張曉誠 王昆劍 余 涵 劉 峰 岳 明 張 毅

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452;2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 四川成都 610500)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)指在鉆井過程中，隨鉆實(shí)時完成鉆頭導(dǎo)向的一種鉆進(jìn)系統(tǒng)。目前國內(nèi)外對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)都開展了大量的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究，并取得了一系列的研究成果[1-2]。動密封作為保護(hù)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)中軸承和控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的可靠性有重要的影響[3]。對于旋轉(zhuǎn)動密封而言，井下的惡劣工況嚴(yán)重影響動密封的性能，用于指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)中的動密封要經(jīng)受住井下175 ℃高溫和206 MPa的高壓環(huán)境[4]?；h(huán)組合密封以其優(yōu)良的耐磨性和可實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)償?shù)奶匦裕诟邏合到y(tǒng)中廣泛使用，本文作者將滑環(huán)組合密封應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)中，結(jié)合鉆井工況，對滑環(huán)組合密封進(jìn)行分析。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對滑環(huán)組合密封已經(jīng)做了大量的研究。王志翔等[5]基于水合物開采泵輸系統(tǒng)對旋轉(zhuǎn)動密封的密封性能進(jìn)行了研究，分析了高壓環(huán)境和結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對密封性能的影響。劉菁等人[6]對某型格來圈組合密封形式的漏油故障進(jìn)行了分析，依據(jù)密封理論確定了影響密封性能的關(guān)鍵因素，并模擬了組合密封各密封面的密封效果。石昌帥等[7]基于熱老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了熱老化效應(yīng)影響下沖擊螺桿鉆具密封圈的有限元模型，并分析了工況參數(shù)對密封圈密封性能的影響。孫娟娟[8]研究了滑環(huán)組合密封結(jié)構(gòu)參數(shù)和潤滑油流體參數(shù)對動密封性能的影響。國外主要是對普通的矩形密封進(jìn)行了分析， VICENTE等[9]建立了橡膠動密封的數(shù)學(xué)評價模型，討論了不同工況下密封圈的密封性能。NIKAS等[10]結(jié)合密封實(shí)驗(yàn)對矩形橡膠密封的密封性能進(jìn)行了研究。綜上所述，目前國內(nèi)外研究主要集中在常規(guī)的工業(yè)領(lǐng)域，雖然考慮了溫度和壓力對密封性能的影響，但并沒有考慮實(shí)際工況對橡膠材料的影響，尤其是高溫下橡膠的應(yīng)力松弛現(xiàn)象對密封性能的影響。本文作者結(jié)合橡膠材料的黏彈性模型，考慮高溫工況下應(yīng)力松弛現(xiàn)象對橡膠組合密封的影響，建立了滑環(huán)組合密封的仿真分析模型，并對工況參數(shù)影響下組合密封的性能進(jìn)行研究。

1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)組合密封模型

指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)偏置系統(tǒng)的上、下位置安裝有兩套動密封系統(tǒng)，密封系統(tǒng)內(nèi)部有偏置機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)和高壓潤滑系統(tǒng)。動密封一旦失效，內(nèi)部的潤滑油就會泄漏，造成偏置機(jī)構(gòu)內(nèi)部重要部件燒毀。偏置機(jī)構(gòu)和密封系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)偏置機(jī)構(gòu)

滑環(huán)組合密封的結(jié)構(gòu)如圖2所示，密封內(nèi)側(cè)的滑環(huán)為聚四氟乙烯材質(zhì)，具有很低的摩擦因數(shù)，O形圈是丁腈橡膠材料，可以在滑環(huán)磨損時給密封面提供很好的彈力?；h(huán)組合密封的外側(cè)為高壓鉆井液，通過壓力平衡系統(tǒng)來保證密封內(nèi)外壓差為0.5 MPa左右。

圖2 滑環(huán)組合密封示意

2 橡膠黏彈模型

橡膠屬于黏彈性材料，其力學(xué)行為和環(huán)境溫度緊密相關(guān)，環(huán)境溫度的升高會加速橡膠密封材料的應(yīng)力松弛，通常采用彈簧-黏壺模型來模擬黏彈性材料的力學(xué)行為。在有限元軟件中，黏彈性材料的本構(gòu)模型通常是由N個Maxwell模型并聯(lián)組成的廣義Maxwell模型[11]。應(yīng)力松弛影響下橡膠應(yīng)力σ(t)與應(yīng)變ε0的關(guān)系可以表示為

