井下流量控制閥金屬密封仿真研究

楊儀偉，朱宏武，何東升，鄭 嚴(yán)，許亮斌，何玉發(fā),李 川

(1.中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運(yùn)學(xué)院，北京102249；2.西南石油大學(xué)，成都 610500；3.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京100028)

智能井技術(shù)可以優(yōu)化油井產(chǎn)能和提高油藏的管理水平[1]，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制和生產(chǎn)優(yōu)化，延長油井壽命，控制水侵和降低開發(fā)成本[2]。智能井主要由井下流量控制閥(ICV)、井下壓力計(jì)和隔離封隔器組成[3]。第1代ICV由滑套技術(shù)發(fā)展而來[4]，這些ICV中的金屬對金屬(MTM)密封是徑向線密封，易受碎屑的影響，因此第1代ICV已被第2代ICV所取代。第2代ICV保留了第1代ICV的大部分部件，主要是對上閥座和下閥座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。第2代ICV的金屬密封為徑向金屬密封，無需額外的機(jī)械結(jié)構(gòu)來維持MTM密封，并且具有徑向自清潔功能。

金屬密封是采用合適的金屬材料，利用密封面的壓力使金屬發(fā)生彈性變形或者塑性變形而與被密封件接觸，形成嚴(yán)密耐用的密封接觸面，從而獲得密封能力[5-6]。侯超等總結(jié)了水下井口系統(tǒng)的主要密封裝置和關(guān)鍵技術(shù)，認(rèn)為金屬密封技術(shù)是水下井口系統(tǒng)密封未來發(fā)展的主要趨勢[7]。秦樺等對水下采油樹的油管懸掛器K形金屬密封環(huán)的密封性能進(jìn)行了模擬分析，研究發(fā)現(xiàn)①當(dāng)介質(zhì)壓力小于40 MPa時，K形金屬密封環(huán)接觸應(yīng)力的最大值超過介質(zhì)壓力的2～3倍；②當(dāng)介質(zhì)壓力大于40 MPa時，K形金屬密封環(huán)接觸應(yīng)力的最大值超過介質(zhì)壓力的10倍，因此K形金屬密封環(huán)能形成良好的密封[8]。崔曉杰等設(shè)計(jì)和研究了井下工具的金屬對金屬密封，并進(jìn)行了坐封和試壓試驗(yàn)，結(jié)果表明，坐封后的金屬對金屬密封組件的環(huán)空密封能力達(dá)到60 MPa，證明了金屬對金屬密封技術(shù)在大環(huán)空間隙密封應(yīng)用中的可行性[9]。侯超等利用有限元法分析了水下井口系統(tǒng)用環(huán)形金屬密封組件的密封機(jī)理和工作原理，結(jié)果表明，密封環(huán)在彈性變形階段可以實(shí)現(xiàn)密封，但是實(shí)際的工況無法保證，因此應(yīng)該使得密封環(huán)實(shí)現(xiàn)塑性變形，以實(shí)現(xiàn)可靠的密封[10]。練章華等針對高溫高壓下懸掛器橡膠密封件的失效問題，采用316L軟金屬設(shè)計(jì)了不同的密封結(jié)構(gòu)，采用ANSYS軟件分析套管懸重及不同頂絲壓力下的接觸壓力和接觸寬度的變化規(guī)律，該全金屬多級等錐橢圓曲面密封結(jié)構(gòu)可靠,能滿足油田井口裝置140 MPa極限工況的密封要求[11]。李純金等采用鎳鈦合金材料設(shè)計(jì)了封隔器用新型金屬密封元件,并基于ANSYS軟件對密封元件密封性能進(jìn)行了評價(jià)，結(jié)果表明，拱形半徑和拱形厚度對密封元件密封性能影響較為顯著,且適當(dāng)減小拱形半徑或增大拱形厚度，可提高其密封性能[12]。綜上所述，對于金屬密封副的接觸力學(xué)行為的研究均是針對具有理想幾何形狀的密封副。

本文以井下流量控制閥中具有圓度誤差的金屬密封圈為研究對象，基于ABAQUS模擬分析介質(zhì)壓力、初始過盈量和圓度誤差對于金屬密封圈接觸應(yīng)力的影響規(guī)律。

1 井下流量控制閥金屬密封組件結(jié)構(gòu)

