基于密封接觸強(qiáng)度的水下井口連接器VX鋼圈密封特性分析*

曾 威,2 宋 紅 解 歡3 魏柳興2 任 濤

(1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 陜西西安 710075；2.南陽二機(jī)石油裝備集團(tuán)股份有限公司河南南陽 473006；3.西京學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 陜西西安 710123)

水下井口連接器是連接井口與采油樹的關(guān)鍵設(shè)備，其密封能力直接影響采油樹的工作穩(wěn)定性與可靠性[1-2]。VX鋼圈是井口連接器的關(guān)鍵密封件，分析其密封特性能夠準(zhǔn)確地獲得連接器的密封能力。TEODORIU和BADICIOIU[3]采用試驗(yàn)和理論相結(jié)合的方式對API標(biāo)準(zhǔn)連接器VX鋼圈的密封性能進(jìn)行了分析。為提高深水大直徑連接器的密封能力，李志剛等[4]建立密封鋼圈的彈性力學(xué)模型，揭示了其金屬密封機(jī)制，并通過分析其受力形式獲得了該密封結(jié)構(gòu)的密封比壓，但是并沒有對其密封特性進(jìn)行分析。唐文獻(xiàn)等[5]建立水下井口連接器密封結(jié)構(gòu)的有限元模型，以密封面接觸應(yīng)力為評價(jià)指標(biāo)，分析了其在預(yù)緊、生產(chǎn)、完井與修井工況下的密封性能。運(yùn)飛宏等[6]基于赫茲接觸理論建立了連接器透鏡式密封結(jié)構(gòu)的接觸力學(xué)模型，得到了連接器密封面最大接觸應(yīng)力、接觸寬度與預(yù)緊力之間的關(guān)系。陳曉芳等[7]設(shè)計(jì)了一種具有VX鋼圈-雙錐面金屬密封結(jié)構(gòu)的水下臥式采油樹連接器，并以接觸應(yīng)力為評價(jià)指標(biāo)，對其密封性能進(jìn)行分析。

上述研究工作對連接器密封結(jié)構(gòu)在不同工況下的密封特性進(jìn)行了分析，獲得了其密封性能的變化規(guī)律，能夠?yàn)樘岣咚逻B接器的密封能力提供相應(yīng)的參考。但是，在密封性能分析過程中，上述文獻(xiàn)均以密封面的接觸應(yīng)力為評價(jià)指標(biāo)，當(dāng)接觸壓力值大于工質(zhì)壓力值即認(rèn)為該密封結(jié)構(gòu)可靠。而密封性能不但受密封面接觸壓力大小的影響，而且還受接觸應(yīng)力在整個(gè)有效接觸長度上的分布情況影響[8]，僅僅以接觸應(yīng)力值的大小作為密封性能評價(jià)指標(biāo)，一定程度上影響密封性能分析的準(zhǔn)確性?；诖?，本文作者考慮密封面有效接觸長度對密封性能的影響，以密封接觸強(qiáng)度為密封性能評價(jià)指標(biāo)，以水下井口連接器VX鋼圈為對象，采用有限元方法，分析在不同預(yù)緊力、工質(zhì)載荷和結(jié)構(gòu)參數(shù)下VX鋼圈密封強(qiáng)度的變化規(guī)律，為水下連接器密封結(jié)構(gòu)的應(yīng)用、設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供詳細(xì)的參考數(shù)據(jù)。

1 密封接觸強(qiáng)度

與單一的密封面接觸壓力大小相比，密封接觸強(qiáng)度是一種更加廣義的評價(jià)指標(biāo)，可以同時(shí)考慮密封面接觸應(yīng)力大小及其分布狀況對密封性能的影響，其基本定義為接觸壓力在整個(gè)密封有效接觸長度上的積分[9]，計(jì)算公式為

(1)

式中:fs為密封接觸強(qiáng)度；σs為密封面接觸壓力值；Lss為密封面有效接觸長度。

在密封性能評價(jià)過程中，需要確定實(shí)現(xiàn)可靠密封需要的最小接觸強(qiáng)度，MURTAGIAN等[9]以金屬-金屬密封形式為對象，采用數(shù)值模擬和實(shí)物試驗(yàn)的方法確定了其表征方法，如式(2)所示：

(2)

式中：ωs為加權(quán)密封接觸強(qiáng)度；n為相關(guān)性指數(shù)，存在密封劑時(shí)，n=1.2，不存在密封劑時(shí)，n=1.4。

