封隔器膠筒結(jié)構(gòu)改進(jìn)及優(yōu)勢(shì)分析

張 辛，徐興平，王 雷

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266580）①

封隔器膠筒是通過(guò)軸向壓縮力緊貼在封隔器套管壁上起密封作用，其密封性能直接制約使用性能。膠筒與套管接觸所產(chǎn)生的接觸應(yīng)力是膠筒承受工作壓差的必要條件［1］。膠筒的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)影響著其密封性能［2］，是設(shè)計(jì)者密切關(guān)注的問(wèn)題。不少學(xué)者已經(jīng)對(duì)其實(shí)物的力學(xué)試驗(yàn)［3］、有限元數(shù)值模擬［4］、封隔器與管柱之間的力學(xué)關(guān)系［5］等進(jìn)行了大量研究，對(duì)封隔器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及接觸應(yīng)力的分布關(guān)系得出了初步的結(jié)論［6］。研究接觸應(yīng)力與膠筒外形及結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，對(duì)理論上認(rèn)清膠筒的密封機(jī)理和膠筒密封的可靠性具有重要意義［7－8］。筆者對(duì)常用的封隔器膠筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，把三膠筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為雙膠筒，對(duì)工作過(guò)程進(jìn)行有限元分析，對(duì)其受力過(guò)程中接觸應(yīng)力的變化［9］和分布規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)研究，并與常規(guī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明改進(jìn)型結(jié)構(gòu)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

1 有限元模型的建立

常用的封隔器上串有3個(gè)膠筒［10］，分為上、中、下3個(gè)膠筒結(jié)構(gòu)尺寸相同和上下膠筒為長(zhǎng)膠筒、中膠筒為短膠筒2種結(jié)構(gòu)形式［11］。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)三膠筒結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，起主要密封作用的是上膠筒。為了節(jié)省材料，降低制造工藝難度，筆者對(duì)傳統(tǒng)三膠筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將封隔器結(jié)構(gòu)改進(jìn)為雙膠筒結(jié)構(gòu)。

由于封隔器的本體和膠筒為柱和筒結(jié)構(gòu)形式，利用軸對(duì)稱條件［12］對(duì)其簡(jiǎn)化，膠筒的結(jié)構(gòu)和有限元網(wǎng)格劃分如圖1所示。上、下2個(gè)膠筒長(zhǎng)度均為80 mm，橡膠材料，外層包絡(luò)1層紫銅，紫銅厚度為2 mm，膠筒采用50°傾角，直邊長(zhǎng)8mm，斜邊長(zhǎng)11 mm，直邊與斜邊比為0.73。

圖1 改進(jìn)型封隔器結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

封隔器在進(jìn)行有限元分析時(shí)，有3種不同性能的材料：膠筒為橡膠材料，屬高度非線性復(fù)合材料［13］；外包絡(luò)紫銅；隔環(huán)、中心管、套管為金屬材料。

膠筒需要用單軸拉伸、等雙軸拉伸、剪切試驗(yàn)得到的橡膠材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行超彈性材料曲線擬合，進(jìn)而選擇合適的超彈性材料模型。本文采用超彈性材料模型——Mooney Rivlin模型［14］計(jì)算，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定模型參數(shù)：超彈性材料 Mooney Rivlin常數(shù)C10＝1.87，C01＝0.47；密度為1 500kg／m3。Abaqus中默認(rèn)超彈性材料不可壓縮，默認(rèn)泊松比為0.475［15］。

紫銅材料密度為7 830kg／m3，彈性模量1.19×105MPa，泊松比0.36。金屬材料密度7 850kg／m3，彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.3。

膠筒采用4節(jié)點(diǎn)CAX4RH單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，中心管、套管和隔環(huán)采用CAX4R劃分網(wǎng)格。

考慮接觸時(shí)的摩擦因數(shù)，橡膠自接觸以及橡膠與隔環(huán)、橡膠與套管之間的接觸摩擦因數(shù)取為0.3，隔環(huán)與中心套管之間的摩擦因數(shù)定為0.1。

約束條件：模型最下面隔環(huán)、中心管下端、套管下端節(jié)點(diǎn)施加豎直方向的約束；套管外層施加水平方向的約束。

施加載荷：最上面剛性隔環(huán)上施加坐封力，為均布?jí)毫ψ饔谩?/p>

2 有限元軟件模擬及結(jié)果分析

橡膠屬于高度非線性復(fù)合材料，在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中將橡膠材料稱作超彈性材料，因此用非線性有限元分析軟件Abaqus進(jìn)行非線性分析［16］；計(jì)算時(shí)取工作壓力為5、10、15、20、25、30MPa，采用逐步加載的方式進(jìn)行迭代計(jì)算［17］。膠筒變形及Von Mises應(yīng)力云圖如圖2～3所示。

由分析結(jié)果可知：隨著軸向載荷增大，軸向壓縮量也增大，開(kāi)始時(shí)壓縮量增大較明顯，隨后壓縮量增大變緩，膠筒變形趨于穩(wěn)定；隨著坐封力的增大，膠筒與套管接觸長(zhǎng)度逐漸增加。膠筒外表柱面部分徑向變形受限制，膠筒內(nèi)表面變形如外表一樣向外鼓，當(dāng)載荷增加時(shí)膠筒被壓扁并在最后壓實(shí)。但由于結(jié)構(gòu)限制，只有上膠筒能夠被壓實(shí)。在工作壓力為30 MPa時(shí)，上膠筒基本完全壓實(shí)，膠筒上端出現(xiàn)輕微肩突，但未發(fā)生膠筒割裂現(xiàn)象，肩突在允許范圍之內(nèi)。

