應(yīng)力松弛影響下液動沖擊器往復(fù)密封性能研究

齊悅 柳貢慧 李軍 查春青 田玉棟 張毅

(1.中國石油大學(北京)石油工程學院 2.北京工業(yè)大學材料與制造學部 3.西南石油大學機電工程學院)

0 引 言

隨著油氣開采進一步向深部地層邁進，硬地層的破巖效率越來越低，液動沖擊器可以大幅提高深部地層的破巖效率，能有效緩解鉆頭鉆進過程中的“黏滑”現(xiàn)象[1]。但深部地層鉆進會給鉆井工具帶來嚴重的高溫和高壓問題，液動沖擊器的壽命和往復(fù)組合密封的可靠性緊密相關(guān)，密封一旦破壞，液動沖擊器的沖擊性能將大幅下降。國內(nèi)外學者對往復(fù)組合密封已經(jīng)開展了理論和試驗研究。趙樂等[2]通過仿真分析了不同表面結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)組合密封圈在完成過盈安裝與流體加載后的接觸壓力分布。王軍[3]利用順解法對Y形圈的往復(fù)密封潤滑性能進行了求解，研究了往復(fù)速度和表面粗糙度對液膜厚度、泄漏率和摩擦力的影響。XIANG C.等[4]基于橡膠材料的黏彈性，建立了帶紋理桿的往復(fù)桿密封的瞬態(tài)動態(tài)平衡條件，計算了不同織構(gòu)下的液膜壓力。LI T.Y.等[5]提出了一種將油膜厚度與臨界值進行比較的新方法，研究發(fā)現(xiàn)，單獨的摩擦因數(shù)并不能完全適用于評估活塞環(huán)-缸套摩擦系統(tǒng)的潤滑狀態(tài)。沈敏等[6]利用有限元軟件對軸用氣動組合密封圈進行模擬仿真，分析了摩擦因數(shù)、往復(fù)運動速度、壓縮率和密封介質(zhì)壓力對其密封性能的影響。

可以看出，國內(nèi)外關(guān)于往復(fù)密封的研究都主要考慮工況參數(shù)對密封性能的影響。然而，對于液動沖擊器而言，高溫環(huán)境下橡膠材料會發(fā)生應(yīng)力松弛和蠕變[7]，進而導(dǎo)致密封力不足，造成液動沖擊器外側(cè)鉆井液泄漏，但目前研究很少考慮高溫影響下橡膠材料應(yīng)力松弛對密封性能的影響。本文結(jié)合沖擊器的工況參數(shù)，對高溫高壓影響下滑環(huán)組合密封的密封性能進行研究，以期為液動沖擊器的現(xiàn)場應(yīng)用和性能優(yōu)化提供參考。

1 液動沖擊器工作原理及密封結(jié)構(gòu)

液動沖擊器的功能是將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)換成高頻均勻的機械沖擊能[8]，并直接傳遞給PDC鉆頭。液動沖擊器主要是通過噴嘴和節(jié)流套等射吸元件，使其內(nèi)部的活塞通道上下產(chǎn)生較大的流速差，隨著鉆井液壓力的持續(xù)增大，上下腔體的壓力差進一步增大，從而在液動沖擊器內(nèi)部產(chǎn)生向上的推動力；當活塞到達極限位置時，沖錘又開始向下運動，從而產(chǎn)生周期性的往復(fù)沖擊力。圖1為液動沖擊器沖擊部分示意圖。

1—上接頭；2—噴嘴；3—調(diào)程塊；4—齒形滑環(huán)密封；5—閥；6—導(dǎo)向環(huán)；7—活塞；8—上外管；9—沖錘。

滑環(huán)組合密封具有優(yōu)良的抗高溫和耐磨損的特點，在鉆井領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[9]。該密封主要由耐磨損的齒形滑環(huán)和能給滑環(huán)提供彈力的O形圈組成，當齒形滑環(huán)的主密封面磨損時，O形圈可以提供連續(xù)的彈力，保證主密封面依然有良好的密封性能。圖2為滑環(huán)組合密封結(jié)構(gòu)示意圖。

1—外管；2—閥體；3—滑環(huán)；4—O形圈。

2 滑環(huán)組合密封模型

2.1 滑環(huán)組合密封有限元模型

分析軟件采用ABAQUS，滑環(huán)組合密封型號為TB3-I 50×5.3[10]。其中，齒形滑環(huán)的材料是聚四氟乙烯，彈性模量為440 MPa，泊松比為0.45；O形圈的材料是丁腈橡膠，有限元分析時，O形圈所選單元為非線性雜交單元CAX4RH，選用M-R模型來體現(xiàn)O形圈材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，設(shè)置常數(shù)C10=1.87、C01=0.47[11]，并將密封槽和軸設(shè)置為剛體，采用二維軸對稱模型進行分析。其有限元模型如圖3所示。

圖3 滑環(huán)組合密封有限元模型Fig.3 Finite element model for combined seal of slip ring

有限元模型的加載分2步進行，首先通過位移載荷加載體現(xiàn)密封圈的裝配過程，O形圈壓縮率為15%，其次采用壓力加載的方式加載鉆井液壓力載荷[12]。

2.2 O形圈黏彈模型

高溫下O形圈的應(yīng)力松弛現(xiàn)象對組合密封主密封面的性能有較大影響，本分析選用Maxwell模型來模擬橡膠的黏彈性特征。該模型中松弛函數(shù)可以表示為[13-15]：

(1)

式中：E0為橡膠材料未產(chǎn)生應(yīng)力松弛時的彈性模量，Pa；gi為橡膠材料的剪切松弛；τi是Prony延遲時間常數(shù)，可參考文獻[13]。