對于水下連接器，其工作介質(zhì)溫度較高，密封結(jié)構(gòu)中密封劑對密封性能的影響較小，因此取相關(guān)性指數(shù)n=1.4。

2 密封結(jié)構(gòu)及密封特性分析模型

2.1 連接器密封結(jié)構(gòu)

臥式采油樹井口連接器是連接采油樹本體與水下井口的關(guān)鍵設(shè)備，其采用VX鋼圈密封采油樹本體與井口頭的間隙，從而防止井口頭內(nèi)的高壓工質(zhì)泄漏，且避免海水進(jìn)入管道內(nèi)部。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水下采油樹井口連接器

VX鋼圈的工況主要包括預(yù)緊工況和工作工況兩個(gè)階段。在預(yù)緊階段，VX鋼圈在預(yù)緊力的作用下發(fā)生徑向形變，VX密封圈與密封槽為過盈配合，在預(yù)緊力作用下，過盈量使得VX密封圈發(fā)生徑向壓縮，產(chǎn)生的回彈力使得密封圈與密封槽能緊密貼合，形成初步密封；在工作階段，如圖1(b)所示，管內(nèi)高壓工質(zhì)在密封圈上產(chǎn)生徑向作用力，進(jìn)一步增大密封面上的壓緊力，密封圈材料發(fā)生塑性變形，使得密封更加可靠，最終形成自緊式密封。其中，VX鋼圈是連接器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，文中以設(shè)計(jì)壓力為34.5 MPa的與水下井口50.8 cm套管頭配套的水下采油樹井口連接器的VX密封鋼圈為例，其具體結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)如圖2所示。圖中，α為密封面錐度參數(shù)，b為密封面寬度參數(shù)，B為鋼圈徑向尺寸參數(shù)，h為鋼圈厚度尺寸，Dm為外徑參數(shù)，Di為內(nèi)徑參數(shù)。

圖2 VX鋼圈密封結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 VX鋼圈密封特性分析模型

根據(jù)采油樹井口連接器結(jié)構(gòu)與VX鋼圈密封結(jié)構(gòu)尺寸，在Abaqus中建立幾何模型，并使用CAX4R單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分[10]。連接器轂座和VX鋼圈的材料分別為低合金Gr-Mo和Inconel625。其中，低合金Gr-Mo材料的彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。Inconel625的彈性模量為205 GPa，泊松比為0.308。因?yàn)閂X鋼圈在工作過程中會(huì)發(fā)生塑性形變，需要考慮其塑性特點(diǎn)，其對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 VX鋼圈材料應(yīng)力應(yīng)變曲線

根據(jù)連接器實(shí)際工況條件，分析過程中限制水下井口底部所有節(jié)點(diǎn)的軸向位移。在預(yù)緊工況下，軸向預(yù)緊力W作用在采油樹管口上，使得VX鋼圈密封面發(fā)生塑性變形，實(shí)現(xiàn)初步密封；工作工況下，在井口、VX密封圈與采油樹體內(nèi)徑施加均勻分布的工質(zhì)壓力p，設(shè)置密封圈與密封槽間的摩擦因數(shù)為0.15[11]。連接器與采油樹體和井口管接頭的連接為綁定約束。最終，獲得如圖4所示的有限元模型。

圖4 井口連接器密封特性分析有限元模型

3 不同參數(shù)對連接器VX鋼圈密封特性的影響

影響VX鋼圈密封性能的主要參數(shù)包括安裝階段的預(yù)緊力、工質(zhì)壓力和結(jié)構(gòu)參數(shù)[7]。因此，在分析過程中，以密封接觸強(qiáng)度ωs為指標(biāo)，分別以預(yù)緊力、工質(zhì)壓力和結(jié)構(gòu)參數(shù)為變量，分析井口連接器VX鋼圈密封特性。為體現(xiàn)使用密封接觸強(qiáng)度為密封性能指標(biāo)的優(yōu)勢，文中以密封接觸應(yīng)力最大值為密封性能指標(biāo)作為對比，以連接器在靜壓試驗(yàn)條件下3 h內(nèi)密封壓力下降率的倒數(shù)為參考指標(biāo)，分析VX鋼圈的密封特性。

3.1 預(yù)緊力的影響

安裝過程中，井口連接器需要通過預(yù)緊力使得VX鋼圈密封面發(fā)生塑性變形，實(shí)現(xiàn)初步密封，其計(jì)算公式如式(3)所示。

(3)

