牙輪鉆頭徑向非對稱扁平密封性能研究*

周姝文 況雨春 魏 琦

(1.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院 四川成都 610500；2.成都航天萬欣科技有限公司 四川成都 610100)

良好的密封是保證器械安全運行的基礎(chǔ)，而密封的過早失效，不僅會大大提高維修的成本，甚至還會導(dǎo)致一系列的安全事故。在牙輪鉆頭密封中，O形橡膠密封多用于固定密封和機械運動密封中，在高溫高壓情況下，O形橡膠密封長時間處于壓縮狀態(tài)，導(dǎo)致其回彈性減弱，從而密封失效[1]。2010年，Hughes公司提出HAR橡膠密封圈[2]，如圖1所示，其對稱截面的扁平密封比O形密封占用的軸向空間更小且具有更高的壓縮比，能有效地補償密封接觸面的磨損。為了保證牙輪鉆頭密封的可靠性，2012年，Smith公司提出一種能適應(yīng)高溫高壓的雙密封結(jié)構(gòu)，其中，在主密封的動密封面復(fù)合一層加強橡膠，靜密封面復(fù)合一層抗磨材料[3]。2013年Varal公司在HAR橡膠密封圈的基礎(chǔ)上提出一種具有表面微凹織構(gòu)的密封[4]，在一定潤滑條件下，該密封的動密封面能留住部分潤滑油，能有效降低動密封面的磨損。

圖1 HAR橡膠密封結(jié)構(gòu)示意

基于上述結(jié)構(gòu)，在保留O形和扁平密封圈的結(jié)構(gòu)相對簡單、生產(chǎn)成本低、安裝使用方便等特點[5]的基礎(chǔ)上，本文作者提出了一種徑向非對稱扁平密封圈，如圖2所示。與以往相同動密封面為基準的對稱截面密封圈相比，徑向非對稱扁平密封圈在裝配后產(chǎn)生的動密封面摩擦面積更小，則避免了密封圈內(nèi)圈因接觸面積過大造成密封圈過度摩擦磨損。文中通過試驗對比氫化丁腈橡膠(HNBR)與丁腈橡膠(NBR)的性能，選擇出合適的橡膠密封圈材料，最后制備出一種結(jié)構(gòu)緊湊、耐高溫、耐磨損、密封性能好且壽命長的牙輪鉆頭徑向非對稱扁平橡膠密封圈[6]。

圖2 徑向非對稱扁平密封結(jié)構(gòu)方案

1 新型密封結(jié)構(gòu)方案

為了提高密封圈壽命，保證良好的密封狀態(tài)，避免因接觸面積過大導(dǎo)致密封圈過度磨損，文中提出了一種徑向非對稱扁平密封圈，如圖2所示。在相同過盈量下，該密封圈形心偏移量比對稱截面扁平密封圈小，故相比以相同動密封面為基準的對稱截面，徑向非對稱扁平密封圈在裝配后產(chǎn)生的動密封面摩擦面積更小。同時，由于該密封圈內(nèi)外圈半徑不同，則不同的過盈量可產(chǎn)生一部分徑向力，其能補償軸的偏心，保證密封可靠。

徑向非對稱扁平密封結(jié)構(gòu)方案如圖2所示。基于牙輪鉆頭軸頸和牙輪直徑為287 mm所設(shè)計的密封圈結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：密封圈長度L=6.25 mm，高度h=2.92 mm，內(nèi)圈斜邊倒角D=0.52 mm，內(nèi)圈弧半徑R=3.70 mm，外圈斜邊倒角d=0.63 mm，外圈弧半徑r=2.00 mm。

2 橡膠材料力學(xué)性能研究

2.1 橡膠材料力學(xué)性能實驗對比

氫化丁腈橡膠(HNBR)是由丁腈橡膠(NBR)經(jīng)加氫處理而得到的一種高度飽和的特種彈性體。與NBR相比，HNBR分子結(jié)構(gòu)中含少量或不含碳碳雙鍵，在保持NBR耐油、耐磨等性能的同時，還具備更優(yōu)異的耐熱氧老化、耐臭氧、耐輻射、耐化學(xué)介質(zhì)和良好的動態(tài)性能，是一種綜合性能優(yōu)異的特種橡膠[7]。

HNBR有極高的強度和耐磨性、抗壓性，耐硫化氫、耐油性能優(yōu)秀，滿足深井油田應(yīng)用需求。在石油工業(yè)中，HNBR能夠在-40～150 ℃下長期使用，其物理性能不受溫度影響，具有優(yōu)良的密封性能和尺寸穩(wěn)定性[8-10]。

