高速鉆頭金屬密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

Optimization and Test ofMetallic Seal Structure for High-Speed Bit

Liu Yang1.2Li Wenqi1She Yang Zhou1

（1.SchoolofMechanicalEnginering，Yangtze University;2.SichuanProvincialKeyLabofProcessEquipmentandControl）

Abstract：The influence of bit protective gasket on seal structure has been less studied，and there is a lack of structural optimization and experimental study results of gasket.In this paper，test and finite element methods were combined to analyze the influences of parameters such as press-fit force and specific pressure of end face on the mechanical behaviors and sealing performance of metalic seal system as well as the defects of the existing gasket structure. Then，a new type of gasket was designed，and the original structure was improved. The results showthat compared with the original gasket structure，thenew one has an increased effctive contact area withthe energy supply ring and the end face of metallic seal ring，relatively uniform stress distribution with less stress concentration，and smooth deformation.Moreover，the contact pressure meets the requirements for sealing function at the maximum displacement，and wear can also be effectively reduced.The mechanical performance testand unit leakage testresults showthat the new gasket structure isqualified forthe sealing ofhigh-speed rollercone bit.The studyresults provide theoretical and testsupport for improving thesealing performanceand service lifeof highspeed bits.

Keywords： high-speed bit;single metallc seal structure；energy supply ring;sealing protection pad; material test；finite element analysis;performance test

0 引言

隨著石油天然氣開(kāi)采朝著深海和深部地層發(fā)展，需要大量使用高速長(zhǎng)壽命鉆頭。單金屬密封具有密封性能穩(wěn)定、耐高溫高壓和耐磨損的特點(diǎn)，可有效防止鉆頭密封系統(tǒng)泄漏，還可承受極端環(huán)境下的壓力和溫度變化。為了延長(zhǎng)單金屬密封鉆頭的工作壽命，亟需推動(dòng)單金屬密封性能理論研究和試驗(yàn)研究進(jìn)程[1-2]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)金屬密封已開(kāi)展相關(guān)理論和試驗(yàn)研究。王偉等[3-4研究出適用于柔性鉆桿球面密封的異形密封圈，且能夠?qū)崿F(xiàn)良好的密封效果。ZHANGY.等[5基于ANSYS的結(jié)構(gòu)-熱耦合數(shù)值模型研究SEMS2在高溫高壓條件下的密封性能。張毅等[利用有限元法分析第二代單金屬密封端面接觸應(yīng)力分布和磨損形貌，針對(duì)高壓工況進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。ZHANGJ.等和馬藝等[8研究了雙金屬密封（DMES）中橡膠圈的應(yīng)力分布及磨損規(guī)律，研究結(jié)果表明，鉆頭密封結(jié)構(gòu)處存在應(yīng)力集中和壓力分布不均勻現(xiàn)象。ZHANGY.等[9-I]分析了單、雙金屬密封系統(tǒng)在流體壓力、壓縮比、金屬密封環(huán)角度和熱載荷影響下的密封性能。張敏佳等[12]建立了單金屬密封間隙液膜計(jì)算模型，研究動(dòng)態(tài)工況下環(huán)境壓力對(duì)單金屬密封性能的影響，提出密封圈磨損預(yù)測(cè)方法。ZHAOY.等3通過(guò)將金屬橡膠（MR）材料與軸向開(kāi)口C形夾套相結(jié)合，提出了一種金屬橡膠密封方案，研究了不同工況時(shí)橡膠圈的密封特性及密封失效位置，提出增強(qiáng)橡膠圈密封性能的思路。

現(xiàn)有文獻(xiàn)較少研究鉆頭密封保護(hù)墊對(duì)密封結(jié)構(gòu)的影響，缺乏密封墊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和試驗(yàn)研究成果。為此，筆者結(jié)合測(cè)試試驗(yàn)和有限元法，研究壓裝力、端面比壓等參數(shù)對(duì)金屬密封系統(tǒng)力學(xué)行為和密封性能的影響規(guī)律，分析現(xiàn)有密封墊結(jié)構(gòu)密封性能的缺陷，設(shè)計(jì)新型密封墊并對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)研究，以期為增強(qiáng)高速鉆頭的密封性能和延長(zhǎng)使用壽命提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1單金屬密封結(jié)構(gòu)及密封性能分析