式中:q0為預(yù)緊時(shí)接觸面壓力(MPa)，為實(shí)現(xiàn)可靠密封，其最小值為密封比壓；ρ為密封鋼圈與密封槽間的摩擦角，鋼與鋼接觸時(shí)ρ=8.5°[7]。根據(jù)連接器實(shí)際工況條件，利用公式(3)計(jì)算得到預(yù)緊力的取值范圍為526 kN≤W≤1 853 kN。采用圖4構(gòu)建的密封特性分析有限元模型，結(jié)合如式(3)所示的密封接觸強(qiáng)度計(jì)算公式，對VX鋼圈密封特性進(jìn)行分析。圖5所示為工質(zhì)壓力為36.7 MPa，預(yù)緊力為1 850 kN時(shí)，VX鋼圈密封面接觸應(yīng)力及接觸面積。

圖6所示為工質(zhì)壓力為36.7 MPa時(shí)，不同預(yù)緊力作用下各密封性能指標(biāo)變化曲線。

由圖6可知：當(dāng)工質(zhì)壓力不變，隨著預(yù)緊力的增加，VX鋼圈密封性能持續(xù)增加；當(dāng)預(yù)緊力小于900 kN時(shí)，鋼圈密封性能遞增速率較高；當(dāng)預(yù)緊力大于900 kN后，鋼圈密封性能呈近似線性增長，但遞增速率相對較低。與圖6(a)中密封面接觸應(yīng)力最大值的變化趨勢相比，圖6(b)中鋼圈密封面接觸強(qiáng)度的變化趨勢與試驗(yàn)獲得的密封壓力下降率的倒數(shù)變化趨勢更加接近。

圖5 工質(zhì)壓力36.7 MPa下VX鋼圈 密封面接觸壓力和接觸面積

圖6 工質(zhì)壓力為36.7 MPa時(shí)不同預(yù)緊力下VX鋼圈密封性能

從以上結(jié)果可知，預(yù)緊力是影響VX鋼圈密封性能的重要因素，且密封接觸強(qiáng)度能夠更好地體現(xiàn)VX鋼圈密封性能隨預(yù)緊力變化的實(shí)際趨勢。因此在考慮連接器鎖緊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，要合理提高連接器的預(yù)緊力，以提高VX鋼圈密封性能。

3.2 工質(zhì)壓力的影響

圖7所示是預(yù)緊力為1 850 kN，不同工質(zhì)壓力下各密封性能指標(biāo)變化曲線。

圖7 預(yù)緊力為1 850 kN時(shí)不同工質(zhì)壓力下VX鋼圈密封性能

由圖7可知：當(dāng)預(yù)緊力保持不變時(shí)，隨著工質(zhì)壓力的增加，VX鋼圈密封性能持續(xù)增加；在圖7(a)中，接觸應(yīng)力值在工質(zhì)壓力為2 MPa之前先下降，當(dāng)工質(zhì)壓力值超過2 MPa后，接觸應(yīng)力值隨工質(zhì)壓力的增加而呈近似線性增長；在圖7(b)中，在工質(zhì)壓力小于20 MPa之前，密封接觸強(qiáng)度的增長率較低，而工質(zhì)壓力超過20 MPa后，密封接觸強(qiáng)度呈近似線性趨勢增長，且增長速率較高；與圖7(a)相比，圖7(b)中密封強(qiáng)度的增長趨勢與試驗(yàn)獲得的密封壓力下降率的倒數(shù)變化趨勢更加接近。

從上述分析結(jié)果可推斷，當(dāng)工質(zhì)壓力小于20 MPa時(shí)，工質(zhì)壓力對VX鋼圈密封性能的影響相對較小，而當(dāng)工質(zhì)壓力超過20 MPa后，工質(zhì)壓力對VX鋼圈密封性能影響程度增加，這也間接表明VX鋼圈密封結(jié)構(gòu)能夠很好地適應(yīng)高壓工況環(huán)境；同時(shí)，密封接觸強(qiáng)度能夠更好地模擬密封性能隨工質(zhì)壓力變化的趨勢。