為選擇合適的橡膠密封材料，文中開展了常態(tài)下的空氣老化試驗、物理性能試驗以及壓縮永久變形試驗[6]，以對比HNBR與NBR的性能。表1給出了常態(tài)下2種橡膠的物理性能試驗結(jié)果，表2給出了空氣老化試驗后HNBR與NBR拉伸強度和伸長變化率，表3給出了空氣老化試驗后的硬度變化。

表1 HNBR與NBR常態(tài)下的物理性能

表2 空氣老化試驗后HNBR與NBR拉伸強度和伸長變化率

表3 空氣老化試驗后HNBR與NBR硬度變化

從表1可以看出，HNBR在常態(tài)下的物理性能要好于NBR，其拉伸強度、硬度以及拉伸應(yīng)力均高于NBR。從表2、3可知，隨著試驗時間的增加，2種橡膠材料的拉伸強度變化率總體上呈增大趨勢，伸長變化率總體上呈下降趨勢，硬度則呈上升的趨勢。這說明隨著試驗時間的延長，材料都逐漸呈現(xiàn)失效的趨勢。另外，相比NBR，老化試驗前后HNBR的參數(shù)變化更小，且HNBR的拉伸強度變化率和伸長變化率變化不大，說明HNBR比NBR更適合高溫工況。

橡膠的壓縮永久變形率是橡膠制品的重要指標(biāo)，這一數(shù)值常被用來評價其耐溫性能，該數(shù)值越小則橡膠密封性能越好，工作壽命越長。參照GB/T531標(biāo)準，在干熱環(huán)境中，針對NBR和HNBR開展了壓縮永久變形試驗，結(jié)果見表4。

表4 干熱條件下HNBR與NBR壓縮永久變形試驗結(jié)果

由表4可知，隨著試驗溫度的升高，HNBR與NBR的壓縮永久變形率都呈增長的趨勢，但其中HNBR增長趨勢更小一些，說明HNBR密封圈的性能優(yōu)于NBR密封圈。

2.2 HNBR的本構(gòu)參數(shù)確定

常用的對橡膠力學(xué)性能的描述方法主要分為兩類[11]：一類是將橡膠看作連續(xù)介質(zhì)的現(xiàn)象學(xué)描述；另一類是基于熱力學(xué)的統(tǒng)計學(xué)描述?，F(xiàn)象學(xué)的描述方法假設(shè)在未變形狀態(tài)下橡膠為各向同性材料，即長分子鏈方向在橡膠中是隨機分布的，這種各向同性的假設(shè)是用單位體積(彈性)應(yīng)變能密度來描述橡膠特性的。而基于統(tǒng)計熱力學(xué)方法的理論則認為：觀察到橡膠中的彈性恢復(fù)力主要來自橡膠中的熵的減少，熵的減少是由于橡膠的伸長使得橡膠結(jié)構(gòu)由高度的無序變得有序[12]。

在橡膠的多種本構(gòu)模型中，多項式的本構(gòu)模型較具有代表性。其中Yeoh本構(gòu)模型更適用于大變形條件下橡膠本構(gòu)描述，并能表征出橡膠在大變形下的硬化現(xiàn)象，其描述方式如公式(1)所示[13-14]。

在實際應(yīng)用方面，橡膠一般被視為不可壓縮材料。所以，變形前后橡膠的體積是固定的，即J=1，以上存在J項的相關(guān)式子會被消去。

綜合密封件的實際工況和相關(guān)材料的調(diào)研，文中對HNBR密封件進行基礎(chǔ)拉伸試驗，其中Yeoh系數(shù)Ci0可通過單軸拉伸試驗、平面拉伸試驗以及等雙軸拉伸試驗得到，試驗結(jié)果如圖3所示。試驗選擇工況最大溫度120 ℃，采取循環(huán)加載的試驗?zāi)Ｊ絒15]。

圖3 HNBR基礎(chǔ)拉伸試驗數(shù)據(jù)

結(jié)合3種基礎(chǔ)拉伸試驗的結(jié)果，最后得到Y(jié)eoh本構(gòu)模型對應(yīng)的本構(gòu)參數(shù)C10=1.484 025 56 MPa，C20=-3.013 839 56 MPa，C30=9.585 691 65 MPa，D1=D2=D3=0。

