加熱電纜填料密封結(jié)構(gòu)及其有限元分析

摘要：為實(shí)現(xiàn)井口高壓力防噴目的，提出了一種適用于加熱電纜防噴器的填料密封結(jié)構(gòu)。該填料密封結(jié)構(gòu)中填料環(huán)通過(guò)壓閥壓縮實(shí)現(xiàn)預(yù)安裝，起到對(duì)腔內(nèi)流體密封的目的。通過(guò)建立填料密封結(jié)構(gòu)理論模型，分析了填料環(huán)在壓縮變形階段和流體滲透階段的力學(xué)行為，利用有限元軟件建立了填料密封結(jié)構(gòu)的二維軸對(duì)稱模型，分析填料環(huán)在不同壓縮載荷和流體壓力下的填料環(huán)變化規(guī)律。結(jié)果表明：不同壓縮載荷下填料環(huán)最大應(yīng)力應(yīng)變隨壓縮載荷的增大而增大，當(dāng)載荷超過(guò)15 MPa時(shí)，應(yīng)變區(qū)域開始向下轉(zhuǎn)移；密封面上的接觸應(yīng)力沿著軸向位置基本呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，且隨著壓縮載荷的增大而增大；隨流體滲透載荷的增加，流體逐漸從密封面向上滲透，接觸長(zhǎng)度不斷減小。

關(guān)鍵詞：加熱電纜；填料密封；有限元分析；流體壓力滲透

中圖分類號(hào)：TE921.5" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " "doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.05.007

Packing Sealing Structure of Heating Cable and"Its Finite Element Analysis

CHEN Xiaochun1，LIU Qiwei1，LUO Zhiwei1，YANG Zaigang1，ZHANG Guangming2，3，MA Bo2，3

（1.Sinopec Xinjiang Xinchun Petroleum Development Co.，Ltd.， Dongying 257000，China；2. Hubei Key"Laboratory of Oil and Gas Drilling and Production Engineering（Yangtze University），Wuhan 430100，China；3.School of Petroleum Engineering，Yangtze University：National Engineering Research Center for"Oil amp; Gas Drilling and Completion Technology，Wuhan 430100，China）

Abstract：" A packing sealing structure suitable for heating cable blowout preventers has been proposed as a means of achieving the purpose of high-pressure blowout prevention at the wellhead. The packing ring， which forms part of the packing sealing structure， is pre-installed by compressing the pressure valve. This achieves the purpose of sealing the fluid inside the cavity. Firstly， a theoretical model of the packing seal structure was constructed， and the mechanical behaviour of the packing ring during the compression deformation stage and fluid infiltration stage was analysed. Subsequently， a two-dimensional axisymmetric model of the packing seal structure was constructed using finite element software. Finally， an analysis was conducted to determine the variation law of the packing ring under different compression loads and fluid pressures. The findings indicate that the maximum stress-strain of the packing ring increases with the rise in compression load under varying compression loads. When the load exceeds 15 MPa， the strain region begins to shift downwards. The contact stress on the sealing surface demonstrates a decreasing trend along the axial position， increasing with the increase of compressive load. As the fluid permeation load rises， the fluid gradually penetrates upwards from the sealing surface， and the contact length continuously decreases.

Key words： heating cable; packing sealing; finite element analysis; fluid pressure permeation