圖2 封隔器膠筒應(yīng)力云圖

圖3 膠筒接觸應(yīng)力分布

由圖2～3可知：工作壓力為30MPa時(shí)，上膠筒最大接觸應(yīng)力為25.5MPa，下膠筒最大接觸應(yīng)力為5.4MPa，上膠筒的接觸應(yīng)力為下膠筒的4倍多，因此上膠筒起主要坐封作用。

3 改進(jìn)型封隔器較常規(guī)封隔器的優(yōu)勢(shì)分析

3.1 結(jié)構(gòu)

改進(jìn)型封隔器與常規(guī)封隔器在結(jié)構(gòu)模型上的區(qū)別在于：改進(jìn)型封隔器為上、下2個(gè)膠筒，且橡膠外面包絡(luò)1層厚2mm的紫銅。兩膠筒較之于三膠筒一方面節(jié)省了材料，另一方面因?yàn)樯舷履z筒為同結(jié)構(gòu)膠筒，而減少了制造工藝，同時(shí)也使封隔器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配簡(jiǎn)化。

3.2 密封性能

封隔器密封性能的好壞，關(guān)鍵在于膠筒與套管內(nèi)徑之間接觸應(yīng)力的大小。在同樣的坐封力下，接觸應(yīng)力越大，密封性能越好。

施加工作壓力5～30MPa時(shí)，分別對(duì)兩者接觸應(yīng)力進(jìn)行比較，如圖4所示。

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)：在軸向距離較小時(shí)，常規(guī)膠筒的接觸應(yīng)力略大于改進(jìn)型膠筒，這是因?yàn)樽香~材料的硬度大于橡膠；當(dāng)軸向距離增大，紫銅隨著橡膠被壓縮直到被壓實(shí)緊貼在套管內(nèi)壁，接觸應(yīng)力就遠(yuǎn)大于常規(guī)膠筒，密封性能也就更好。

圖4 2種封隔器上膠筒接觸應(yīng)力分布

改進(jìn)型封隔器工作壓力為25MPa時(shí)，上膠筒的最大接觸應(yīng)力超過(guò)20MPa，而常規(guī)的封隔器在相同的條件下，接觸應(yīng)力≤14MPa；工作壓力為30 MPa時(shí)，常規(guī)封隔器只有18MPa的接觸應(yīng)力，而改進(jìn)型封隔器的接觸應(yīng)力可以達(dá)到25MPa，因此改進(jìn)型封隔器有一定的可行性。

3.3 不等長(zhǎng)雙膠筒封隔器的設(shè)計(jì)分析

對(duì)于改進(jìn)型的雙膠筒的封隔器，當(dāng)2個(gè)膠筒不等長(zhǎng)，上膠筒采用原設(shè)計(jì)長(zhǎng)度80mm，下膠筒采用70mm。施加工作壓力5、10、15、16MPa時(shí)，膠筒應(yīng)力云圖如圖5所示。由圖5可知：所設(shè)計(jì)的這種封隔器最多只能承受16MPa的軸向力，沒(méi)有等長(zhǎng)度膠筒所承受的力大，但卻比其壓縮得好。在10 MPa的軸向力下，上膠筒已經(jīng)完全壓實(shí)，到15MPa時(shí)，下膠筒基本已經(jīng)壓實(shí)。

圖5 不等長(zhǎng)膠筒應(yīng)力云圖

改進(jìn)型封隔器膠筒接觸應(yīng)力分布如圖6所示，可知：這種上、下膠筒不等長(zhǎng)的改進(jìn)型封隔器在16 MPa的軸向壓力下，其接觸應(yīng)力已高達(dá)28MPa，比膠筒等長(zhǎng)度時(shí)大很多，密封性能也較之更好。因?yàn)榇朔N結(jié)構(gòu)的封隔器所承受的軸向壓力最多只有16 MPa，如果工作條件限制在16MPa以內(nèi)，采用這種結(jié)構(gòu)密封更好一些；但如果軸向力要求較高，則應(yīng)該選用等長(zhǎng)度的雙膠筒型封隔器，其密封性能也很可靠，而且加工更簡(jiǎn)單一些。

圖6 改進(jìn)型封隔器膠筒接觸應(yīng)力分布

4 結(jié)論

1） 將傳統(tǒng)的三膠筒結(jié)構(gòu)減少至雙膠筒，在節(jié)省材料的同時(shí)減少了制造工藝，也使封隔器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配簡(jiǎn)化。

2） 上膠筒與套管壁接觸應(yīng)力為下膠筒的4～5倍，起主要密封作用。

3） 通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)型雙膠筒結(jié)構(gòu)接觸應(yīng)力遠(yuǎn)大于常規(guī)膠筒，密封性能也更好。改進(jìn)型封隔器有一定的可行性。

4） 上下膠筒不等長(zhǎng)的雙膠筒結(jié)構(gòu)，最大只能承受約16MPa的工作壓力，但是其接觸應(yīng)力較等長(zhǎng)結(jié)構(gòu)大，因此工作壓力≤16MPa時(shí)，采用不等長(zhǎng)結(jié)構(gòu)密封效果更好。

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