通過在ABAQUS中設(shè)置該系數(shù)，可以體現(xiàn)出O形圈的松弛特性。在此基礎(chǔ)上，分別加載5、15和30 MPa的鉆井液壓力[16]，滑環(huán)組合密封的Mises應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 進程、回程時不同流體壓力下組合密封的應(yīng)力云圖Fig.4 Cloud chart for stress of combined seal at different fluid pressures during progress and return

由圖4可以看出，隨著流體壓力的增大，其最大Mises應(yīng)力也在增大，且增幅較為均勻：在相同流體壓力下，進程的最大Mises應(yīng)力約為回程時的50%。

組合密封回程、進程時主密封面的接觸壓力分布情況如圖5所示。

圖5 進程、回程時不同流體壓力下組合密封的接觸壓力Fig.5 Contact pressure of combined seal at different fluid pressures during progress and return

由圖5可以看出，對于回程和進程，在流體壓力下，滑環(huán)式組合密封都可以實現(xiàn)較好的密封效果，產(chǎn)生接觸壓力峰值的部位都是主密封面靠近高壓流體側(cè)。對于相同的鉆井液壓力，回程時主密封面的最大接觸壓力大于進程時的最大接觸壓力。

3 應(yīng)力松弛對密封性能的影響分析

由于橡膠O形圈長期處于固定形變時會發(fā)生應(yīng)力松弛，尤其時鉆井過程中的密封壓力和溫度會隨著鉆井深度的變化而連續(xù)改變，為了探究這些因素對組合密封性能的影響效果，本文分析了O形圈材料發(fā)生應(yīng)力松弛1 000 s后的密封性能，同時考慮了壓縮率和應(yīng)力松弛綜合作用對密封性能的影響。

3.1 應(yīng)力松弛對組合密封應(yīng)力的影響

圖6為不同密封壓力下應(yīng)力松弛對組合密封最大應(yīng)力的影響。

圖6 應(yīng)力松弛對組合密封最大應(yīng)力的影響曲線Fig.6 Influence curve of stress relaxation on the maximum stress of combined seal

由圖6可以看出，應(yīng)力松弛后，回程時組合密封的應(yīng)力峰值均有所降低。但對于進程而言，當高壓側(cè)的壓力在15 MPa及以下時，應(yīng)力松弛前的應(yīng)力峰值較大，而當壓力大于15 MPa后，應(yīng)力松弛后的應(yīng)力峰值反而更大。這主要是由于當密封壓力較大時，應(yīng)力松弛會使得O形圈的壓縮狀態(tài)發(fā)生改變，進而被密封壓力重新擠壓變形，導(dǎo)致應(yīng)力峰值反而增加。

3.2 應(yīng)力松弛對組合密封應(yīng)變的影響

圖7為不同鉆井液壓力下應(yīng)力松弛對組合密封最大應(yīng)變的影響。由圖7可以看出，隨著鉆井液壓力的增加，組合密封的最大應(yīng)變也隨之增加，但當鉆井液壓力到達15 MPa以后，其增長趨勢逐漸變得平緩。此外，組合密封應(yīng)力松弛后的最大應(yīng)變均大于初始狀態(tài)的最大應(yīng)變。

圖7 應(yīng)力松弛對組合密封最大應(yīng)變的影響曲線Fig.7 Influence curve of stress relaxation on the maximum strain of combined seal

3.3 應(yīng)力松弛對組合密封接觸壓力的影響

圖8為考慮壓縮率和應(yīng)力松弛綜合作用對密封性能的影響規(guī)律。

圖8 應(yīng)力松弛在不同壓縮率下對接觸壓力的影響Fig.8 Influence of stress relaxation on contact pressure at different compression ratios

由圖8可以看出：O形圈在應(yīng)力松弛后，組合密封的主密封面接觸壓力最大值有所下降；從接觸壓力最小值可以看出，隨著壓縮率的增大，主密封面的有效接觸長度逐漸增大，而且當壓縮率達到15%時，主密封面的兩端均出現(xiàn)了較大值。

3.4 井下溫度對密封接觸壓力的影響

溫度對橡膠材料性能會有較大的影響，丁腈橡膠在120 ℃時材料常數(shù)C10=0.895、C01=0.689[17]。圖9為不同溫度和應(yīng)力松弛綜合作用下主密封面的接觸壓力對比圖。從圖9可以看出，與常溫環(huán)境相比，高溫下應(yīng)力松弛對組合密封主密封面接觸壓力的影響較小。此外，高溫環(huán)境下組合密封的有效接觸長度也會略小于常溫，說明高溫環(huán)境會降低動密封的可靠性。

圖9 應(yīng)力松弛在不同溫度下對接觸壓力的影響Fig.9 Influence of stress relaxation on contact pressure at different temperatures

4 結(jié) 論

(1)隨著流體壓力的增大，往復(fù)密封最大Mises應(yīng)力也在增大，在相同壓力下，進程的最大Mises應(yīng)力約為回程時的50%，在主密封面靠近鉆井液側(cè)產(chǎn)生接觸壓力峰值。

(2)應(yīng)力松弛會導(dǎo)致回程時組合密封的應(yīng)力峰值均有所降低，隨著鉆井液壓力的增加，組合密封的最大應(yīng)變也隨之增加，但當鉆井液壓力到達15 MPa以后，其增長趨勢逐漸放緩。

(3)隨著壓縮率的增大，主密封面的有效接觸長度逐漸增大，而且當壓縮率達到17.5%時，主密封面的兩端均出現(xiàn)較大值。

(4)高溫環(huán)境下組合密封的有效接觸長度小于常溫，高溫會降低動密封的可靠性。