防噴器是一種重要的井控設(shè)備，主要用于鉆井、修井及試油等作業(yè)中關(guān)閉井口，以防止井噴事故發(fā)生?，F(xiàn)階段，在開采含蠟量過(guò)多或凝固點(diǎn)較高的自噴井時(shí)，由于井筒內(nèi)的流體在靠近井口地表的過(guò)程中不斷損失熱量，會(huì)產(chǎn)生蠟晶并附著于井筒，導(dǎo)致開采量下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成堵塞。目前，降低結(jié)蠟技術(shù)是常用的手段，油田常用的帶金屬護(hù)套三相星型加熱電纜升高井流溫度，減少油中蠟質(zhì)析出，但國(guó)內(nèi)對(duì)能夠配套加熱電纜使用的小口徑高壓力防噴器的設(shè)計(jì)技術(shù)較國(guó)外產(chǎn)品來(lái)說(shuō)存在一定的落后。高壓防噴器中密封結(jié)構(gòu)的的密封性能直接影響到防噴器的安全性，而實(shí)現(xiàn)高壓井口防噴的主要結(jié)構(gòu)是該防噴器密封盒主體上端的填料密封結(jié)構(gòu)。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于密封結(jié)構(gòu)的有限元分析主要集中于O形密封圈［1-5］和Y形密封圈［6-10］，對(duì)填料密封結(jié)構(gòu)的有限元分析較少。邱金水等人［11］對(duì)穿艙電纜密封結(jié)構(gòu)中填料進(jìn)行了受力分析，通過(guò)建立有限元分析模型仿真了填料壓緊后的力學(xué)行為，并與理論結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。劉伯運(yùn)［12］等人建立了穿艙電纜填料函密封結(jié)構(gòu)的二維軸對(duì)稱有限元模型，分析了接觸面過(guò)盈量、摩擦因數(shù)及壓緊螺母軸向位移對(duì)填料密封性能的影響。劉鵬等人［13］開發(fā)了一種自適應(yīng)回彈填料密封結(jié)構(gòu)，通過(guò)有限元分析得出在填料中增加開口環(huán)，可以增加徑向力，降低了預(yù)緊力。

上述研究未能考慮密封流體對(duì)填料密封結(jié)構(gòu)性能的影響。因此，本文首先通過(guò)有限元分析軟件建立了加熱電纜填料密封結(jié)構(gòu)的二維有限元模型，分析了填料環(huán)受壓縮變形后的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)流體壓力滲透模擬分析了密封流體滲透到接觸面對(duì)密封性能的影響。

1 計(jì)算分析模型

1.1 填料密封結(jié)構(gòu)組成

該防噴裝置本體上端的填料密封結(jié)構(gòu)主要由加熱電纜、壓閥、填料環(huán)、填料座和鎖緊螺母等組成，如圖1所示。密封填料環(huán)由7個(gè)矩形填料組成，該填料環(huán)作為密封主要部件安裝在填料座和電纜所構(gòu)成的空腔內(nèi)。在實(shí)際使用時(shí)，通過(guò)旋緊鎖緊螺母對(duì)壓閥施加壓力，使得填料環(huán)被軸向壓縮從而產(chǎn)生徑向膨脹，在填料環(huán)與電纜外表面、填料座內(nèi)壁的接觸面上產(chǎn)生接觸應(yīng)力，從而起到密封作用。

1.2 壓縮變形階段

壓縮變形階段為填料環(huán)從最初狀態(tài)到受到壓閥壓縮產(chǎn)生變形形成密封面的過(guò)程。當(dāng)密封面的接觸應(yīng)力大于密封流體壓力時(shí)，可以起到密封作用。為分析計(jì)算壓應(yīng)力的分布，在離壓閥下端面x處取微元，該微元厚度為dx，微元受到軸向應(yīng)力？滓x和？滓x+d？滓x，徑向應(yīng)力？滓r和摩擦力f1與f2的作用。所以，微元體的軸向平衡方程式為

（1）

（2）

式中：x為軸向應(yīng)力，MPa；？滓r為徑向應(yīng)力，MPa；f1為填料座內(nèi)壁對(duì)填料微元體的摩擦力，N；f2為電纜表面對(duì)填料微元體的摩擦力，N；r和R分別為內(nèi)、外半徑，mm；μ1為填料與填料座間的摩擦因數(shù)；μ2為填料與電纜間的摩擦因數(shù)；k為側(cè)壓因數(shù)；p為流體壓力，MPa；l為填料長(zhǎng)度，mm。

將式（2）代入式（1）中得

=-2kdx（3）

為保證密封。要求x=l處，？滓r≥p。?。孔襯|x=l=p，并對(duì)式（3）兩邊積分得

（4）

由式（4）可知，？滓x在［0，l］是指數(shù)的減函數(shù)。在x=0處，？滓x為最大值，此為壓閥預(yù)緊所需的壓縮載荷。壓閥所需壓縮載荷與流體壓力成正比，并且當(dāng)填料環(huán)厚度、填料環(huán)側(cè)壓因數(shù)越小，而摩擦因數(shù)、填料環(huán)長(zhǎng)度越大時(shí)，所需的壓縮載荷也就越大。