σ(t)=E(t)ε0

(1)

式中：E(t)是橡膠材料的松弛函數(shù)，可以用Prony級數(shù)的形式表示

(2)

式中：E0是橡膠材料的瞬時模量；gi是橡膠材料的剪切松弛；τi是Prony延遲時間常數(shù)。

文中根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]設(shè)置橡膠材料的黏彈性參數(shù)，Prony級數(shù)系數(shù)如表1所示。

表1 Prony級數(shù)系數(shù)

3 應(yīng)力松弛下橡膠接觸壓力分析

由于橡膠材料具有非線性大變形特性，因此需要假設(shè)密封圈的壓縮量等于有限元分析中施加在邊界條件上的位移量；此外，材料的蠕變不影響O形圈密封的體積變化。

在該假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立了滑環(huán)組合密封的有限元模型。文中使用M-R模型作為橡膠材料的本構(gòu)模型，模型中參數(shù)取值分別為C10=1.87 MPa，C01=0.47 MPa[13]。此外，文中考慮了橡膠的應(yīng)力松弛特性，根據(jù)表1中的參數(shù)，在有限元軟件中定義了橡膠的黏彈性本構(gòu)模型參數(shù)。

第一個載荷步密封圈的徑向壓縮采用自動收縮的方式施加，O形圈的壓縮率為12.5%。第二個載荷步是通過有限元軟件里的壓力滲透功能模擬密封面兩側(cè)的潤滑油和鉆井液壓力載荷[14]。模型中潤滑油壓力最高為15 MPa，泥漿壓力為14.5 MPa，可以保證泥漿不會侵入到密封腔內(nèi)。由于聚四氟乙烯材料的硬度較大，因此可以近似認(rèn)為該材料為線彈性材料。材料彈性模量為200 MPa，泊松比為0.45。O形圈的網(wǎng)格劃分單元為雜交單元CAX4RH，該單元可以模擬橡膠的非線性特性。

基于密封內(nèi)外潤滑油壓力po比鉆井液壓力pf高0.5 MPa，文中分析了不同流體壓力下組合密封的接觸壓力分布情況，如圖3所示?？梢钥闯觯m然密封兩側(cè)泥漿和潤滑油的壓差沒有改變，但隨著介質(zhì)壓力的增大，密封系統(tǒng)的最大接觸壓力仍在增大。圖4所示為不同流體壓力下滑環(huán)組合密封的Mises應(yīng)力分布?？梢钥闯觯瑵櫥蛪毫? MPa升高到10 MPa時，組合密封的von Mises應(yīng)力變化很大，主要是由于滑環(huán)外側(cè)泥漿壓力的作用，使得滑環(huán)外側(cè)的張口變化較大，當(dāng)潤滑油壓力為10 MPa時，動密封和芯軸之間的接觸長度減小較多，從而使得主密封面內(nèi)側(cè)的應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯。而當(dāng)潤滑油壓力從10 MPa升高到15 MPa時，滑環(huán)外側(cè)的張口變化不大，密封在10 MPa時已經(jīng)處于一種穩(wěn)定的接觸狀態(tài)，因此von Mises應(yīng)力變化比較小。

圖4 不同流體壓力下滑環(huán)組合密封Mises應(yīng)力分布

4 應(yīng)力松弛下橡膠密封敏感性分析

4.1 流體壓力對密封接觸壓力的影響

根據(jù)組合滑環(huán)密封在不同流體壓力下的接觸壓力分布情況，提取主密封面的接觸壓力曲線，如圖5所示?？梢钥闯觯S著井下壓力的增加，密封面的接觸壓力逐漸增大，同時內(nèi)側(cè)的壓力比外側(cè)要大得多，主要是由于高壓鉆井液會迫使主密封面靠近鉆井液的一側(cè)和導(dǎo)向工具芯軸分開，從而使得密封面外側(cè)的接觸壓力近似為0。