為了隔離油套管環(huán)空與油管之間的原油流動，在ICV殼體和滑套之間采用金屬密封組件和組合密封，如圖1所示。金屬密封組件和滑套之間具有一定的初始過盈量。該金屬密封組件由金屬密封件和非金屬密封件組成。介質(zhì)壓差通過非金屬密封件傳遞給金屬密封件。當(dāng)滑套向下運(yùn)動時，滑套外表面會依次與非金屬密封件和金屬密封件的唇部相接觸，此時金屬密封面上發(fā)生彈性變形，當(dāng)接觸應(yīng)力足夠大時就能夠?qū)崿F(xiàn)油套管環(huán)空與油管之間的密封。當(dāng)滑套向上運(yùn)動時，滑套外表面會依次與金屬密封件和非金屬密封件的唇部脫離接觸，產(chǎn)層的原油將通過節(jié)流孔進(jìn)入油管。

圖1 井下流量控制閥金屬密封組件結(jié)構(gòu)原理

金屬密封件和滑套的材料性能參數(shù)如表1所示。金屬密封件由高溫鎳基合金GH4169制成。該合金在-253 ～700 ℃具有良好的綜合性能，能夠制造各種形狀復(fù)雜的零部件，在宇航、核能、石油工業(yè)中獲得了極為廣泛的應(yīng)用。非金屬密封件由氟橡膠制成。氟橡膠是指主鏈或側(cè)鏈的碳原子上含有氟原子的合成高分子彈性體，氟原子的引入，賦予橡膠優(yōu)異的耐熱性、抗氧化性、耐油性、耐腐蝕性和耐大氣老化性，在航天、航空、汽車、石油和家用電器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

表1 20 ℃時金屬密封副材料參數(shù)

2 金屬密封副接觸應(yīng)力影響因素分析

當(dāng)考慮圓度誤差時，金屬密封圈和滑套組成的金屬密封副共有3種裝配情況，如圖2所示。

1) 金屬密封圈和滑套兩者的橢圓截面的長軸重合。

2) 金屬密封圈和滑套兩者的橢圓截面的長軸夾角為0～90°的任意角度(圖示為45°)。

3) 金屬密封圈和滑套兩者的橢圓截面的長軸正交。

圖2 金屬密封副配合示意

有限元分析流程如圖3所示。非金屬密封元件傳遞到金屬密封元件上的載荷分布不是完全均勻的[13]，為了簡化模型，假設(shè)分布在金屬密封元件上的載荷是均勻分布的。首先建立金屬密封件和滑套的三維裝配有限元模型，然后對金屬密封件的外表面和底面施加完全固定約束,金屬密封件的上下兩側(cè)施加介質(zhì)壓力，參數(shù)如表2。最后在ABAQUS的Visualization模塊中，在密封面上建立14條接觸路徑(path)，提取各路徑上各個節(jié)點(diǎn)的接觸應(yīng)力值，并繪制成接觸應(yīng)力分布圖。

圖3 ICV金屬密封副有限元分析流程

表2 有限元分析模型的各變量值

2.1 密封面的兩橢圓長軸重合時接觸應(yīng)力與介質(zhì)壓力關(guān)系

為了研究金屬密封副兩橢圓截面的長軸重合時，接觸應(yīng)力與介質(zhì)壓力的關(guān)系，設(shè)定金屬密封圈和滑套的結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變，而介質(zhì)壓力p在0～40 MPa之間變化，增量為10 MPa。由圖4圖可以看出(其中的數(shù)字1～14代表接觸面上的14條接觸路徑線，下同)，各接觸路徑上的接觸應(yīng)力沿著密封環(huán)面呈“W”型曲線分布，且各條“W”型曲線越靠近最大接觸應(yīng)力，越平緩?！癢”型曲線的波峰對應(yīng)著金屬密封圈與滑套兩者的橢圓截面的長軸的接觸點(diǎn)，因?yàn)榇颂巸烧邫E圓截面的曲率最大，從而接觸應(yīng)力最大。波谷對應(yīng)著金屬密封圈與滑套兩者的橢圓截面短軸的接觸點(diǎn)，因?yàn)榇颂巸烧邫E圓截面的曲率最小，從而接觸應(yīng)力最小。隨著介質(zhì)壓力的增加，“W”型曲線的波峰處和波谷處接觸應(yīng)力的最值和密封面上的平均接觸應(yīng)力均增加。說明此時該密封仍能實(shí)現(xiàn)自緊密封。密封面的兩橢圓長軸重合時介質(zhì)壓力與接觸應(yīng)力最值關(guān)系如圖5所示。

