高壓密封連接器的設(shè)計(jì)及研究

黎　偉, 雷鴻翔, 黎宗琪, 李　斌, 袁圣桐

(1. 西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 四川 成都 610500；2. 中國石油川慶鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司, 四川 成都 610051)

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高壓密封連接器的設(shè)計(jì)及研究

黎偉1, 雷鴻翔1, 黎宗琪2, 李斌2, 袁圣桐1

(1. 西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 四川 成都 610500；2. 中國石油川慶鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司, 四川 成都 610051)

為了提高耐壓腔室內(nèi)引出導(dǎo)線在高壓環(huán)境下密封的可靠性,保證井下工具內(nèi)使用的電子設(shè)備能夠在常壓下工作,設(shè)計(jì)了一種注塑類高壓密封連接器.使用有限元軟件對內(nèi)部填充材料為橡膠、環(huán)氧樹脂時的連接器密封性能作了分析,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)填充材料為橡膠時,其密封性能較好,外殼體的半錐角取88°較為合適,但在高壓作用下橡膠易被擠出；當(dāng)填充材料為環(huán)氧樹脂時,可避免材料擠出現(xiàn)象發(fā)生,但在一定密封壓力范圍內(nèi)會出現(xiàn)液體泄漏；當(dāng)2種材料組合使用時,隨著環(huán)氧樹脂比例的增加,填充材料的外凸距離減小,環(huán)氧樹脂體積比為40%較為合理.高壓密封連接器主要靠前5扣螺紋承載,最大應(yīng)力出現(xiàn)在外殼體的第1扣螺紋與第2扣螺紋之間的小徑處；插針的最大應(yīng)力出現(xiàn)在橡膠與環(huán)氧樹脂交界處偏上位置.研究成果對高壓密封連接器的設(shè)計(jì)以及內(nèi)部填充材料的選擇具有一定的參考意義.

高壓密封連接器； 橡膠； 環(huán)氧樹脂

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,各種電子元件逐漸被用于石油鉆井和測井領(lǐng)域中.為了保證井下工具內(nèi)使用的各種電子設(shè)備能夠在常壓下正常工作,電子設(shè)備通常被放置在耐壓腔室內(nèi),且在耐壓腔室上安裝高壓密封連接器,從而有效隔絕井下極端的高壓腐蝕液體環(huán)境,如海水、油基鉆井泥漿以及可能含有硫化氫的液體及其他物質(zhì),同時通過高壓密封連接器實(shí)現(xiàn)井下工具內(nèi)的電子設(shè)備與地面電子設(shè)備之間的信號通訊[1-3].高壓密封連接器主要分為2類[4-5]：1)玻璃/陶瓷-金屬燒結(jié)密封連接器,此類密封連接器對零部件的加工精度要求高且材料的熱膨脹系數(shù)必須匹配,在高溫高壓環(huán)境中可靠性較低；2)注塑類密封連接器,即向金屬外殼內(nèi)注入密封材料,在高壓作用下密封材料被越壓越緊從而達(dá)到密封效果.國內(nèi)外學(xué)者提出了多種結(jié)構(gòu)高壓密封連接器的設(shè)計(jì),如：張樹松提出了一種玻璃-金屬氣密封連接器,并對其材料的選擇和生產(chǎn)工藝進(jìn)行了介紹[6]；龍建華設(shè)計(jì)了一種爆轟超壓載荷下密封連接器,并對其進(jìn)行了靜態(tài)檢漏與動態(tài)實(shí)驗(yàn)[7]；田鋒偉提出了一種高壓矩形密封連接器的設(shè)計(jì)思路,介紹了此產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和絕緣材料的合理選擇[8]；Kemlon公司提出了一種用于高壓油氣井中的單芯注塑類電連接器,并申請了美國專利[9].前人對高壓密封連接器密封可靠性的分析較少,且設(shè)計(jì)的連接器結(jié)構(gòu)多較為復(fù)雜.本文所設(shè)計(jì)的密封連接器為注塑類,結(jié)構(gòu)較為簡單,對其內(nèi)部填充密封材料為橡膠、環(huán)氧樹脂以及兩者組合的情況進(jìn)行了分析,可為高壓密封連接器的設(shè)計(jì)以及填充材料的選擇提供參考.

1　連接器結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的高壓密封連接器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括外殼體、密封圈、插針和填充材料.外殼體通過螺紋連接在基座上,外殼體與基座之間通過密封圈密封.外殼體與插針之間填充密封材料,外殼體的內(nèi)面為半錐角為θ的錐面,靠近低壓區(qū)內(nèi)孔小,靠近高壓區(qū)內(nèi)孔大,從而防止填充材料在高壓作用下從外殼體內(nèi)被擠出.