由式（2）和式（4）可得徑向應(yīng)力：

（5）

1.3 流體壓力滲透階段

填料環(huán)受到壓縮變形后，固定壓閥。填料下方的環(huán)空與防噴器出口相連，屬于高壓側(cè)，高壓側(cè)流體會(huì)試圖滲透到密封接觸面上，當(dāng)下環(huán)的高壓流體壓力大于密封面上的接觸應(yīng)力時(shí)，接觸節(jié)點(diǎn)將被打開，流體將繼續(xù)往前滲透，直到某個(gè)節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)接觸應(yīng)力大于密封流體壓力［14］，流體壓力滲透將被阻斷，此為密封流體滲透階段。

將電纜與填料環(huán)間形成的密封面定義為主密封面，填料座和填料環(huán)間形成的密封面定義為副密封面。本文主要考慮密封流體通過(guò)主、副密封面上的縫隙而引起的密封失效。在密封面上，能有效阻止流體泄漏的參數(shù)是密封面上的接觸應(yīng)力。因此要保證密封接觸面上的最大接觸應(yīng)力大于密封流體壓力，即：

Cmax≥p（6）

式中：Cmax為密封面上的最大接觸應(yīng)力，MPa。

2 有限元分析模型

加熱電纜填料密封性能主要取決于密封面的密封性能，在工作狀態(tài)下，密封面上的最大接觸應(yīng)力如果小于流體的壓力，就會(huì)發(fā)生泄露，防噴器密封從而失效。密封填料的力學(xué)性能是影響其密封性能的決定性因素，因此，本文通過(guò)有限元模擬密封填料在壓縮變形和密封流體滲透階段下的應(yīng)力應(yīng)變來(lái)分析其密封性能。

2.1 模型建立

由于加熱電纜填料密封結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，可建立二維可變形軸對(duì)稱有限元模型，如圖2所示。橡膠填料選用氫化丁晴，劃分網(wǎng)格為CAX4RH單元類型，壓閥、上填料座和電纜設(shè)置為剛體，均選用CAX4R網(wǎng)格單元類型。

2.2 材料參數(shù)設(shè)置

填料密封結(jié)構(gòu)各部件材料參數(shù)如表1所示。其中，密封填料選用氫化丁晴橡膠（HNBR），是一種高性能特種橡膠，具有耐高溫性和耐腐蝕性。橡膠是一種大變形、不可壓縮、非線性超彈性材料，其力學(xué)性能不能像其他材料一樣可以由幾個(gè)簡(jiǎn)單的參數(shù)表征出來(lái)。本文采用ABAQUS材料庫(kù)中的Yeoh 3模型，它是表征超彈性材料的一種模型，利用該模型可以描述填料環(huán)在大變形下的力學(xué)性能。其本構(gòu)模型參數(shù)［15］為：C10=1.64，C20=-1.44，C30=1.25。

2.3 分析步和邊界條件設(shè)置

1） 有限元模型由兩個(gè)分析步組成：填料壓縮變形階段和流體壓力滲透階段。

2） 填料座與電纜上下端面施加固定約束。

3） 在第一個(gè)分析步中壓閥施加軸向壓縮載荷，并約束其余方向的自由度，從而實(shí)現(xiàn)填料壓縮完成裝配；在第二個(gè)分析步中，在填料環(huán)下端面上施加流體壓力載荷和臨界接觸壓力載荷。

4） 在各接觸面之間定義接觸行為，并賦予接觸屬性，法向行為定義為“硬”接觸，切向行為定義為摩擦接觸。設(shè)置壓閥與電纜之間的摩擦因數(shù)為0.1，電纜與填料環(huán)、填料座與填料環(huán)、壓閥與填料環(huán)之間的摩擦因數(shù)為0.15，填料環(huán)之間的摩擦因數(shù)為0.3。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 壓縮變形階段填料環(huán)應(yīng)力應(yīng)變分布

為研究密封結(jié)構(gòu)中橡膠填料的承壓性能，向壓閥分別施加5、10、15、20 MPa壓縮載荷，通過(guò)后處理得出不同壓縮載荷下填料環(huán)的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D3所示。