a p=0 MPa

b p=20 MPa

c p=40 MPa

圖5 密封面的兩橢圓長軸重合時介質(zhì)壓力與接觸應(yīng)力最值關(guān)系

2.2 密封面的橢圓長軸重合時接觸應(yīng)力與初始過盈量關(guān)系

為了研究金屬密封副兩橢圓截面的長軸重合時，接觸應(yīng)力與初始過盈量的關(guān)系，假設(shè)金屬密封圈和滑套的結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變，而初始過盈量δ在0.05～0.25 mm之間變化，增量為0.05 mm。從圖6可以看出，各條“W”型曲線隨著初始過盈量的增加而變得更加平緩。隨著初始過盈量的增加，各條“W”型曲線的波峰和波谷處接觸應(yīng)力的最值和密封面上的平均接觸應(yīng)力均增加。當(dāng)初始過盈量由0.05 mm增加到0.25 mm時，“W”型曲線波峰接觸應(yīng)力的最大值分別為376.9、552.96、612.38、710.24、1 203 MPa。說明初始過盈量不能太大，否則金屬密封將發(fā)生塑性變形。

密封面的兩橢圓長軸重合時初始過盈量與接觸應(yīng)力最值關(guān)系如圖7所示。

a δ=0.05 mm

b δ=0.15 mm

c δ=0.25 mm

圖7 密封面的兩橢圓長軸重合時初始過盈量與接觸應(yīng)力最值關(guān)系

2.3 密封面的橢圓長軸重合時接觸應(yīng)力與圓度誤差關(guān)系

為了研究金屬密封副兩橢圓截面的長軸重合時，接觸應(yīng)力與圓度誤差的關(guān)系，金屬密封圈和滑套的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變，而滑套的圓度誤差?在0.013 ～0.046 mm之間變化。如圖8。

a ?=0.0013 mm

b ?=0.03 mm

c ?=0.046 mm

由圖8可以看出，當(dāng)密封副的兩橢圓截面長軸重合時，隨著滑套的圓度誤差的增加，“W”型曲線越來越彎曲，且波峰處和波谷處接觸應(yīng)力的最值和密封面上的平均接觸應(yīng)力也越來越大。當(dāng)滑套的圓度誤差為0.046 mm時，密封面上接觸應(yīng)力的最大值為930.09 MPa，接近其屈服極限。因此，圓度誤差過大時，可能會引起金屬密封圈發(fā)生塑性變形。密封面的兩橢圓長軸重合時圓度誤差與接觸應(yīng)力最值關(guān)系如圖9所示。

圖9 密封面的兩橢圓長軸重合時圓度誤差與接觸應(yīng)力最值關(guān)系

2.4 密封面的橢圓長軸正交時接觸應(yīng)力與介質(zhì)壓力關(guān)系

為了研究金屬密封副兩橢圓截面的長軸正交時，接觸應(yīng)力與介質(zhì)壓力的關(guān)系，假設(shè)金屬密封圈和滑套的結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變，而介質(zhì)壓力p在0～40 MPa之間變化。由圖10可以看出，當(dāng)密封副的兩橢圓截面長軸正交時，各接觸路徑上的接觸應(yīng)力沿著密封環(huán)面呈“M”型曲線分布。介質(zhì)壓力越大，各條“M”型曲線越平緩?！癕”型曲線的波峰對應(yīng)著金屬密封圈橢圓截面的短軸與滑套橢圓截面的長軸接觸點(diǎn)，因?yàn)榇颂巸烧邫E圓截面的過盈量最大，從而接觸應(yīng)力最大。波谷對應(yīng)著金屬密封圈橢圓截面的長軸與滑套橢圓截面的短軸接觸點(diǎn)，因?yàn)榇颂巸烧邫E圓截面的過盈量最小，從而接觸應(yīng)力最小。隨著介質(zhì)壓力的增加，“M”型曲線波峰處和波谷處接觸應(yīng)力的最值和密封面上的平均接觸應(yīng)力均增加。這說明此時該密封仍能實(shí)現(xiàn)自緊密封。密封面的兩橢圓長軸正交時介質(zhì)壓力與接觸應(yīng)力最值關(guān)系如圖11所示。

a p=0 MPa

b p=20 MPa

c p=40 MPa

圖11 密封面的兩橢圓長軸正交時介質(zhì)壓力與接觸應(yīng)力最值關(guān)系

2.5 密封面的橢圓長軸正交時接觸應(yīng)力與初始過盈量關(guān)系

為了研究金屬密封副兩橢圓截面的長軸正交時，接觸應(yīng)力與初始過盈量的關(guān)系，假設(shè)金屬密封圈和滑套的結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變，而初始過盈量δ在0.01～0.20 mm之間變化。

