水下井口連接器密封性能影響因素分析與優(yōu)化*

劉書杰 孟文波 黃熠 劉和興 李磊 黃亮 趙蘇文

(1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司 2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)深水鉆采技術(shù)公司)

0 引 言

為了實現(xiàn)我國水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的自主研發(fā)，中國海洋石油集團有限公司開展了水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)研究。水下井口連接器作為連接高壓井口與水下采油樹、防止井內(nèi)高溫高壓流體泄漏的關(guān)鍵設(shè)備，其承受著極其惡劣的載荷作用，因此對其密封性能有著較高的要求[1-2]。為確保密封性能的可靠性與安全性，井口連接器一般采用金屬-金屬密封，這也使其具有更廣的使用范圍[3]。VX密封圈是保證井口連接器密封的關(guān)鍵部件，其一旦發(fā)生泄漏，可造成井噴等安全事故[4]，因此分析其密封特性對水下采油樹的設(shè)計及水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全生產(chǎn)都具有重要意義。

目前，對水下井口連接器密封性能的研究已有報道。饒松海[5]對VX密封圈進行了跟蹤試驗與改進，探究了其密封原理。李志剛等[6]通過優(yōu)化密封面角度，提出了一種新型金屬密封結(jié)構(gòu)，有效降低了其安裝預(yù)緊力，并通過樣機試驗驗證了結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。王川等[7]通過建立三維有限元模型研究了各部件和參數(shù)之間的關(guān)系，探究了井口連接器在不同工作模式下的結(jié)構(gòu)性能和密封性能。唐文獻等[8]通過建立井口連接器二維軸對稱模型，分析了其在預(yù)緊、生產(chǎn)和不同彎矩條件下的密封性能。曾威等[9]提出以密封接觸強度作為VX鋼圈密封性能的評價指標較接觸應(yīng)力作為評價指標更準確。

以上研究為水下井口連接器的設(shè)計和應(yīng)用提供了參考，但都未考慮內(nèi)壓工況下流體滲透壓力對金屬-金屬密封的影響。鑒于此，筆者以自主研制的井口連接器為對象，考慮流體滲透壓力對VX鋼圈密封性能的影響，運用ABAQUS軟件分析了井口連接器在預(yù)緊和內(nèi)壓工況下的密封性能，探究了預(yù)緊力、介質(zhì)壓力、密封圈材料性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)對其接觸應(yīng)力的影響規(guī)律，以期為其他類型水下井口連接器的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

1 連接器結(jié)構(gòu)與工作原理

井口連接器主要由VX密封圈、鎖塊、驅(qū)動環(huán)、活塞和水下井口等構(gòu)成[10]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—導(dǎo)向塊；2—活塞；3—驅(qū)動環(huán)；4—上連接件；5—VX密封圈；6—密封圈固位機構(gòu)；7—鎖塊；8—水下井口。圖1 井口連接器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of wellhead connector

安裝預(yù)緊時，液壓驅(qū)動活塞帶動驅(qū)動環(huán)向下擠壓鎖塊，使其與水下井口嚙合，實現(xiàn)鎖緊。解鎖時，在液壓作用下驅(qū)動環(huán)向上運動，釋放鎖塊，通過鎖塊之間的彈簧使鎖塊與水下井口的嚙合面分離，從而實現(xiàn)解鎖，其工作原理簡圖如圖2所示。

圖2 連接器工作原理簡圖Fig.2 Working principle of wellhead connector

為防止井口連接器在外載的作用下發(fā)生解鎖，鎖塊和井口的嚙合面具有自鎖功能，液壓系統(tǒng)無需一直保持液壓作用。

2 連接器數(shù)學(xué)模型建立

2.1 VX密封圈的結(jié)構(gòu)與力學(xué)分析

目標井口為H-4型標準水下井口，內(nèi)徑476.3 mm、外徑685.8 mm，在內(nèi)壓工況下內(nèi)部需要承受約34.5 MPa的介質(zhì)壓力，最大鎖緊液壓為34.5 MPa，其配套VX密封圈的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：Dm=510.0 mm，h=101.6 mm，B=26.2 mm，b0=28.0 mm，α=23°。

圖3 VX密封圈的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of VX seal ring structure

預(yù)緊工況下，鎖塊向下移動，帶動采油樹樹體，進而對VX密封圈進行預(yù)緊。根據(jù)文獻[11]，徑向壓縮量δ與軸向預(yù)緊力W0的關(guān)系式為：

(1)

接觸面應(yīng)力q0與軸向預(yù)緊力W0的關(guān)系為：

(2)

式中：Dm為密封圈中徑，mm；b為接觸面平均寬度，mm；ρ為密封面與密封槽的摩擦角，當鋼與鋼接觸時，取ρ=8.5°[12]；α為鋼圈密封面錐角，(°)；ER為鋼圈的彈性模量，MPa；AR為鋼圈橫截面積，mm2。

