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      壓縮式封隔器膠筒結(jié)構(gòu)改進及密封性能分析

      2013-07-08 01:17:28劉松吳靜董曉明
      石油礦場機械 2013年4期
      關(guān)鍵詞:紫銅膠筒斜角

      劉松,吳靜,董曉明

      (1.中國石化勝利油田海洋鉆井公司,山東東營 257000;2.勝利勘查設計研究院有限公司,山東東營 257026)①

      封隔器的類型頗多,壓縮式封隔器在我國是主流產(chǎn)品,其工作性能主要取決于膠筒的密封性能,而膠筒的可靠性受其材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等影響。國內(nèi)外對膠筒的研究主要集中在結(jié)構(gòu)改進、井下工作性能分析、材料改良、膠筒室內(nèi)試驗研究等方面,取得了一定的成效。但是,由于井下工況的多變性和膠筒力學特性的復雜性,很難得到確切的試驗成果。封隔器的膠筒是橡膠材料,屬于超彈性材料[1]。本文在前人關(guān)于封隔器理論研究的基礎上,利用有限元軟件ABAQUS來模擬膠筒的變形及接觸應力[2],并對改進型封隔器進行分析,以提高封隔器膠筒的密封性能。

      1 常規(guī)封隔器的結(jié)構(gòu)和不足

      常規(guī)封隔器結(jié)構(gòu)如圖1所示,一般是由3個相同的膠筒組成。國內(nèi)已有很多學者對其密封性能進行分析研究。眾多研究表明:常規(guī)封隔器的3個膠筒受力變形不均,其中上膠筒起著主要密封作用,而中膠筒和下膠筒的效果不明顯。封隔器的失效主要是由于上膠筒的表層撕裂造成的,這表明了常規(guī)封隔器在結(jié)構(gòu)方面都存在缺陷。

      圖1 常規(guī)封隔器的三膠筒結(jié)構(gòu)

      2 影響膠筒密封性能的因素

      封隔器膠筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2,密封性能可由膠筒與套管之間的峰值接觸壓力值來評價[3]。在膠筒不出現(xiàn)“肩突”失穩(wěn)的情況下,峰值接觸壓力越大,膠筒系統(tǒng)所能承受的密封壓差越高。

      常規(guī)封隔器膠筒的有限元模型如圖3所示。其中,封隔器的中心管、膠筒、套管以及所受的載荷均為軸對稱分布,這里采用軸對稱簡化模型[4]。

      圖2 膠筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)

      圖3 常規(guī)三膠筒有限元模型

      2.1 膠筒高度

      分析得到不同膠筒高度下的最大接觸應力值,如圖4。研究表明:膠筒的高度和膠筒與套管壁之間的間隙對膠筒密封性能影響很大[5],當膠筒的高度過長時容易引起失穩(wěn);膠筒高度較小時,其承受的坐封壓力很小。由圖4可知,在膠筒高度為85mm時取得最大應力值12.83 MPa。

      圖4 最大接觸應力與膠筒高度的關(guān)系曲線

      2.2 膠筒厚度

      2.2.1 膠筒總厚度對接觸應力的影響

      改變膠筒的外徑,以改變膠筒的總厚度,但同時保證其密封間隙不變。計算結(jié)果如表1。

      表1 膠筒總厚度與接觸應力的關(guān)系

      從表1得知:膠筒的總厚度對最大接觸應力影響很大,在許可條件下應盡力增大膠筒的總厚度;另外,隨著總厚度的增大其軸向壓縮量是遞減的,不利于密封,但變化不大,因此,設計總厚度為20.5 mm。

      2.2.2 膠筒子厚度與接觸應力的關(guān)系

      確定膠筒的總厚度,改變子厚度,得到圖5。從圖中看出:隨著膠筒子厚度的增加,最大接觸應力先緩慢上升而后慢慢減小,變化幅度不大;子厚度在8.5mm 時取得最大接觸應力值13.95 MPa。綜合以上分析,設計膠筒的子厚度為8.5mm。

      圖5 子厚度與最大接觸應力值的關(guān)系曲線

      2.3 端面斜角

      相關(guān)研究表明:裂痕和殘余變形主要發(fā)生在邊緣應力集中區(qū),這是由于端面形狀不合理造成的。端面斜角過大時雖容易坐封,但易有應力集中區(qū),造成變形過大,促使密封元件損壞,以致解封困難。當斜角較小時,壓力不是很大的情況下膠筒已經(jīng)發(fā)生了肩突,這是不允許的。改變膠筒的端面斜角,分析最大接觸應力與斜角的變化關(guān)系,結(jié)果如表2。

      表2 端面斜角與接觸應力的關(guān)系

      從表2中看出:隨著角度的增大,上膠筒的接觸應力是先增大后減小,在斜角為50°時達到最大值12.1 MPa,其軸向壓縮量也是一直增大的。比較分析,設計膠筒的端面斜角為50°。