從圖3中可以看出，在壓縮載荷下，填料環(huán)應(yīng)力集中于最上端的密封面上，且主密封面上的應(yīng)力值小于副密封面上的應(yīng)力值。隨著施加在壓閥上的壓縮載荷的均勻增大，填料環(huán)最大應(yīng)力值增大，且應(yīng)力增大得更多。發(fā)生大應(yīng)變的區(qū)域同樣在填料環(huán)上端的密封面上，隨著壓縮載荷的增大，填料環(huán)應(yīng)變值逐漸增大，并且主密封面上的應(yīng)變小于副密封面上的應(yīng)變。但當(dāng)載荷超過(guò)15 MPa時(shí)，應(yīng)力繼續(xù)增大而應(yīng)變不再增加，發(fā)生大應(yīng)變的區(qū)域開始向填料環(huán)下端轉(zhuǎn)移，且最大應(yīng)變值達(dá)到0.3 mm。實(shí)際工作中，填料環(huán)上端易發(fā)生破環(huán)而導(dǎo)致密封失效，應(yīng)及時(shí)檢查更換填料。

3.2 壓縮變形階段密封面接觸應(yīng)力分布

如圖4所示為20 MPa壓縮載荷下填料環(huán)的接觸應(yīng)力云圖。通過(guò)后處理創(chuàng)建路徑的方法，可以提取出4、10、15、20、25 MPa壓縮載荷下，填料環(huán)主密封面上的接觸應(yīng)力隨軸向位置的變化圖（如圖5），圖中坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是填料環(huán)的上方。由圖4～5可以看出，壓縮載荷為20 MPa時(shí)，填料環(huán)上最大接觸應(yīng)力出現(xiàn)在壓閥與填料環(huán)上端面相接觸的肩部位置，達(dá)到了55.95 MPa，但主密封面上的最大接觸應(yīng)力為31.7 MPa。填料環(huán)密封面上的接觸應(yīng)力沿著軸向位置基本呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，且隨著施加的壓縮載荷均勻增大，密封面上的接觸應(yīng)力也逐漸增大。但當(dāng)壓縮載荷超過(guò)20 MPa時(shí)，由于填料環(huán)上端與壓閥間存在摩擦，填料環(huán)受到切向約束使接觸應(yīng)力變化并不均勻。從上述分析可得知，增大對(duì)壓閥的壓縮載荷可有效增大密封面上的接觸應(yīng)力，對(duì)填料密封起著重要作用。但壓縮載荷不應(yīng)過(guò)大，否則會(huì)加速料環(huán)的磨損，導(dǎo)致密封性變差。

3.3 流體滲透階段的填料密封性能

為研究電纜填料密封結(jié)構(gòu)的密封性能，壓閥施加的壓縮載荷固定為20 MPa，向填料下方環(huán)空區(qū)域施加10、15、20、25 MPa流體壓力滲透載荷，分析在不同流體壓力下填料環(huán)接觸應(yīng)力的變化規(guī)律，后處理得到填料環(huán)接觸應(yīng)力云圖如圖6所示。

將圖6與流體滲透前填料環(huán)的接觸應(yīng)力（如圖4）比較得出，隨著流體壓力滲透載荷的增加，密封流體逐漸從密封面向上滲透，主、副密封面上的接觸長(zhǎng)度不斷減小，表明密封的流體壓力越大，填料密封性能越差。被流體滲透后，密封面上的接觸壓力急劇減小。4 結(jié)論

1） 本文提出了一種適用于加熱電纜防噴器的填料密封結(jié)構(gòu)，并建立了填料環(huán)在壓縮變形階段和流體滲透階段的理論模型和有限元模型。

2） 在不同壓縮載荷下，填料環(huán)最大應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生在密封面上部區(qū)域，且都隨著壓縮載荷的增大而增大，但當(dāng)載荷超過(guò)15 MPa時(shí)，應(yīng)力繼續(xù)增大而應(yīng)變不再增加，應(yīng)變區(qū)域開始向下轉(zhuǎn)移。

3） 在壓縮變形階段，填料環(huán)密封面上的接觸應(yīng)力沿著軸向位置基本呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，且隨著施加的壓縮載荷均勻增大，密封面上的接觸應(yīng)力也逐漸增大。增大壓閥的壓縮載荷可有效增大密封面上的接觸應(yīng)力，填料的密封性能更好。

4） 在流體滲透階段，一定的壓縮載荷下，隨著流體壓力滲透載荷的增加，密封流體逐漸從密封面向上滲透，主、副密封面上的接觸長(zhǎng)度不斷減小，可見(jiàn)密封流體壓力的大小對(duì)填料密封性能的影響較大。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 郭金柱，瞿金秀，史小偉，等. 橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)老化狀態(tài)的模態(tài)分析［J］. 機(jī)床與液壓，2022，50（15）：146-150.