因此，預(yù)緊工況下，軸向預(yù)緊力W0或徑向壓縮量δ對密封面的接觸應(yīng)力具有決定性作用，且接觸應(yīng)力與二者都成正比。

2.2 有限元模型

2.2.1 有限元網(wǎng)格模型

因VX密封圈的結(jié)構(gòu)和受力都是軸對稱，為簡化運算，建立連接器-井口系統(tǒng)的二維軸對稱模型[13]。所有部件采用CAX4R網(wǎng)格單元類型，在網(wǎng)格劃分時，對密封圈錐面和密封槽接觸面進行網(wǎng)格加密，確保有限元分析的準確性。有限元簡化模型與網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 井口連接器有限元模型Fig.4 Finite element model of wellhead connector

2.2.2 材料屬性

采油樹樹體、連接器和井口采用8630合金鋼材料，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.33。VX密封圈采用Inconel 625合金鋼材料，彈性模量為205 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為400 MPa。

2.2.3 分析步及加載邊界條件

本文根據(jù)實際情況設(shè)置預(yù)緊工況和內(nèi)壓工況2個分析步，具體如下：第一個分析步模擬無介質(zhì)壓力下的預(yù)緊壓縮，連接器預(yù)緊力施加在采油樹樹體上；第二個分析步施加介質(zhì)壓力并配合壓力滲透進行模擬。介質(zhì)加壓采用符合工況的壓力滲透加載方式。在ABAQUS/Standard模塊中模擬介質(zhì)滲透密封接觸的表面，通過定義介質(zhì)滲透“主、從面”的起始點，從該點開始沿接觸面開始滲透。在滲透過程中介質(zhì)壓力始終垂直于接觸表面，當滲透到某一節(jié)點，該節(jié)點上的接觸壓力大于介質(zhì)壓力時，滲透不再繼續(xù)，介質(zhì)停留在該節(jié)點處，如圖5所示。這種加載方式可自動尋找介質(zhì)滲透產(chǎn)生接觸對分離的臨界點，更準確地分析密封圈密封性能。

圖5 流體壓力滲透載荷施加Fig.5 Application of fluid pressure penetration load

金屬密封圈和密封槽摩擦面設(shè)置2個面接觸對，用罰函數(shù)定義切向行為，摩擦因數(shù)為0.15。

為了限制模型的整體大位移，對水下井口的下表面施加x、y方向的固定約束。采油樹樹體與井口和連接器設(shè)置為綁定約束。安裝預(yù)緊時，對采油樹樹體施加軸向預(yù)緊力，采油樹擠壓VX密封圈使其發(fā)生塑性變形，形成初步密封；內(nèi)壓工況時，對水下井口、VX密封圈和采油樹樹體的內(nèi)徑處施加均布介質(zhì)壓力p(額定壓力的1.5倍，即p=51.75 MPa)。

2.3 密封判定標準

由GB/T 150—2010《壓力容器》[14]得到金屬-金屬密封的判定依據(jù)，取密封比壓λ為179.3 MPa，墊片系數(shù)m為6.5。判定標準為：安裝預(yù)緊時，金屬密封面接觸應(yīng)力應(yīng)大于密封比壓；內(nèi)壓狀態(tài)下，金屬密封面接觸應(yīng)力大于墊片系數(shù)m與內(nèi)壓p的乘積則滿足密封要求，否則密封失效。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 預(yù)緊力對密封性能的影響

圖6為預(yù)緊工況和內(nèi)壓工況下密封圈接觸應(yīng)力云圖。內(nèi)壓工況下，密封圈下表面的接觸應(yīng)力強度會稍大于上表面，其原因是隨著內(nèi)壓的增加，密封圈發(fā)生了翹曲變形。

圖6 不同工況下密封圈接觸應(yīng)力云圖Fig.6 Cloud chart of contact stress of sealing ring under different working conditions

通過ABAQUS軟件分析了預(yù)緊工況下預(yù)緊力與接觸面接觸應(yīng)力的關(guān)系，并與式(2)的理論值進行對比，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，當預(yù)緊力較小時，即小于1 000 kN時，理論值與分析值接近，誤差較小，而隨著預(yù)緊力的增大，接觸應(yīng)力增加緩慢且小于理論值。原因是理論計算時，采用的是彈性分析，假定密封圈為不變形的剛性體，而有限元分析中預(yù)緊初期密封圈與密封槽為環(huán)線性接觸，隨著預(yù)緊力的增大，接觸面積增大導(dǎo)致接觸應(yīng)力有減小的趨勢，有限元計算考慮材料的塑性變形，結(jié)果更可靠。

圖7 軸向預(yù)緊力與接觸應(yīng)力關(guān)系圖Fig.7 Relationship between axial preload and contact stress

圖8為內(nèi)壓34.5 MPa時軸向預(yù)緊力與接觸應(yīng)力的變化曲線。由圖8可知，內(nèi)壓一定時，密封面接觸應(yīng)力隨軸向預(yù)緊力的增大基本呈線性增加。圖7和圖8表明，軸向預(yù)緊力對VX鋼圈密封性能有顯著的影響，在保證結(jié)構(gòu)強度的情況下，可以適當增大連接器的預(yù)緊力。