      2.4 膠筒的材料屬性

      封隔器膠筒一般由1個或多個不同硬度的膠筒組合而成。工作膠筒起著主要的密封作用,要求其彈性好;支撐膠筒主要用于防止工作膠筒松弛,其硬度要稍高些。

      在ABAQUS軟件中,Mooney-Rivlin模型中的系數(shù)C10、C01的值取決于材料的屬性。對膠筒的不同材料組合進行分析,下面是2個常見的系數(shù)組合:

      表3 材料系數(shù)與接觸應力的關(guān)系

      膠筒的設計要保證密封效果最好,其要求是上膠筒的接觸應力越大越好,中、下膠筒要求密封飽滿較好。從表3中得知:上膠筒的材料系數(shù)選為①,中、下膠筒材料系數(shù)為②時的接觸應力值最大;同時軸向壓縮量也最大,此時密封充實,有效的接觸長度也較大,有利于封隔器的穩(wěn)定。

      3 改進型封隔器的結(jié)構(gòu)及密封性能

      3.1 結(jié)構(gòu)

      改進型封隔器有上、下2個膠筒,結(jié)構(gòu)如圖6所示。在膠筒的外層包絡了1層紫銅,如圖7。紫銅的塑性變形沒有橡膠材料的大,故能承受較大的坐封壓力。

      圖6 改進型封隔器結(jié)構(gòu)

      圖7 包絡紫銅的膠筒

      3.2 密封性能分析

      取常規(guī)等長膠筒封隔器與改進型等長膠筒封隔器2種結(jié)構(gòu)進行密封性能對比分析。其中,膠筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)是一致的,紫銅的厚度設為2 mm。坐封壓力30 MPa,接觸應力如圖8。

      圖8 30 MPa坐封壓力下的接觸應力

      從圖8中可以看出:常規(guī)封隔器在膠筒中部的接觸應力要稍大于改進型封隔器的接觸應力值;在膠筒的兩端是最大接觸應力處,改進型封隔器的最大接觸應力要明顯大于常規(guī)封隔器。改進結(jié)構(gòu)是切實可行的。

      4 膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)選

      由以上分析可以得知:膠筒的高度和總厚度對密封性能影響較大;根據(jù)第2節(jié)的分析結(jié)果,選擇膠筒的高度為85 mm,總厚度20.5 mm,子厚度8.5 mm,端面斜角50°,上膠筒材料系數(shù)為組合①,下膠筒系數(shù)取組合②。下面將分析選擇紫銅的厚度。

      由圖9看出:隨著紫銅厚度的增加,在上膠筒的中部其接觸應力是減小的,而在兩端與套管的接觸應力是增大的,最大接觸應力發(fā)生在膠筒與套管接觸的兩端上,故其最大接觸應力是隨著紫銅的厚度增加而增大的;但銅的厚度若太大,因其塑性較大,與套管接觸摩擦會產(chǎn)生粘滯性,影響膠筒的壽命。綜合考慮,設計紫銅的厚度為2mm。

      圖9 不同厚度下的接觸應力值曲線

      在前人研究經(jīng)驗基礎上,提出了不等長膠筒改進結(jié)構(gòu),即下膠筒高度選取為75 mm。對比分析2種改進型封隔器結(jié)構(gòu)的密封性能,其上膠筒的接觸應力基本是一致的,差別主要在于下膠筒接觸應力,如圖10所示。

      圖10 改進型下膠筒的接觸應力對比

      從圖10中發(fā)現(xiàn):在下膠筒中部和兩端,不等長膠筒結(jié)構(gòu)接觸應力大于等長膠筒結(jié)構(gòu)中的接觸應力,由于在低壓時,下膠筒起著主要密封作用,所以不等長膠筒的改進型封隔器的密封性能最好。

      5 結(jié)論

      1)通過對接觸應力值的分析,得到了膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料特性對密封性能的影響。

      2)提出了一種膠筒包絡紫銅的新型封隔器結(jié)構(gòu),并選擇紫銅厚度為2mm。

      3)經(jīng)過對比分析,不等長膠筒的改進型封隔器結(jié)構(gòu)具有較好的密封性能。

      4)膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化方法及材料選取需進一步研究。

      [1]趙騰倫.ABAQUS 6.6在機械工程中的應用[M].北京:中國水利水電出版社,2007:282-283.

      [2]吳建,徐興平,王龍庭,等.常規(guī)高壓封隔器密封膠筒力學分析[J].石油礦場機械,2008,37(6):39-41.

      [3]伍開松,朱鐵軍,侯萬勇,等.膠筒系統(tǒng)接觸有限元優(yōu)化設計[J].西南石油學院學報,2006,28(6):88-90.

      [4]周先軍,平利,季公明.封隔器膠筒接觸應力分布有限元計算[J].鉆采工藝,2002,25(4):51-53.

      [5]劉永輝,付建紅,林元華,等.封隔器膠筒參數(shù)優(yōu)化分析[J].研究探討,2007,3(7):66-67.

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