［2］ 莫麗，王軍，管西旗. 石油機(jī)械中O形密封圈的動(dòng)密封特性分析［J］.石油機(jī)械，2014，42（1）：103-107.

［3］ 趙靜一，羅元奎，郭銳，等. 不同溝槽棱圓角半徑對(duì)帶擋環(huán)的O形圈密封的影響［J］. 潤(rùn)滑與密封，2022，47（2）：8-14.

［4］ 陳銘亮，梁晟林，戴慶文，等.低壓工況O型圈動(dòng)/靜密封特性數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究［J/OL］.潤(rùn)滑與密封：1-12.［2024-08-15］.Http：//kns.cnki.net/kcms/detail/44.1260.th.20240510.1919.006.html.

［5］ 陳晨，錢國(guó)慶，許興彥，等.基于ABAQUS的流體壓力滲透O形圈密封性能仿真研究［J］. 液壓氣動(dòng)與密封，2021，41（2）：86-90.

［6］ 王琦，張付英，姜向敏. 基于ANSYS的Y形橡膠密封圈密封性能研究［J］. 液壓與氣動(dòng)，2017（6）：55-59.

［7］ 迪力夏提艾海提，索雙富，黃樂(lè).Y形密封圈可靠性和靈敏度的有限元分析［J］. 潤(rùn)滑與密封，2015，40（5）：5-10+15.［8］ 雷雨念，陳奎生，湛從昌.基于伺服液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)的Y形密封圈結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化［J］.冶金設(shè)備，2020（04）：1-5+33.

［9］ 汝紹鋒，劉廷嬌.O型和Y型密封圈預(yù)壓縮密封性能分析［J］.中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2019，17（5）：466-470.

［10］ 李騰，張付英，鄧康豐. 基于ANSYS的Y形橡膠密封圈靜態(tài)密封性能研究［J］. 潤(rùn)滑與密封，2013，38（11）：64-67+77.

［11］ 邱金水，陳如木，劉伯運(yùn)，等. 穿艙電纜密封結(jié)構(gòu)力學(xué)特性研究［J］. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，29（3）：70-75.

［12］ 劉伯運(yùn)，陳如木，邱金水，等. 穿艙電纜填料函密封結(jié)構(gòu)有限元分析［J］.潤(rùn)滑與密封，2017，42（6）：92-95+140.

［13］ 劉鵬，曾濤，謝君科，等. 自適應(yīng)回彈填料密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析［J］.流體機(jī)械，2015，43（2）：29-31+65.

［14］ 吳長(zhǎng)貴，索雙富，李雪梨. 基于ABAQUS的往復(fù)密封仿真分析［C］//第11屆中國(guó)CAE工程分析技術(shù)年會(huì)會(huì)議論文集. 2015：59-63+74.

［15］ Zuo Rundong，Wang Guorong，Hu Gang，et al. Theoretical research on sealing performance of packing element used in the dual gradient packer considering stress relaxation effect. J Braz. Soc. Mech. Sci. Eng，2022，44（237）： 3-13.

基金項(xiàng)目： 中石化勝利油田科技項(xiàng)目（YKC2202）；新疆自治區(qū)“天山英才-優(yōu)秀工程師”培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（2022TSYCGC0002）。

作者簡(jiǎn)介： 陳曉春（1980-），男，高級(jí)工程師，主要從事于采油工程方面的研究工作，E-mail：chenxiaochun.slyt@sinoepc.com。

通訊作者： 劉啟偉（1984-），男，高級(jí)工程師，主要從事于采油工程方面的研究工作，E-mail： liuqiwei.slyt@sinopec.com。