高速鉆頭單金屬密封由金屬密封環(huán)、橡膠供能圈、密封保護(hù)墊、牙輪鑲套及牙掌密封槽等組成。牙輪鑲套和金屬密封環(huán)的端面構(gòu)成動(dòng)密封摩擦副。供能圈提供密封力，同時(shí)對(duì)金屬密封環(huán)內(nèi)錐和牙掌密封溝槽進(jìn)行靜密封。密封保護(hù)墊在金屬密封環(huán)端面和牙掌間形成密封，阻止鉆井液及顆粒進(jìn)人，為供能圈提供支撐和保護(hù)?，F(xiàn)有單金屬密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

裝配后密封圈和供能圈受力分析如圖2所示。金屬密封件在裝配過(guò)程中，金屬密封環(huán)軸向壓縮供能圈和密封保護(hù)墊。圖2中虛線和實(shí)線分別代表裝配前、后位置。

圖2中： L_Cl 為供能圈與金屬密封環(huán)的接觸長(zhǎng)度， mm . D_c1 為接觸表面平均直徑， mm ； D 為供能圈外徑， mm ; L 為金屬密封環(huán)端面寬度， mm L₁ 為金屬密封環(huán)徑向長(zhǎng)度， mm ： L₂ 為金屬密封環(huán)與供能圈接觸時(shí)，金屬環(huán)下端與密封墊的距離， mm 。

當(dāng)金屬密封環(huán)軸向位移為 H 時(shí)，供能圈被預(yù)壓縮且平穩(wěn)移動(dòng)。故單獨(dú)對(duì)供能圈進(jìn)行受力分析，金屬密封環(huán)軸向位移 H 計(jì)算式如下：

式中： H₁ 和 H₂ 分別為供能圈兩側(cè)軸向位移量，mm ； Δd 為供能圈截面直徑變化量， mm . α 和 θ 分別為金屬密封環(huán)和密封底座傾斜角度， （^°） 。

供能圈與斜面接觸的最大接觸應(yīng)力 p_Clmax 為：

式中： E₁ 為供能圈的彈性模量， MPa ； d 為供能圈的截面直徑， mm 。

供能圈與斜面的平均接觸應(yīng)力為：

則供能圈對(duì)金屬密封環(huán)的反作用力為：

F_Cl=p_ClA_R1

其中：

A_R1=πD_c1?L_C1

式中： A_R1 為供能圈與金屬密封環(huán)的平均接觸面積，mm² 。

裝配后金屬環(huán)受力分析如圖3所示。

供能圈和密封墊分別對(duì)金屬密封環(huán)產(chǎn)生垂直于斜面的壓力 F_cl 和軸向壓力 F_cs ， F_c 為金屬動(dòng)環(huán)對(duì)靜環(huán)產(chǎn)生軸向壓力，故有：

其中：

L_c=L-L₁

式中： L_c 為金屬密封環(huán)端面長(zhǎng)度， mm ； L_s 為原墊安裝高度， mm ; L₃ 為金屬密封環(huán)小端寬度， mm E₂ 為密封墊的彈性模量， MPa ; D_J1 為金屬密封環(huán)內(nèi)

部豎直面直徑， mm ； D_J2 為金屬密封環(huán)下端內(nèi)側(cè)直徑， mm ; p_c 為動(dòng)密封面接觸應(yīng)力， MPa 。

根據(jù)軸向力平衡可得：

F_c1cosα+F_cs-F_c=0

2 密封材料試驗(yàn)

在靜密封中，初始裝配和壓縮比使供能圈變形以實(shí)現(xiàn)自密封，且其體積基本不會(huì)變化[14]。有限元分析中，通常采用Mooney-Rivlin模型來(lái)描述橡膠的力學(xué)性能，而橡膠材料參數(shù) C₁₀ 、 C₀₁ 需通過(guò)試驗(yàn)確定。