圖1　高壓密封連接器Fig.1　High pressure sealing connector

2　材料選擇

填充材料是決定連接器密封性能是否可靠的關(guān)鍵.橡膠具有優(yōu)良的回彈性、絕緣性、隔水性及可塑性等特性,且經(jīng)過適當(dāng)處理后還具有耐油、耐酸、耐堿、耐熱、耐寒、耐壓和耐磨等寶貴性質(zhì),被廣泛用于建筑、汽車、航天和石油等領(lǐng)域[10-11].環(huán)氧樹脂是一類具有強(qiáng)黏接力、高穩(wěn)定性、高強(qiáng)度、低收縮率，且耐腐蝕性好、絕緣性好、工藝性好、適應(yīng)性強(qiáng)的熱固性高分子合成材料,已在涂料、電絕緣材料、增強(qiáng)材料和膠黏劑等方面得到廣泛應(yīng)用[12].本文以橡膠和環(huán)氧樹脂作為填充材料,對其進(jìn)行了分析.

3　有限元分析模型

密封連接器各零部件之間為接觸關(guān)系,在進(jìn)行分析時三維模型的計(jì)算量大.除插針外其余零部件都關(guān)于中心軸對稱.為了減少計(jì)算量,將插針定在中心位置且只有1根,忽略連接螺紋升角影響,從而將三維模型簡化為二維軸對稱模型進(jìn)行分析.設(shè)定基座與外殼體間的摩擦系數(shù)為0.12,填充材料與外殼體、插針之間的摩擦系數(shù)為0.4(填充材料為橡膠)或0.2(填充材料為環(huán)氧樹脂).在填充體高壓區(qū)端、密封圈右側(cè)的基座和外殼體上施加一定載荷的壓力，對基座施加固定約束.對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,螺紋處網(wǎng)格作加密處理,共計(jì)9 003個網(wǎng)格單元.橡膠和環(huán)氧樹脂都是非線性材料,在對橡膠進(jìn)行有限元分析時選用的是Mooney-Rivlin模型,此模型的應(yīng)變能函數(shù)[13-14]如下：

W=C1(I1-3)+C2(I2-3)，

(1)

式中：W為應(yīng)變能密度；C1，C2為Mooney-Rivlin模型材料常數(shù)；I1，I2為第1、第2張量不變量.文中取C1=1.87 MPa，C2=0.47 MPa[15].鄭星、黃?，摰热藢喾庥铆h(huán)氧樹脂的力學(xué)性能進(jìn)行了研究,環(huán)氧樹脂的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系如圖2所示[16],本文采用此應(yīng)力與應(yīng)變參數(shù)對環(huán)氧樹脂進(jìn)行有限元分析.

圖2　環(huán)氧樹脂應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.2　Stress-strain curve of epoxy resin

3　分析結(jié)果

3.1填充橡膠

為了研究高壓密封連接器填充材料為橡膠時的密封性能,本文對不同半錐角的高壓密封連接器填充橡膠材料進(jìn)行了分析.圖3是半錐角為88°、密封壓力為70 MPa時高壓密封連接器的變形情況,從圖中可以看出,內(nèi)部填充的橡膠在壓力的作用下被上擠凸出.圖4是最大接觸應(yīng)力和最大外凸距離與半錐角的變化關(guān)系曲線.從圖可以看出,隨著半錐角的增大，填充橡膠的最大外凸距離不斷增加,但半錐角大于88°時增加速度發(fā)生了跳躍.隨著半錐角的增大,填充橡膠的最大接觸應(yīng)力先增加,當(dāng)半錐角達(dá)到88°左右時開始降低.接觸應(yīng)力越大,密封性能越強(qiáng).結(jié)合最大外凸距離、最大接觸應(yīng)力與半錐角的變化關(guān)系,高壓密封連接器的半錐角取88°較為合理.

