(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)

當(dāng)前，隨著我國工業(yè)事業(yè)的快速發(fā)展，航空航天、油氣開采、高壓管道等行業(yè)的高溫高壓設(shè)備數(shù)量也在快速增長，而泄漏的問題是影響其正常工作主要因素[1-2]，故密封技術(shù)成為高溫高壓設(shè)備中核心技術(shù)之一。

S密封圈是專為滿足航空航天、油氣行業(yè)所面臨的高溫、高壓和復(fù)雜的流體介質(zhì)的工況而設(shè)計的一類特殊密封圈，其結(jié)構(gòu)由彈性體內(nèi)包裹2個彈簧帶，故稱為S密封圈(Spring seal)。目前，國外已具有比較成熟的非金屬S密封圈相關(guān)技術(shù)和相關(guān)專利產(chǎn)品。James walker公司開發(fā)出Springsele and Teesele產(chǎn)品[3]，適用于極端溫壓環(huán)境以及大擠壓間隙的靜密封工況。Cameron公司提出一種將抗擠壓彈簧嵌入彈性體與接觸面相交的側(cè)面位置的S密封圈專利產(chǎn)品[4]，用于密封心軸外表面和管子內(nèi)表面之間的環(huán)形間隙。Weatherford公司提出一種附在井下工具閥體上的密封件，包括彈性體和嵌入彈性體的抗擠壓彈簧[5]。Utex 公司提出一種高壓封蓋組合式密封組件專利產(chǎn)品[6]，該密封結(jié)構(gòu)與S密封相似，用于封蓋的連接器和海底隔水管接頭的密封。

國內(nèi)關(guān)于S密封圈的研究處于起步階段，僅對彈簧與彈性材料結(jié)合使用的相關(guān)密封有一定的研究，主要研究了由斜圈彈簧密封圈[7]、彈簧蓄能密封圈[8]及其他含彈簧的密封結(jié)構(gòu)，其彈簧作用主要是提供剛度和抗壓，與S密封圈彈簧作用有相似之處，為S密封圈提供了一定指導(dǎo)。

本文作者研究的S密封圈，是針對水深等級為1 500 m、溫度等級為20～180 ℃、額定壓力為69 MPa的環(huán)境，因此要求研究一種新型適用于高溫、高壓及復(fù)雜介質(zhì)工況下的非金屬S密封圈。而目前國內(nèi)相關(guān)研究較少，所以本文作者主要研究不同工況條件對S密封圈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性能的影響規(guī)律，為后續(xù)相似的異形非金屬密封件的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計和優(yōu)化研究提供方法借鑒。

1 結(jié)構(gòu)與密封機(jī)制

S密封圈是基于O形圈所設(shè)計的一種具有雙向抗擠壓的非金屬密封圈，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 S密封圈結(jié)構(gòu)示意

常規(guī)O形密封圈處于高壓環(huán)境下，間隙處會產(chǎn)生壓力集中，彈性體表面張力不能夠抵抗壓力，導(dǎo)致膠料擠出，使密封圈失效。由于S密封圈內(nèi)部設(shè)計有2個彈簧帶，彈簧的作業(yè)是在承受較高的介質(zhì)壓力下防止密封圈發(fā)生擠出破壞，保證了S密封圈在高壓環(huán)境下的密封效果。

在實(shí)際工況下，在安裝時，S密封圈在預(yù)緊力的作用下，內(nèi)外被密封面與密封圈緊密接觸，實(shí)現(xiàn)初始密封；在作業(yè)時，高壓高溫介質(zhì)對S密封圈的一側(cè)面起壓力作用，當(dāng)介質(zhì)壓力變大時，會把S密封圈推向密封溝槽的另一側(cè)面并擠壓成“長方形”，壓力傳遞給接觸面，從而增大接觸應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定密封。

2 仿真模型的建立

結(jié)合國內(nèi)外對非金屬密封圈的已有研究成果[9]，文中將通過仿真的方法進(jìn)行單因素敏感性研究，分析安裝工況和作業(yè)工況下工況條件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性能的影響。