對(duì)國(guó)內(nèi)某公司密封保護(hù)墊和供能圈進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目包括單軸拉伸、等比雙軸拉伸和平面拉伸。工程應(yīng)力與工程應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如圖4所示。根據(jù)橡膠力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)擬合供能圈和密封保護(hù)墊本構(gòu)模型的材料參數(shù)，測(cè)試結(jié)果為：供能圈的材料參數(shù) C₁₀=1.08MPa ， C₀₁=0.029MPa 密封保護(hù)墊的 C₁₀=0.606MPa ， C₀₁=0.035MPa □

圖5為壓裝力與二止面距離的變化曲線。從圖5可見(jiàn)，計(jì)算值與測(cè)試值近似，因此可以選定該橡膠材料參數(shù)，以用于模擬計(jì)算壓裝過(guò)程。

3單金屬密封結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1密封結(jié)構(gòu)有限元模型建立

根據(jù)原有保護(hù)墊的單金屬密封結(jié)構(gòu)與無(wú)保護(hù)墊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，其邊界條件及載荷如圖6所示。

計(jì)算從二止面距離 0.55mm 開(kāi)始，牙輪先向下移動(dòng) 0.20mm 到二止面距離 0.35mm 處（最大竄動(dòng)量位置），再向下移動(dòng) 0.35mm 到二止面相接觸，無(wú)水平位移和轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.2有限元計(jì)算結(jié)果分析

在最大竄動(dòng)量位置時(shí)，即距二止面 0.35mm 處，有墊結(jié)構(gòu)和無(wú)墊結(jié)構(gòu)的金屬環(huán)端面所密封的區(qū)域均較小，有墊結(jié)構(gòu)的密封面積為 25.84mm² 無(wú)墊結(jié)構(gòu)的密封面積為 18.56mm² ；隨著牙輪和牙掌之間的距離減小，有墊結(jié)構(gòu)金屬環(huán)端面的接觸面積逐漸增大，到二止面距離為0時(shí)，所密封區(qū)域的面積增大到 128.65mm² ，接觸面積較大，接觸狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，達(dá)到了良好的密封效果。無(wú)墊結(jié)構(gòu)的密封面積則變化較小，金屬環(huán)端面與鑲套接觸面積較小，接觸不平穩(wěn)，密封性能較差。金屬環(huán)端面接觸面積與二止面距離的關(guān)系如圖7所示。

圖8為在最大竄動(dòng)量時(shí)供能圈I、Ⅱ和原墊的應(yīng)力云圖。其中供能圈I為原墊結(jié)構(gòu)的密封組件，供能圈Ⅱ?yàn)樵瓑|結(jié)構(gòu)的密封組件。通過(guò)密封保護(hù)墊的添加，減小了供能圈應(yīng)力。

原墊和無(wú)墊結(jié)構(gòu)供能圈的應(yīng)力如表1所示。供能圈I、Ⅱ的最大徑向應(yīng)力和最大軸向應(yīng)力均出現(xiàn)在牙掌溝槽拐角處，最大徑向應(yīng)力已超過(guò)3MPa ，此時(shí)的應(yīng)力可能超過(guò)材料能力的許用范圍，易導(dǎo)致膠圈彈性能力降低甚至失效。

圖9為金屬環(huán)接觸壓力沿接觸路徑上節(jié)點(diǎn)的變化曲線。從圖9可見(jiàn)，在最大竄動(dòng)量位置，金屬環(huán)端面的接觸壓力呈不均勻分布，原墊結(jié)構(gòu)的最大接觸壓力為 8.42MPa ，而無(wú)墊結(jié)構(gòu)的最大接觸壓力為 7.43MPa 。隨著牙輪和牙掌之間距離減小，原墊結(jié)構(gòu)金屬環(huán)端面接觸壓力的最大值14.96MPa ，而無(wú)墊結(jié)構(gòu)金屬環(huán)端面接觸壓力的最大值到與二止面重合時(shí)增大到 8.14MPa 。