3 徑向非對稱密封圈的結(jié)構(gòu)驗證

根據(jù)牙輪軸承密封圈的結(jié)構(gòu)特點，在對其進行二維靜態(tài)分析時，將牙輪軸承密封圈簡化為二維軸對稱模型，然后對比分析對稱截面的扁平密封圈和徑向非對稱截面的扁平密封圈2種不同截形的密封圈在過盈裝配和壓力滲透的作用下的變形行為。建立二維軸對稱有限元模型(網(wǎng)格密度0.1 mm)求出的等效應(yīng)力云圖和接觸應(yīng)力云圖如圖4、5所示。

圖4 徑向非對稱扁平密封(a)與對稱截面扁平密封

從圖4、5中可以看出，徑向非對稱密封與對稱截面的扁平密封的最大Mises等效應(yīng)力分別是1.093和1.408 MPa，最大接觸應(yīng)力分別是2.220和2.182 MPa，即徑向非對稱扁平密封相比對稱截面的扁平密封，在接觸應(yīng)力增大3.8%的同時Mises等效應(yīng)力減小了31.5%。這是因為徑向非對稱密封因為內(nèi)外圈半徑不同，在不同過盈量下可產(chǎn)生一部分徑向力，即減小了Mises等效應(yīng)力，增大了接觸應(yīng)力。另外，徑向非對稱密封在提升密封可靠性的同時減少了密封變形后的軸向尺寸，給牙輪軸承的設(shè)計留出了更多空間，更有利于深部地層小尺寸牙輪鉆頭的應(yīng)用。

4 徑向非對稱密封圈的密封性能評價

4.1 三維瞬態(tài)熱力耦合有限元分析模型

結(jié)合二維軸對稱有限元模型，基于有限元軟件對橡膠密封圈進行完全熱力耦合分析時，由于井下條件非常復(fù)雜且不可控，難以完全模擬密封圈在井下工作時的真實情況。因此做出以下假設(shè)[16]：

(1)橡膠材料各向同性，同時是連續(xù)的，在軟件內(nèi)部，假設(shè)材料被默認為是不可壓縮的。

(2)假設(shè)潤滑僅會影響摩擦因數(shù)值，同時，忽略流體自身存在的動壓潤滑性能，在切向接觸中，假設(shè)其中的摩擦滿足庫侖定律，當(dāng)相對轉(zhuǎn)速以及溫度變化時，摩擦因數(shù)保持穩(wěn)定。

(3)僅分析橡膠密封圈的變形情況以及受力情況，將密封溝槽以及牙輪軸頸設(shè)成剛體；模型所受約束以及載荷、接觸等都是軸對稱的。

(4)在進行熱分析時，密封圈會接收到井壁以及牙爪背部的摩擦熱量、地層溫度、巖石以及牙齒作用形成的熱量、軸承摩擦的熱量等，不再詳細贅述，將其共同影響的結(jié)果看做一個熱源影響的結(jié)果。

徑向非對稱扁平密封圈三維瞬態(tài)完全熱力耦合分析有限元模型如圖6所示，其中牙輪軸頸和牙輪密封溝槽采用的網(wǎng)格類型均為S4RT，密封圈采用的網(wǎng)格類型是C3D8RHT。

圖6 徑向非對稱扁平密封圈三維有限元模型

4.2 環(huán)境溫度對密封性能的影響

隨著鉆井深入，由于地?zé)幔貙拥沫h(huán)境溫度以每鉆進30 m大約1 ℃的幅值增加，橡膠密封圈在過高溫度下會急速老化，甚至損壞。在其他工況參數(shù)保持不變時，文中在100～150 ℃溫度范圍內(nèi)研究了環(huán)境溫度對徑向非對稱扁平密封圈的影響。

在摩擦因數(shù)為0.1、環(huán)境壓力為21 MPa、壓差為0.5 MPa、轉(zhuǎn)速為100 r/min、壓縮率為12%工況下，徑向非對稱扁平密封的最大溫度隨環(huán)境溫度的變化如圖7所示?？梢钥闯?，密封圈旋轉(zhuǎn)動密封面間的最高溫度隨著環(huán)境溫度的增加而增加，且密封件的最大溫度始終比環(huán)境溫度高出10 ℃左右。

圖7 徑向非對稱扁平密封的最大溫度隨環(huán)境溫度的變化

在摩擦因數(shù)為0.1、環(huán)境壓力為21 MPa、壓差為0.5 MPa、轉(zhuǎn)速為100 r/min、壓縮率為12%工況下，不同環(huán)境溫度下徑向非對稱扁平密封中動密封面的溫度分布如圖8所示。可以看出，動密封面溫度隨著環(huán)境溫度的增加而增加，不同環(huán)境溫度下，徑向非對稱扁平密封的溫度分布規(guī)律保持不變，均有中心區(qū)域幅值偏高且過渡區(qū)域幅值最高的特點。當(dāng)環(huán)境溫度達到150 ℃時，動密封面的最高溫度達到了167.14 ℃。而根據(jù)相關(guān)資料[17]，高性能HNBR密封材料可在180 ℃溫度下長期耐受。因此，HNBR密封圈在環(huán)境溫度150 ℃以下有較長的工作壽命。