圖3　連接器變形云圖Fig.3　Deformation nephogram of connector

圖4　最大接觸應(yīng)力和外凸距離與半錐角關(guān)系曲線Fig.3　Relation curve of the maximal contact stress,evagination distance and semi-cone angle

為了研究當(dāng)半錐角為88°時高壓密封連接器在不同壓力作用下的密封性能,本文對高壓密封連接器處于5～70 MPa作用下填充橡膠的接觸應(yīng)力進(jìn)行了分析.圖5是不同密封壓力與橡膠最大接觸應(yīng)力的關(guān)系,從圖中可以看出,隨著密封壓力的增加,接觸應(yīng)力線性增長,且最大接觸應(yīng)力都大于密封壓力.圖6是橡膠胚體接觸應(yīng)力云圖,從圖中可以看出橡膠與外殼體接觸面(A)和橡膠與插針接觸面(B)的接觸應(yīng)力大小、分布規(guī)律相近,從大端至小端接觸應(yīng)力逐漸降低.

圖5　最大接觸應(yīng)力與密封壓力關(guān)系曲線Fig.5　Relation curve of maximum contact stress and seal pressure

圖6　橡膠體接觸應(yīng)力云圖Fig.6　Contact stress nephogram rubber body

3.2填充環(huán)氧樹脂

為了研究高壓密封連接器填充材料為環(huán)氧樹脂時的密封性能,本文對不同半錐角的高壓密封連接器填充環(huán)氧樹脂材料進(jìn)行了分析.圖7是密封壓力為70 MPa時不同半錐角下環(huán)氧樹脂的最大接觸應(yīng)力.從圖中可以看出,半錐角在86.5°～89°范圍內(nèi),最大接觸應(yīng)力的波動不大,且因環(huán)氧樹脂硬度較大,并未在此角度范圍內(nèi)出現(xiàn)環(huán)氧樹脂被擠出的現(xiàn)象.為了研究不同壓力下環(huán)氧樹脂的密封性能,本文仍以88°半錐角高壓密封連接器為研究對象.設(shè)定密封系數(shù)k(k=最大接觸應(yīng)力/密封壓力)評判不同壓力條件下填充環(huán)氧樹脂的密封能力,k值越大，密封能力越強(qiáng).圖8是最大接觸應(yīng)力和密封系數(shù)k與密封壓力的關(guān)系曲線.從圖中可以看出,隨著密封壓力的增加，接觸應(yīng)力增大,但密封系數(shù)k先降低后增加,密封壓力為10～40 MPa時密封性能最差.

圖7　最大接觸應(yīng)力與半錐角關(guān)系曲線Fig.7　Relation curve of maximum contact stress and semi-cone angle

圖8　密封性能與密封壓力的關(guān)系曲線Fig.8　Relation curve of sealability and seal pressure

為了驗(yàn)證填充環(huán)氧樹脂時高壓密封接頭在不同壓力下的性能,進(jìn)行了如圖9所示實(shí)驗(yàn).結(jié)果顯示，當(dāng)壓力增加至13 MPa左右時，在環(huán)氧樹脂與外殼體接觸的面有少量液體滲出,當(dāng)壓力繼續(xù)增加到30 MPa左右時,液體滲出現(xiàn)象消失,直至加壓至80 MPa,無液體滲出現(xiàn)象發(fā)生.有限元分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近.

圖9　性能測試實(shí)驗(yàn)(環(huán)氧樹脂)Fig.9　Testing of capability (epoxy resin)

3.3組合密封

通過以上的分析發(fā)現(xiàn)填充橡膠材料時接觸應(yīng)力較大,密封性能較好,但因橡膠材質(zhì)較軟,在高壓作用下外凸出嚴(yán)重.環(huán)氧樹脂作為填充材料時可避免材料擠出現(xiàn)象發(fā)生,但是在一定密封壓力下會發(fā)生泄漏.綜合2種材料的優(yōu)缺點(diǎn),將兩材料組合使用,下部填充橡膠材料起密封作用,上部填充環(huán)氧樹脂防止橡膠材料擠出,如圖10所示.環(huán)氧樹脂比例大有利于防止橡膠突出,橡膠比例大，則密封可靠性高.為了取得合適比例的橡膠和環(huán)氧樹脂,本文對填充不同體積比例材料的情況進(jìn)行了分析.

圖10　高壓密封連接器(材料組合)Fig.10　High pressure sealing connector (material combination)

通過有限元分析對填充不同體積比例的環(huán)氧樹脂和橡膠的高壓密封連接器進(jìn)行分析.圖11為填充不同比例環(huán)氧樹脂時連接器變形云圖.圖12是填充不同比例環(huán)氧樹脂、密封壓力為70 MPa時材料的擠出情況.從圖12可以看出,隨著環(huán)氧樹脂體積比的增加,最大上凸距離不斷減小,當(dāng)環(huán)氧樹脂體積比達(dá)到40%,材料最大上凸距離小于0.3 mm.本文以環(huán)氧樹脂填充量約為40%,橡膠填充量約為60%的高壓密封連接器進(jìn)行了耐壓實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,加壓至74 MPa,保壓2 h,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示,在此過程中未發(fā)生液體泄漏和填充材料被明顯擠出的現(xiàn)象.