圖10為供能圈接觸壓力沿接觸路徑上節(jié)點(diǎn)的變化曲線。

從圖10可見(jiàn)：在與二止面距離為 0.35mm 時(shí)，供能圈端面的接觸壓力呈不均勻分布，有密封墊結(jié)構(gòu)供能圈最大接觸壓力值為 4.03MPa ；無(wú)保護(hù)墊結(jié)構(gòu)供能圈接觸壓力出現(xiàn)2個(gè)峰值，其中一個(gè)為 4.49MPa ，另一個(gè)峰值為 2.88MPa ；在與二止面接觸時(shí)，供能圈端面的接觸壓力變化趨勢(shì)和其在最大竄動(dòng)量時(shí)相似，原墊結(jié)構(gòu)的最大接觸壓力值為 4.05MPa ，而無(wú)墊結(jié)構(gòu)的最大接觸壓力值為 4.49MPa ，較其在最大竄動(dòng)量位置時(shí)更大。

4新型單金屬密封結(jié)構(gòu)有限元分析

從上面分析可知，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的密封保護(hù)墊受力大，易導(dǎo)致金屬密封結(jié)構(gòu)失效。因此，通過(guò)改進(jìn)原結(jié)構(gòu)，即改進(jìn)牙掌密封槽結(jié)構(gòu)和密封保護(hù)墊形狀，一方面增強(qiáng)供能圈所提供金屬密封力的作用；另一方面通過(guò)減小密封保護(hù)墊的法向受力，延長(zhǎng)密封保護(hù)墊壽命，以增強(qiáng)密封保護(hù)墊對(duì)供能圈的保護(hù)作用。原墊和新墊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖11所示。新結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型如圖12所示。

4.1新型密封結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果分析

新、舊密封結(jié)構(gòu)在最大竄動(dòng)量和與二止面接觸時(shí)的變形規(guī)律如圖13所示。主要通過(guò)比較供能圈和密封保護(hù)墊的應(yīng)力分布來(lái)對(duì)比分析新、舊結(jié)構(gòu)不同位置最大應(yīng)力值，如表2所示。按金屬密封要求，供能圈、金屬密封環(huán)、密封保護(hù)墊各個(gè)部件相互接觸處的最大當(dāng)量應(yīng)力小于 3MPa 。分析結(jié)果表明，原墊結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力大于 3MPa ，新墊結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力小于 3MPa ，改進(jìn)的金屬密封結(jié)構(gòu)可延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命。圖13中 ① 位置為供能圈與牙掌溝槽接觸處， ② 位置為供能圈與金屬環(huán)接觸處， ③ 位置為密封墊與金屬環(huán)接觸處。

4.2金屬環(huán)受力計(jì)算結(jié)果分析

圖14為金屬環(huán)接觸壓力沿接觸路徑上節(jié)點(diǎn)的變化曲線。從圖14可知：在最大竄動(dòng)量位置時(shí)，新結(jié)構(gòu)金屬密封環(huán)端面的接觸壓力最大為 7.83MPa 而原結(jié)構(gòu)金屬密封環(huán)端面的接觸壓力最大為8.42MPa 。隨著牙輪和牙掌之間距離減小，新結(jié)構(gòu)金屬密封環(huán)端面接觸壓力最大值增大到11.95MPa ；與二止面重合時(shí)，原結(jié)構(gòu)金屬密封環(huán)端面接觸壓力最大值增大到 14.55MPa 。

圖15為供能圈接觸壓力沿接觸路徑上節(jié)點(diǎn)的變化曲線。

從圖15可知：在與二止面距離為 0.35mm 時(shí)，原結(jié)構(gòu)供能圈接觸壓力最大值為 4.03MPa ，新結(jié)構(gòu)供能圈接觸壓力出現(xiàn)2個(gè)峰值，峰值基本相等；在與二止面接觸時(shí)，供能圈端面的接觸壓力變化趨勢(shì)和其在最大竄動(dòng)量時(shí)相似，原墊結(jié)構(gòu)供能圈的最大接觸壓力為 4.05MPa ，而新墊結(jié)構(gòu)供能圈為 3.45MPa ，較其在最大竄動(dòng)量位置時(shí)更大。