a δ=0.01 mm

b δ=0.10 mm

c δ=0.2 mm

由圖12可以看出，各條“M”型曲線隨著初始過盈量的增加而變得更加平緩。隨著初始過盈量的增加，各條“M”型曲線波峰處和波谷處接觸應(yīng)力的最值和密封面上的平均接觸應(yīng)力均增加。當(dāng)初始過盈量為0.01 mm時，波谷處接觸應(yīng)力的最大值為0 MPa，說明此時存在泄漏；而當(dāng)初始過盈量為0.20 mm時，波峰處接觸應(yīng)力的最大值為1 055 MPa，接近材料的屈服極限。說明此時應(yīng)該合理選擇初始過盈量，使得金屬密封圈既能實(shí)現(xiàn)密封，又不發(fā)生塑性變形。密封面的兩橢圓長軸正交時初始過盈量與接觸應(yīng)力最值關(guān)系如圖13所示。

圖13 密封面的兩橢圓長軸正交時初始過盈量與接觸應(yīng)力最值關(guān)系

2.6 密封面的橢圓長軸正交時接觸應(yīng)力與圓度誤差關(guān)系

為了研究金屬密封副兩橢圓截面的長軸正交時，接觸應(yīng)力與圓度誤差的關(guān)系，假設(shè)金屬密封圈和滑套的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變，而滑套的圓度誤差?在0.013 ～0.046 mm之間變化。

a ?=0.013 mm

b ?=0.030 mm

c ?=0.046 mm

由圖14可以看出，當(dāng)密封副的兩橢圓截面長軸正交時，隨著滑套的橢圓截面圓度誤差?的增加，“M”型曲線的彎曲程度越大，且波峰處和波谷處接觸應(yīng)力的最值和密封面上的平均接觸應(yīng)力也越來越大。

當(dāng)滑套的圓度誤差為0.046 mm時，密封面上接觸應(yīng)力的最大值為1 407 MPa，超過其材料的屈服極限，說明圓度誤差過大時可能會引起金屬密封圈的塑性變形，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)加工精度，從而減小圓度誤差。密封面兩橢圓長軸正交時圓度誤差與接觸應(yīng)力最值關(guān)系如圖15所示。

2.7 金屬密封副兩橢圓截面的長軸夾角對接觸應(yīng)力的影響

為了研究金屬密封副兩橢圓截面的夾角與接觸應(yīng)力的關(guān)系，金屬密封圈和滑套的結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變，而金屬密封副的兩橢圓截面長軸夾角θ由0°增加到90°。

圖15 密封面兩橢圓長軸正交時圓度誤差與接觸應(yīng)力最值關(guān)系

由圖16可以看出，接觸應(yīng)力沿接觸路徑的分布由“W”型轉(zhuǎn)變?yōu)椤癕”型，且分布曲線的波峰處和波谷處接觸應(yīng)力的最值和密封面上的平均接觸應(yīng)力先減小后增加。金屬密封副兩橢圓長軸夾角與接觸應(yīng)力最值的關(guān)系如圖17所示，可以看出3條關(guān)系曲線關(guān)于θ=45°線近似對稱。

a θ=0°

b θ=45°

c θ=90°

圖17 密封面兩橢圓長軸夾角與接觸應(yīng)力最值的關(guān)系

3 結(jié)論

1) 為了研究井下流量控制閥(ICV)的密封性能，建立了具有圓度誤差的金屬密封圈和滑套的密封副有限元模型，研究了介質(zhì)壓力和初始過盈量對于ICV金屬密封接觸應(yīng)力的影響。

2) 當(dāng)金屬密封副的兩橢圓截面長軸重合或正交時，接觸應(yīng)力呈“W”型或“M”型曲線分布。各條“W”型或“M”型曲線隨著介質(zhì)壓力、初始過盈量的增加和滑套圓度誤差的減小而越來越平緩?！癢”型或“M”型曲線波峰和波谷處接觸應(yīng)力的最值和密封面上的平均接觸應(yīng)力均隨著介質(zhì)壓力、初始過盈量和滑套圓度誤差的增加而增加。

3) 當(dāng)金屬密封副的兩橢圓長軸夾角在0～90°變化時，接觸應(yīng)力的分布曲線由“W”型轉(zhuǎn)變?yōu)椤癕”型，且分布曲線波峰和波谷處接觸應(yīng)力的最值和密封面上的平均接觸應(yīng)力先減小后增加。3條接觸應(yīng)力最值曲線與橢圓長軸夾角的關(guān)系曲線均關(guān)于θ=45°線近似對稱。