圖5 不同油壓下主密封面接觸壓力分布

圖6所示為應(yīng)力松弛影響下密封面最大接觸壓力隨時間的變化情況。

圖6 不同油壓下最大接觸壓力的變化

由圖6可以看出，低壓工況下，主密封面的最大接觸壓力有上升的趨勢，這是由于低壓工況下，O形圈在應(yīng)力松弛之后無法提供給滑環(huán)足夠的彈力，進(jìn)而導(dǎo)致接觸長度變小，產(chǎn)生應(yīng)力集中；而高壓工況下，接觸面最大接觸壓力逐漸下降，但下降很小，50 s以后，最大接觸壓力幾乎不變；隨著油壓的升高，最大接觸壓力也有所增大，但接觸面最大接觸壓力的變化趨勢基本一致；同時可以看出密封面接觸壓力仍大于密封兩側(cè)的介質(zhì)壓力，可以實(shí)現(xiàn)可靠的密封效果。

4.2 環(huán)境溫度對密封接觸壓力的影響

隨著井下溫度的升高，密封材料的應(yīng)力松弛會加速?？紤]溫度對橡膠材料的影響，通過設(shè)置橡膠本構(gòu)模型，得到5 MPa油壓和17.5%壓縮率作用下，不同溫度對密封接觸壓力的影響，如圖7所示?？梢钥闯觯S著溫度的升高，主密封面的接觸壓力有較小的升高趨勢，而接觸壓力曲線基本一致。相對于環(huán)境壓力而言，溫度對接觸壓力的影響較小。

圖7 不同溫度下主密封面接觸壓力分布

應(yīng)力松弛影響下溫度對最大接觸壓力的影響如圖8所示。同一溫度下，隨著溫度的上升，主密封的最大接觸壓力先陡然增大，隨后趨于平緩。此外，雖然O形圈在應(yīng)力松弛之后無法提供給滑環(huán)足夠的彈力，但高溫會導(dǎo)致O形圈變軟，在鉆井液和潤滑油雙側(cè)流體壓力的作用下，主密封面的接觸長度會變小，導(dǎo)致主密封面內(nèi)側(cè)的接觸壓力增大，因此溫度越高，主密封面的最大接觸壓力越大。

圖8 不同溫度下密封面最大接觸壓力的變化

4.3 O形圈壓縮率對密封接觸壓力的影響

圖9所示為應(yīng)力松弛和不同壓縮率綜合影響下密封面接觸壓力分布?？梢钥闯?，較高的壓縮率可以使組合密封的有效接觸長度增加，降低了最大接觸壓力，進(jìn)而可以降低密封面的磨損，提高密封件的使用壽命。

圖9 不同O形圈壓縮率下主密封面接觸壓力分布

圖10所示為應(yīng)力松弛和不同壓縮率綜合影響下主密封面最大接觸壓力的松弛曲線?？梢钥闯觯紤]應(yīng)力松弛后，主密封面的最大接觸壓力先陡然增大，然后趨于平穩(wěn)。主要是由于應(yīng)力松弛發(fā)生的初期階段，O形密封圈變軟會導(dǎo)致主密封外側(cè)的張口進(jìn)一步增大，從而導(dǎo)致接觸長度縮短，主密封面的最大接觸壓力增大；隨后橡膠材料的應(yīng)力衰減基本不變，和王偉和趙樹高[15]對O形密封圈的分析結(jié)果基本一致。此外，可以看出，隨著壓縮率的增大，最大接觸壓力也逐漸增大。

圖10 不同O形圈壓縮率下最大接觸壓力的變化

5 結(jié)論

(1)齒形滑環(huán)組合密封在雙側(cè)承壓作用下，雖然密封兩側(cè)的壓差沒有改變，但隨著介質(zhì)壓力的增大，密封系統(tǒng)的最大接觸壓力仍在增大。

(2)隨著井下環(huán)境壓力的增大，齒形滑環(huán)組合密封主密封面的接觸壓力逐漸增大，同時內(nèi)側(cè)的壓力比外側(cè)要大得多。

(3)考慮應(yīng)力松弛后，低壓工況下，主密封面的最大接觸壓力有上升的趨勢，而高壓工況下，接觸面最大接觸壓力逐漸下降，隨后最大接觸壓力幾乎不變。

(4)溫度影響下，主密封面的最大接觸壓力均隨著溫度的升高而增大，溫度對最大接觸壓力的影響要小于井下環(huán)境壓力的影響。

(5)較高的壓縮率可以使組合密封主密封面的有效接觸長度增加，從而降低最大接觸壓力，減緩密封面的磨損。