新、原結(jié)構(gòu)供能圈和密封保護(hù)墊的軸向變形量與徑向變形量變形規(guī)律如圖16所示。由圖16可知，2種密封保護(hù)墊的供能圈都有保護(hù)墊支撐，能阻礙供能圈往下變形，在牙輪向下位移時(shí)，保護(hù)墊會(huì)往上變形，新結(jié)構(gòu)供能圈最大軸向變形量為2.34mm ，原結(jié)構(gòu)供能圈為 1.21mm 。在牙掌朝向牙輪運(yùn)動(dòng)時(shí)，與二止面距離減小，金屬環(huán)下端面逐漸與密封墊上端面接觸，新、原密封保護(hù)墊受到金屬環(huán)和牙掌溝槽的擠壓作用向下變形，密封保護(hù)墊上端面被金屬環(huán)下端擠壓形成凹槽，密封保護(hù)墊下端面與牙掌溝槽充分接觸，使密封保護(hù)墊下端面變得更平整。

新、原密封保護(hù)墊徑向應(yīng)力和軸向應(yīng)力云圖如圖17所示。在最大竄動(dòng)量位置時(shí)，新墊最大徑向應(yīng)力為 1.10MPa ，最大軸向應(yīng)力為 1.84MPa 原墊最大徑向應(yīng)力為 2.26MPa ，最大軸向應(yīng)力為2.88MPa ，二者最大徑向應(yīng)力和最大軸向應(yīng)力都未超過(guò) 3MPa 。但原墊應(yīng)力值明顯大于新墊，新密封墊底部出現(xiàn)徑向應(yīng)力集中，原密封墊底部產(chǎn)生軸向應(yīng)力集中。新密封墊底部產(chǎn)生軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力集中，原密封墊除底部產(chǎn)生軸向應(yīng)力集中之外，在密封墊上端面與金屬密封環(huán)底部接觸處也產(chǎn)生軸向應(yīng)力集中。

圖18為新、原密封保護(hù)墊接觸壓力云圖和變化規(guī)律曲線。從圖18可知，在最大竄動(dòng)量時(shí)，新墊的最大接觸壓力值為 1.92MPa ，原墊的最大接觸壓力值為 3.73MPa 。此時(shí)原墊變形嚴(yán)重，易發(fā)生失效，而新墊變形量較小。在與二止面接觸時(shí)，新墊的接觸壓力得以提高，能提供更大的密封力。

5單金屬密封總成力學(xué)性能測(cè)試

41. 1mm 密封總成進(jìn)行單元密封試驗(yàn)研究，以驗(yàn)證密封結(jié)構(gòu)的有效性。試驗(yàn)參數(shù)如下：軸承轉(zhuǎn)速450r/min ，載荷 2000N ，軸向串動(dòng) 0.3mm ，試驗(yàn)時(shí)間 80h 。圖19和圖20為新、原結(jié)構(gòu)密封力沿止推面位移特性曲線。新密封結(jié)構(gòu)在新硬墊和原有墊情況下都能保持有效密封，新硬墊在加載和卸載情況下較原墊密封力更大，同時(shí)新結(jié)構(gòu)中密封摩擦副的磨損情況也沒(méi)有明顯變化。新密封結(jié)構(gòu)優(yōu)于原結(jié)構(gòu)，且能滿足使用要求。

為了比較新、原結(jié)構(gòu)密封性能，針對(duì)直徑進(jìn)一步分析密封保護(hù)墊硬度對(duì)密封總成力學(xué)壓力/MPa 起始點(diǎn) 壓 起始點(diǎn) 0 2沿路徑上的節(jié)點(diǎn)編號(hào)1214a.接觸壓力云圖 b.接觸壓力曲線