2.1 材料設(shè)置

彈性體選用氫化丁腈橡膠(HNBR)，采用Mooney-Rivlin模型[10]來描述橡膠材料的應(yīng)變能函數(shù)，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。

HNBR特性參數(shù)如表1所示。

表1 彈性體的材料特性參數(shù)

彈簧選用316不銹鋼，其特性參數(shù)如表2所示。

表2 彈簧的材料特性參數(shù)

2.2 模型及網(wǎng)格劃分

建立密封件模型時做如下假設(shè)：

(1)被密封件相比密封圈剛度較大，忽略其變形，視為剛體；

(2)S密封圈密封結(jié)構(gòu)具有完全軸對稱性；

(3)密封圈與被密封件接觸表面無缺陷。

S密封圈及其密封部件都是軸對稱結(jié)構(gòu)，處于安裝或作業(yè)工況下受力也符合軸對稱，為考慮更高的計算精度和節(jié)約計算成本，在有限元仿真計算時開啟二維軸對稱計算模型[11]。通過網(wǎng)格無關(guān)性驗證，S密封圈采用三角網(wǎng)格劃分，全局種子尺寸取0.2 mm，局部加密尺寸取0.05 mm，彈性體節(jié)點(diǎn)數(shù)為72 319，單元數(shù)為23 772。模型和網(wǎng)格劃分如圖2所示，定義圖中S密封圈左接觸一側(cè)為內(nèi)接觸面，右接觸一側(cè)為外接觸面。

圖2 S密封圈仿真模型和網(wǎng)格劃分

2.3 接觸設(shè)置

密封接觸屬于柔性體-剛性體的面面接觸，因為S密封圈中橡膠存在材料、幾何和結(jié)構(gòu)非線性因素，故文中采用接觸單元的拉格朗日函數(shù)算法進(jìn)行分析；并設(shè)定S密封圈內(nèi)側(cè)與內(nèi)密封件之間為摩擦接觸，與溝槽之間的約束是摩擦接觸，S密封圈外側(cè)與外密封件之間也為摩擦接觸，摩擦因數(shù)均設(shè)置為0.2；S密封圈內(nèi)部彈簧與橡膠的約束設(shè)置為綁定。

2.4 分析步設(shè)置及載荷設(shè)置

為使得到的數(shù)據(jù)更加符合實(shí)際工況，將加載設(shè)置為三步，第一步通過內(nèi)側(cè)被密封件的位移迫使密封圈“外擴(kuò)”，模擬實(shí)際中密封圈套入油管懸掛器的過程，此時密封圈內(nèi)側(cè)有一個固定的內(nèi)過盈量；第二步是設(shè)置外側(cè)被密封面向內(nèi)擠壓密封圈，模擬密封圈與內(nèi)側(cè)被密封件裝入外側(cè)被密封件內(nèi)的過程，此時在外側(cè)被密封件剛剛接觸密封圈到最終壓縮位置的壓縮量稱為外過盈量；第三步在密封圈的高壓側(cè)加載介質(zhì)壓力，來模擬生產(chǎn)工況時油氣介質(zhì)對密封圈的影響。圖3是S密封圈的受載示意圖，B表示第一步，A是第二步，C是第三步。在分析時，由于S密封圈為橡膠材質(zhì)，打開弱彈簧和大變形進(jìn)行準(zhǔn)確求解。

圖3 S密封圈受載示意

2.5 仿真結(jié)果

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度通?？梢杂杉羟袘?yīng)力或等效應(yīng)力來表征，剪切應(yīng)力是基于第三強(qiáng)度理論，等效應(yīng)力基于第四強(qiáng)度理論建立強(qiáng)度條件[12-13]。由于彈性體所使用材料為氫化丁腈橡膠，是丁腈橡膠進(jìn)行加氫處理的合成橡膠，查閱相關(guān)資料可得人工合成橡膠剪切強(qiáng)度為40～70 MPa[14]。當(dāng)計算剪切應(yīng)力小于剪切強(qiáng)度，應(yīng)力值越小，表明密封圈強(qiáng)度越高。密封性能是由接觸應(yīng)力來表征，即按照最大接觸應(yīng)力準(zhǔn)則[13]——最大接觸應(yīng)力應(yīng)大于介質(zhì)壓力，接觸應(yīng)力越大，密封性能越好，若最大接觸應(yīng)力在小于介質(zhì)壓力時，介質(zhì)泄漏，密封失效。