圖8 34.5 MPa內(nèi)壓下預(yù)緊力與接觸應(yīng)力關(guān)系圖Fig.8 Relationship between preload and contact stress with internal pressure of 34.5 MPa

3.2 內(nèi)壓對密封性能的影響

圖9為軸向預(yù)緊力為1 853 kN時，接觸應(yīng)力隨內(nèi)壓的變化曲線。

圖9 預(yù)緊力1 853 kN時內(nèi)壓與接觸應(yīng)力關(guān)系圖Fig.9 The relationship between internal pressure and contact stress with preload of 1 853KN

由圖9可知：隨著內(nèi)壓的增大，接觸應(yīng)力先減小再增大，這是因為內(nèi)部流體壓力作用于連接器內(nèi)徑通道會產(chǎn)生一個向上的軸向載荷，從而抵消了一部分之前的軸向預(yù)緊力，此時接觸應(yīng)力達到最小值；然后隨著內(nèi)壓的繼續(xù)增大，密封圈被擠壓在密封槽接觸面，形成自緊式密封，接觸應(yīng)力呈線性增加。

與密封判定標準mp值相比，接觸應(yīng)力均大于mp值，連接器密封性能良好，但最終隨著內(nèi)壓的繼續(xù)增加，mp直線將會與接觸應(yīng)力曲線相交，此時密封將失效。

3.3 材料性能對密封性能的影響

VX密封圈的材料性能也是影響其密封性能的因素，通過添加真實應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，分別分析了304不銹鋼、316L不銹鋼和Inconel 625合金鋼3種材料在內(nèi)壓工況下的接觸應(yīng)力分布規(guī)律。圖10為軸向預(yù)緊力1 853 kN，內(nèi)壓為51.75 MPa時不同材料的接觸應(yīng)力云圖。

圖10 不同材料的密封圈接觸應(yīng)力云圖Fig.10 Cloud chart of contact stress on sealing rings with different materials

由圖10可知，隨著材料屈服強度的增大，密封圈的有效接觸寬度減小，最大接觸應(yīng)力增加。304不銹鋼的最大接觸應(yīng)力為316.5 MPa，小于mp值336 MPa，因此可能產(chǎn)生了泄漏。316L不銹鋼的最大接觸應(yīng)力雖小于Inconel 625合金鋼，但是已經(jīng)滿足密封準則。密封圈在內(nèi)壓工況下均已發(fā)生塑性變形，而產(chǎn)生塑性變形能更好地發(fā)揮其密封作用。密封圈為一次性易損件，長期多次使用會失去密封性能，而Inconel 625合金鋼價格較為昂貴。綜合以上因素，在滿足密封準則的要求下，采用316L不銹鋼作為VX金屬密封圈的材料更經(jīng)濟。

3.4 結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封性能的影響

密封錐面的錐角α和密封面寬度b0是影響密封圈密封性能的重要影響因素。在預(yù)緊力1 853 kN，介質(zhì)壓力51.75 MPa時，分別以α(20°～25°)和b0(25～35 mm)為變量，對接觸應(yīng)力的影響規(guī)律進行研究。圖11為b0取28 mm時，密封錐面錐角α和接觸應(yīng)力的關(guān)系曲線。圖12為α取22.75°時，接觸應(yīng)力隨密封面寬度b0變化的關(guān)系曲線。

圖11 密封錐面錐角與接觸應(yīng)力關(guān)系圖Fig.11 Relationship between sealing cone angle and contact stress

圖12 密封面寬度與接觸應(yīng)力關(guān)系圖Fig.12 Relationship between sealing surface width and contact stress

由圖11可知，隨著密封圈密封錐面錐角α的增大，接觸面接觸應(yīng)力持續(xù)增大。當α在20.00°～22.75°之間時接觸應(yīng)力增加速率較大；當α在22.75°～25.00°之間時接觸應(yīng)力增長速率降低，因此可以認為密封面最優(yōu)錐角α為22.75°。

由圖12可知，隨著密封面寬度b0的增大，接觸面接觸應(yīng)力在b0取25～28 mm之間時呈線性增加；在b0取28～35 mm之間時，基本保持在480 MPa不變，因此可以認為最優(yōu)密封面寬度b0為28 mm。

4 結(jié) 論

(1)以自主研制的連接器為研究對象，通過有限元方法建立了連接器軸對稱有限元模型，分析了其在預(yù)緊工況和內(nèi)壓工況下的密封性能。

(2)軸向預(yù)緊力是影響連接器密封性能的重要因素，在保證連接器結(jié)構(gòu)強度下應(yīng)盡量增大預(yù)緊力。隨著內(nèi)壓的增大，上密封面的接觸應(yīng)力增加，趨勢與下密封面相比較增加速率變低，且下密封面接觸應(yīng)力大于上密封面。

(3)不同材料的VX鋼圈密封性能分析結(jié)果表明，316L不銹鋼滿足密封準則，用其作為密封圈材料更為經(jīng)濟。

(4)對VX密封圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化，結(jié)果表明，最優(yōu)密封面錐角α為22.75°，最優(yōu)密封面寬度b0為28 mm。