4.3 環(huán)境壓力對密封性能的影響

隨著鉆頭鉆進深度不斷增加，井下鉆頭工作時所處的環(huán)境壓力也會隨著增大，當(dāng)井深達到幾千米時，井底壓力會達到幾十兆帕，反映出密封圈的工作環(huán)境十分惡劣，因此，對在高壓下工作的密封圈性能進行研究顯得十分必要。另一方面，密封圈在井下不僅會受到鉆井液的壓力還會受到軸承腔內(nèi)的潤滑脂壓力作用，實際上密封圈兩側(cè)壓力差值會不斷變化。而為了方便研究環(huán)境壓力對密封圈變形的影響，研究時假定壓差為0.5 MPa，牙輪轉(zhuǎn)速取值100 r/min，環(huán)境溫度取值150 ℃，動密封接觸面的摩擦因數(shù)取值0.1，壓縮率取值12%，環(huán)境壓力范圍取值為5～40 MPa。

4.3.1 環(huán)境壓力對等效應(yīng)力的影響

圖9所示為徑向非對稱扁平密封的最大等效應(yīng)力隨環(huán)境壓力的變化?？梢钥吹降刃?yīng)力隨著地層環(huán)境壓力的增大呈增大趨勢，當(dāng)環(huán)境壓力從5 MPa增加到40 MPa時，等效應(yīng)力由1.402 MPa逐漸增加到8.959 MPa，增幅較大，因此在高壓下密封圈的壽命比在低壓時更短。

圖9 徑向非對稱扁平密封最大等效應(yīng)力隨環(huán)境壓力的變化

圖10所示為不同環(huán)境壓力下徑向非對稱扁平密封的等效應(yīng)力分布?？梢钥闯觯瑥较蚍菍ΨQ扁平密封結(jié)構(gòu)中動密封面的等效應(yīng)力隨環(huán)境壓力的增加而增加，且動密封面中心到過渡區(qū)的增幅越來越明顯，而靜密封面的等效應(yīng)力幾乎不受環(huán)境壓力的影響。

圖10 不同環(huán)境壓力下徑向非對稱扁平密封的等效應(yīng)力分布

4.3.2 環(huán)境壓力對接觸應(yīng)力的影響

圖11所示為徑向非對稱扁平密封的最大接觸應(yīng)力隨環(huán)境壓力的變化?？煽闯鼋佑|應(yīng)力隨著地層環(huán)境壓力的增大呈增大趨勢，當(dāng)環(huán)境壓力從5 MPa增加到40 MPa時，密封的接觸應(yīng)力由7.04 MPa逐漸增加到44.87 MPa。且徑向非對稱扁平密封在環(huán)境壓力變化的過程中最大接觸應(yīng)力始終高于環(huán)境壓力，最大接觸應(yīng)力與環(huán)境壓力的差值隨環(huán)境壓力的增加而增加，說明徑向非對稱扁平密封圈能夠有效應(yīng)對環(huán)境壓力的波動，密封性能好。

圖11 徑向非對稱扁平密封最大接觸應(yīng)力隨環(huán)境壓力的變化

圖12所示為不同環(huán)境壓力下徑向非對稱扁平密封的接觸應(yīng)力分布?？梢钥闯?，徑向非對稱密封在環(huán)境壓力逐漸增大的情況下，其接觸應(yīng)力的分布趨勢保持向動密封面和靜密封面集中的特點不變，說明環(huán)境壓力變化對密封圈接觸應(yīng)力分布情況影響不大。且該密封圈的動密封面和靜密封面的接觸應(yīng)力隨環(huán)境壓力的增加而增加，動密封面和靜密封面的接觸長度基本保持不變，靜密封接觸帶寬、接觸力遠高于動密封面，因此在使用過程中，靜密封面與密封槽之間相對滑動概率較小，在其密封性能增加的同時并未增加多余的磨損量。