圖11　填充不同比例環(huán)氧樹脂時連接器變形云圖Fig.11　Deformation nephogram of connector filled with different ratios of epoxy resin

圖12　最大上凸距離與環(huán)氧樹脂比例關(guān)系曲線Fig.12　Relation curve of the maximal evagination distance and epoxy resin content

圖13　性能測試實(shí)驗(yàn)(材料組合)Fig.13　Testing of capability (material combination)

3.4連接裝置受力分析

為了研究連接裝置在密封過程中的受力情況,本文對半錐角為88°、環(huán)氧樹脂體積比為40%的高壓密封連接器在密封壓力為70 MPa下的工況進(jìn)行了受力分析.其應(yīng)力云圖如圖14所示,從圖中可以看出,整個裝置的最大應(yīng)力發(fā)生在外殼體的第1扣螺紋與第2扣螺紋之間的小徑處,外殼體共有10扣螺紋,主要靠前5扣承受載荷.插針的最大應(yīng)力出現(xiàn)在橡膠與環(huán)氧樹脂交界處偏上位置,這是由2種材料在交界面處的變形不一致導(dǎo)致的.

圖14　Mises stress應(yīng)力云圖Fig.14　Mises stress nephogram

4　結(jié)　論

1)對于本文所研究的高壓密封連接器,當(dāng)內(nèi)部填充材料為橡膠時接觸應(yīng)力較大,密封性能較好,但在密封高壓時橡膠材料凸出嚴(yán)重.當(dāng)內(nèi)部填充材料為環(huán)氧樹脂時,可有效防止密封高壓時填充材料被擠出,但在一定密封壓力范圍內(nèi)會出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象.

2)橡膠和環(huán)氧樹脂組合使用作為填充材料,可克服2種材料單獨(dú)使用時存在的缺陷,達(dá)到良好的密封效果,通過分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)氧樹脂體積比為40%時較為合適.

3)高壓密封連接器在工作中最大應(yīng)力出現(xiàn)在外殼體的第1扣螺紋與第2扣螺紋之間的小徑處,主要靠前5扣螺紋承載.插針的最大應(yīng)力出現(xiàn)在橡膠與環(huán)氧樹脂交界處偏上位置.

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Design and research of high pressure sealing connector

LI Wei1, LEI Hong-xiang1, LI Zong-qi2, LI Bin2, YUAN Sheng-tong1

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;2. Downhole Operation Company, Chuanqing Drilling Engineering Company Limited, Chengdu 610051, China)

In order to improve the sealing reliability of the lead wire from the pressure chamber in the high pressure environment and ensure that the electronic equipment used in the downhole tool can work under atmospheric pressure, a kind of injection class high pressure sealing connector was designed. The sealing connector which filled with rubber and epoxy resin was analyzed based on the finite element software, and the experimental verification was carried out. Analysis and experiment results showed that when the filling material was rubber, the sealing property was good, but the material was easy to be squeezed out, and 88°was a better choice for the semi-cone angle of shell body. When the filling material was epoxy resin, material protrusion could be avoided, but there would be liquid leaking in a certain pressure range. When the filling material was rubber and epoxy resin, evagination distance decreased with increasing of epoxy resin and the use ratio of epoxy resin 40% was a good choice. High pressure sealing connector mainly relied on first five threads to bear load. The maximum stresses appeared at the minor diameter between first thread and second thread of shell body. The maximum stresses of contact pin appeared at the upper border between rubber and epoxy resin. The researching achievement has certain significance for design of high pressure sealing connector and selection of filling material.

high pressure sealing connector; rubber; epoxy resin

2016-03-16.

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51274171)；教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(OGE201403-03)；四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015JY0078,2015SZ0010-06)；四川省教育廳科研項(xiàng)目(14ZA0042).

黎偉(1983—),男,四川成都人,講師,碩士生導(dǎo)師,博士,從事井下工具設(shè)計(jì)及仿真分析等研究，E-mail:liwei867@aliyun.com.http://orcid.org//0000-0001-8849-409X

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.03.016

TH 122； TB 42

A

1006-754X(2016)03-0295-06

本刊網(wǎng)址·在線期刊：http://www.journals.zju.edu.cn/gcsjxb