圖4示出了外過盈量為4 mm安裝工況、介質(zhì)壓力為69 MPa作業(yè)工況和121 ℃溫度載荷作業(yè)工況下的等效應(yīng)力云圖。由圖4(a)可知，密封圈僅受預(yù)緊力時，最大等效應(yīng)力一直在彈性體靠近外徑內(nèi)部，且應(yīng)力對稱分布。由圖4(b)可知，施加了介質(zhì)壓力后，最大等效應(yīng)力位置由中間向加壓一側(cè)轉(zhuǎn)移，并且在介質(zhì)壓力作用下，密封圈與被密封件接觸面貼合更緊密。由圖4(c)可知，密封圈受溫度載荷作用時，由于溫度是整體作用于密封圈上，彈性體體積受熱發(fā)生膨脹，最大等效應(yīng)力分布在彈性體內(nèi)部。

圖4 不同工況下S密封圈等效應(yīng)力云圖

圖5示出了外過盈量為4 mm、介質(zhì)壓力為69 MPa和121 ℃溫度載荷下的剪切應(yīng)力。由圖5(a)和(b)可看出，最大剪切應(yīng)力位置相近，位于彈性體外側(cè)偏上。由圖5(c)可看出， 121 ℃溫度載荷下彈性體內(nèi)部多處承受較大剪應(yīng)力。由圖5可知，3種情況下的剪切應(yīng)力值均小于40 MPa，均小于材料剪切強(qiáng)度，強(qiáng)度滿足要求。

圖5 不同工況下S密封圈剪切應(yīng)力云圖

如圖6所示為外過盈量為4 mm安裝工況、介質(zhì)壓力為69 MPa作業(yè)工況和121 ℃溫度載荷作業(yè)工況下的接觸應(yīng)力云圖。由圖6(a)可知，密封面的接觸完全呈軸向?qū)ΨQ分布，并且最大接觸應(yīng)力位于接觸面中心位置，接觸應(yīng)力由中間向兩端逐漸減小。如圖6(b)所示，在介質(zhì)壓力的作用下，密封面上最大接觸應(yīng)力的位置由中間向受壓力的一端轉(zhuǎn)移。由圖6(c)可知，在溫度載荷的作用下，接觸面的接觸應(yīng)力分布規(guī)律不明顯，內(nèi)側(cè)接觸應(yīng)力比較均衡，外側(cè)接觸應(yīng)力集中于中間接觸部位。

圖6 不同工況下S密封圈接觸應(yīng)力云圖

根據(jù)上述仿真結(jié)果，將采用單因素敏感分析法分別研究過盈量、介質(zhì)壓力和溫度載荷對S密封圈的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性能的影響規(guī)律。

3 S密封圈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性能

密封件在安裝后所具有的初始密封效果是該密封在作業(yè)過程中具有良好密封的基本保證，因此需對S密封圈在安裝工況時的基本力學(xué)性能和密封性能進(jìn)行分析計算。而作業(yè)工況是指S密封圈在安裝至被密封部位后在密封圈與密封介質(zhì)接觸的一側(cè)施加密封介質(zhì)壓力時所處的狀態(tài)[15]，是密封圈起作用的最終形式。在實(shí)際工況下，S密封圈會受介質(zhì)溫度的影響[16]，所以需要在密封圈上施加溫度載荷，分析不同溫度載荷對S密封圈性能的影響。

通過數(shù)值模擬的方法探討不同變量對S密封圈的基本力學(xué)性能和密封性能的影響，以便確定合適的參數(shù)范圍，為指導(dǎo)S密封圈結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供科學(xué)參考依據(jù)。