圖12 不同環(huán)境壓力下徑向非對稱扁平密封的接觸應(yīng)力分布

4.3.3 環(huán)境壓力對溫度的影響

圖13所示為徑向非對稱扁平密封最大溫度隨環(huán)境壓力的變化?？梢钥吹矫芊獾淖畲鬁囟入S著地層環(huán)境壓力的增大呈增大趨勢，環(huán)境壓力由5 MPa增加到40 MPa時，密封圈溫度由154.1 ℃逐漸增加到177.57 ℃，即環(huán)境壓力每增加5 MPa，密封的最大溫度就上升3～4 ℃，說明環(huán)境壓力的升高會加劇密封圈的摩擦生熱。

圖13 徑向非對稱扁平密封最大溫度隨環(huán)境壓力的變化

圖14所示為不同環(huán)境壓力下徑向非對稱密封的動密封面溫度分布。可以看出，該密封的溫度分布依舊集中在動密封；另外，隨著環(huán)境壓力的增加，動密封面接觸帶兩側(cè)溫度和中心溫度的差值由1 ℃逐漸增大到3 ℃。

圖14 不同環(huán)境壓力下徑向非對稱扁平密封動密封面溫度分布

5 現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果分析

如圖15所示，將裝有徑向非對稱扁平密封圈的16.51 cm復(fù)合鉆頭投入新疆油田進行現(xiàn)場試驗。密封圈現(xiàn)場應(yīng)用的具體工況參數(shù)如表5所示，其中鉆頭總轉(zhuǎn)數(shù)85萬向(直井段牙輪轉(zhuǎn)數(shù)45萬向，定向段牙輪轉(zhuǎn)數(shù)40萬向)，鉆頭進尺265 m(直井段165 m，定向段100 m)。試驗后將徑向非對稱扁平密封圈從鉆頭上取下后，對磨損情況進行了檢測，結(jié)果如圖16所示。檢測發(fā)現(xiàn)，密封圈內(nèi)徑有摩擦損耗，但屬于較正常的摩擦損耗狀態(tài)；外徑部分有明顯的摩擦損耗的痕跡，推斷可能發(fā)生了外圈旋轉(zhuǎn)。通過斷面來看，內(nèi)徑側(cè)有傾斜摩擦損耗的情況發(fā)生，認為是壓力將密封圈擠壓，在跟軸旋轉(zhuǎn)后產(chǎn)生摩擦而造成的?？傮w上看，試驗后徑向非對稱密封圈并沒有出現(xiàn)大的損傷。

表5 徑向非對稱扁平密封圈現(xiàn)場應(yīng)用條件

圖15 裝有徑向非對稱扁平密封圈的16.51 cm復(fù)合鉆頭

圖16 試驗后密封圈內(nèi)、外徑面磨損情況

用工廠專業(yè)的顯微鏡和測壓計對密封圈的尺寸進行了測定，運用硬度計對密封圈的硬度進行測定，檢測結(jié)果如表6所示。

表6 使用前后密封圈的尺寸和硬度

從表6中可以看出，密封圈內(nèi)徑、高度、硬度都沒有發(fā)現(xiàn)異常的變化，寬度因為摩擦損耗有變小。使用前后的內(nèi)徑尺寸相差0.22 mm，即內(nèi)徑有0.22 mm的摩擦磨損；內(nèi)徑和外徑的磨損之和最大約為0.40 mm；相位截面寬度尺寸基本沒有變化，并沒有出現(xiàn)摩擦損耗的現(xiàn)象。密封圈使用前后的硬度差別不大。都是在規(guī)格基準以內(nèi)的，并且經(jīng)過分析計算，密封圈的壓縮量還有剩余，這說明密封圈還可以繼續(xù)使用。

6 結(jié)論

(1)對NBR和HNBR進行了常態(tài)、空氣老化和干熱條件下的力學(xué)性能對比試驗，試驗表明HNBR比NBR具有更好的抗老化能力和耐熱性；對HNBR進行了單軸拉伸、雙軸拉伸和平面拉伸試驗，結(jié)果表明HNBR適合作為密封圈材料。

(2)有限元分析結(jié)果可知，優(yōu)化后的新型扁平密封結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力略大(+3.8%)，表明新型扁平密封結(jié)構(gòu)密封可靠行更高；同時，其Mises等效應(yīng)力略小(-31.5%)，表明新型扁平密封結(jié)構(gòu)密封壽命更長以及密封可靠行更高。

(3)將安裝徑向非對稱扁平密封圈的牙輪鈷頭在現(xiàn)場進行了實鉆作業(yè)，結(jié)果表明，使用后密封圈沒有出現(xiàn)嚴重的損傷，且具有剩余壽命，能繼續(xù)使用，驗證了徑向非對稱扁平密封圈的可行性和實用性。