性能的影響，再嘗試削弱密封保護(hù)墊對(duì)密封系統(tǒng)的密封力作用。試用不同硬度的密封保護(hù)墊，其中硬墊同原密封保護(hù)墊的硬度為 55HA ，軟墊的硬度為 45HA 。新結(jié)構(gòu)軟墊和硬墊密封總成密封力與止推面力學(xué)性能對(duì)比曲線如圖21所示。對(duì)比結(jié)果證明，軟墊的密封力會(huì)更小，密封摩擦副的磨損情況得到改善。

對(duì)新、原結(jié)構(gòu)的密封總成進(jìn)行對(duì)比測(cè)試研究，證實(shí)密封保護(hù)墊軟硬程度對(duì)供能圈的支撐作用以及磨損影響。在軟墊和硬墊情況下整體密封總成都能滿足密封要求，軟墊下密封力會(huì)有顯著減小，既能滿足密封要求，同時(shí)還能改善密封摩擦副之間的磨損情況。新結(jié)構(gòu)不同密封環(huán)密封力與止推面力學(xué)性能測(cè)試對(duì)比如圖22所示。

新密封結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)速 450r/min 下，總轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)216×10⁴r ，密封仍能正常工作。圖23為試驗(yàn)后的試件照片。試驗(yàn)完成后觀察發(fā)現(xiàn)，軟墊結(jié)構(gòu)各密封部位及密封座內(nèi)部完好，密封接觸部位無(wú)磨損；牙掌和牙輪接觸面完好，無(wú)明顯摩擦痕跡。

改進(jìn)的單金屬密封結(jié)構(gòu)滿足密封技術(shù)要求，新密封結(jié)構(gòu)在硬墊和軟墊情況下都通過(guò)了 80h 的密封試驗(yàn)，說(shuō)明新結(jié)構(gòu)相對(duì)原結(jié)構(gòu)具有一定的性能優(yōu)勢(shì)

6結(jié)論

（1）密封結(jié)構(gòu)裝配過(guò)程中，無(wú)密封保護(hù)墊結(jié)構(gòu)金屬環(huán)端面密封區(qū)域基本不變，而原密封保護(hù)墊結(jié)構(gòu)金屬環(huán)端面密封區(qū)域密封面積明顯增大，接觸更加平穩(wěn)，密封效果顯著提高。在最大竄動(dòng)量時(shí)，無(wú)墊結(jié)構(gòu)供能圈的徑向應(yīng)力過(guò)大，而有墊結(jié)構(gòu)仍在安全范圍內(nèi)。結(jié)果表明，密封保護(hù)墊與橡膠供能圈共同作用更有利于密封。

（2）新型密封保護(hù)墊結(jié)構(gòu)與原密封結(jié)構(gòu)相比，新型密封結(jié)構(gòu)供能圈變形量較大，當(dāng)牙輪牙掌之間的距離減小時(shí)，供能圈、鑲套以及金屬環(huán)端面的有效接觸面積較大，避免橡膠供能圈和金屬環(huán)端面摩擦生熱而使密封失效。

（3）原密封保護(hù)墊多處位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，易使這些部位磨損較快造成密封失效；而新密封保護(hù)墊應(yīng)力分布較均勻，應(yīng)力集中較輕。原密封保護(hù)墊在最大竄動(dòng)量時(shí)提供的密封力更大，更易造成金屬環(huán)端面磨損；而新密封保護(hù)墊變形更平穩(wěn)，在最大竄動(dòng)量時(shí)接觸壓力不僅滿足密封系統(tǒng)密封功能要求，而且還能夠減輕磨損。

（4）密封單元力學(xué)性能測(cè)試中，新密封保護(hù)墊在加載和卸載情況下較原密封保護(hù)墊的密封力更大，且新結(jié)構(gòu)中密封摩擦副的磨損較小，新密封結(jié)構(gòu)能滿足使用要求，比原結(jié)構(gòu)具有優(yōu)勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，新結(jié)構(gòu)軟、硬墊均能滿足密封要求，但軟墊的密封力會(huì)有顯著降低，因而軟墊既能滿足密封要求，還能改善密封摩擦副之間的磨損，比硬墊更優(yōu)越。

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