3.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

影響VX密封圈密封性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)為鋼圈錐度和密封接觸面寬度[7]，如圖2中α和b所示。因此，以α和b為變量，并以變量當(dāng)前值為中心，上下浮動(dòng)50%作為上下界，分析VX鋼圈的密封特性。圖8所示是預(yù)緊力為1 850 kN，工質(zhì)壓力為36.7 MPa，密封接觸面寬度為30 mm時(shí)，VX鋼圈的密封性能指標(biāo)隨鋼圈錐度的變化曲線。

圖8 不同鋼圈錐度下VX鋼圈密封性能

由圖8可知：當(dāng)連接器的安裝與工況環(huán)境不變時(shí)，VX鋼圈密封性能隨著鋼圈錐度α的增加而逐步提高；且遞增趨勢呈現(xiàn)較為明顯的3個(gè)階段：當(dāng)錐度小于15.5°時(shí)，密封性能遞增趨勢較低；當(dāng)錐度在15.5°～23.5°間時(shí)，密封性遞增速率較高；當(dāng)錐度超過23.5°后，密封性能遞增速率再次降低。對比圖8(a)和(b)，接觸應(yīng)力和接觸強(qiáng)度增長趨勢均與試驗(yàn)獲得的密封壓力下降率的倒數(shù)變化趨勢接近。

根據(jù)上述分析結(jié)果可知，當(dāng)密封錐度為23.5°時(shí)，VX鋼圈具有最優(yōu)的密封性能，接觸應(yīng)力和接觸強(qiáng)度均能夠較好地模擬VX鋼圈密封性能隨鋼圈錐度變化的趨勢。

圖9所示是預(yù)緊力為1 850 kN，工質(zhì)壓力為36.7 MPa，鋼圈錐度為23°時(shí)，VX鋼圈的密封性能指標(biāo)隨鋼圈錐度的變化曲線。

由圖9可知：在連接器安裝與工況環(huán)境不變的條件下，VX鋼圈密封性能隨著密封面接觸寬度b的增加而遞增；在圖9(a)中，VX鋼圈密封面接觸應(yīng)力值隨密封面寬度的增加而遞增，但是遞增速率并不高，而且與試驗(yàn)獲得的密封壓力下降率的倒數(shù)變化趨勢存在較為明顯的差異；在圖9(b)中，VX鋼圈密封接觸強(qiáng)度隨密封面寬度的增加而遞增，其變化趨勢雖然與試驗(yàn)獲得的密封壓力下降率的倒數(shù)變化趨勢也存在一定的差異，但是與接觸應(yīng)力的變化趨勢相比，其一致性相對較高。

圖9 不同密封面寬度下VX鋼圈密封性能

根據(jù)上述分析結(jié)果可知，當(dāng)密封面寬度小于30 mm時(shí)，其對VX鋼圈的密封性能影響較大；而當(dāng)密封面寬度超過30 mm后，其對VX鋼圈密封性能的影響不再明顯，即該型VX鋼圈的最優(yōu)密封面寬度為30 mm。同時(shí)，與接觸應(yīng)力相比，接觸強(qiáng)度能夠更好地模擬VX鋼圈密封性能隨密封面寬度的變化趨勢。

4 結(jié)論

(1)連接器安裝過程中的預(yù)緊力是影響VX鋼圈密封性能的重要因素，在保證連接器安裝過程中鎖緊結(jié)構(gòu)的安全性時(shí)，要盡量提高預(yù)緊力，以提高VX鋼圈的密封性能。

(2)工質(zhì)壓力是影響VX鋼圈的密封性能的另外一個(gè)重要因素，當(dāng)工質(zhì)壓力超過20 MPa后，VX鋼圈密封性受工質(zhì)壓力影響較大，這也間接地表明VX鋼圈能夠較好地適應(yīng)高壓工況環(huán)境。

(3) VX鋼圈密封錐度是影響其密封性能的重要參數(shù)，當(dāng)錐度α=23.5°時(shí)，鋼圈的密封性能最優(yōu)；VX鋼圈密封面寬度b對密封性能有一定影響，且當(dāng)b=30 mm時(shí)，鋼圈密封性能最優(yōu)。

(4)與接觸應(yīng)力相比，密封接觸強(qiáng)度能夠更好地模擬VX鋼圈密封性能隨預(yù)緊力、工質(zhì)壓力和結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的趨勢，即在連接器VX鋼圈密封特性分析過程中，應(yīng)該優(yōu)先選擇密封接觸強(qiáng)度作為密封性能評價(jià)指標(biāo)，可以為金屬-金屬密封特性分析中評價(jià)指標(biāo)的選擇提供支撐證據(jù)。