3.1 S密封圈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

提取不同參數(shù)最大等效應(yīng)力，得到應(yīng)力隨參數(shù)變化規(guī)律，如圖7所示。

圖7 不同工況參數(shù)對最大等效應(yīng)力的影響

由圖7整體來看，最大等效應(yīng)力隨著外過盈量、介質(zhì)壓力以及溫度載荷的增加，呈現(xiàn)增加趨勢。這是由于，隨著外過盈量和介質(zhì)壓力的增加，彈性體內(nèi)部受“擠壓”程度增加，自緊程度增加，應(yīng)力便增加；而橡膠性能隨溫度的改變而明顯改變，溫度升高，應(yīng)力升高。其中圖7(b)和(c)所示為取外過盈量為4 mm時，介質(zhì)壓力和溫度載荷對等效應(yīng)力的影響，可見介質(zhì)壓力增大，最大等效應(yīng)力基本呈線性增加，而隨著溫度載荷的增加，最大等效應(yīng)力增大趨勢逐漸變緩。

3.2 S密封圈密封性能

提取S密封圈內(nèi)外接觸面的最大接觸應(yīng)力，得到如圖8所示的變化規(guī)律。

圖8 不同工況參數(shù)對最大接觸應(yīng)力的影響

從圖8中可以看出，外側(cè)應(yīng)力始終大于內(nèi)側(cè)應(yīng)力，這是由于S密封圈外側(cè)接觸面面積始終小于內(nèi)側(cè)接觸面面積。

由圖8(a)可知，最大接觸應(yīng)力隨外過盈量的增大而增大，且外側(cè)接觸面增大趨勢大于內(nèi)側(cè)，這是由于外側(cè)接觸面積有明顯的變化。根據(jù)圖8(b)可知，在作業(yè)狀態(tài)下，保持壓縮量相同，內(nèi)外接觸應(yīng)力值隨介質(zhì)壓力的增大呈線性增加趨勢，且變化趨勢一致，這是由于介質(zhì)壓力增大，密封圈內(nèi)外密封面與被密封件的接觸更加緊密，接觸應(yīng)力也更大；并且內(nèi)外接觸應(yīng)力在隨著介質(zhì)壓力變化過程中均大于介質(zhì)壓力，滿足密封要求，能夠?qū)崿F(xiàn)密封效果。由圖8(c)可知，在不同溫度載荷作用下，S密封圈內(nèi)外接觸應(yīng)力值隨溫度的增加呈現(xiàn)增大趨勢，且外側(cè)接觸應(yīng)力始終大于內(nèi)側(cè)接觸應(yīng)力；在不同介質(zhì)溫度時，最大內(nèi)外接觸應(yīng)力均大于介質(zhì)壓力，這表明不論在低溫還是高溫的作業(yè)狀態(tài)下，S密封圈都有很好的密封性能。

4 結(jié)論

(1)S密封圈在安裝工況時，等效應(yīng)力呈軸向?qū)ΨQ分布，最大等效應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力位于彈性體靠近外側(cè)的內(nèi)部，并且最大等效應(yīng)力隨著壓縮量的增大而增大；內(nèi)外接觸面的最大接觸應(yīng)力均在接觸面中間部位分布，應(yīng)力由中間向兩端逐漸減小，內(nèi)外最大接觸應(yīng)力值隨著壓縮量的增大也呈現(xiàn)增大趨勢，外側(cè)應(yīng)力增加趨勢大于內(nèi)側(cè)增加趨勢。

(2)S密封圈在作業(yè)工況時，由于密封圈下端受介質(zhì)壓力，最大剪切應(yīng)力位置變化不大，而最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)部中間靠下的位置，最大等效應(yīng)力隨介質(zhì)壓力的增大而增大；內(nèi)外接觸面的最大接觸應(yīng)力位于中下部，應(yīng)力也由中間向兩端逐漸減小，接觸應(yīng)力隨介質(zhì)壓力的增加有較小幅度的增加。

(3)在受不同溫度載荷時，最大等效應(yīng)力隨溫度增大趨勢較小，最大接觸應(yīng)力隨溫度增大而增大，且溫度載荷越大，增加趨勢越明顯。