（机械工程专业论文）水下井口头密封总成结构设计与优化.pdf

摘要 水下井口头系统是水下建井和生产的基础，密封总成作为水下井口头系统的关键部 件之一，其密封性能的优劣和工作的可靠性直接影响并决定了整个海洋石油开采系统的 安全性和可靠性。密封总成密封压力等级属于( 超) 高压，工况复杂，对其性能要求很高。 密封装置除了满足密封、抗腐蚀性之外，还必须保证其宽温域( 设计温度：2 0 。c 1 5 0 。c ) 、长服役年限、耐冲击、抗疲劳等性能要求。密封总成通过下放工具远程操控 将其坐放至水下井口头坐封位达到密封状态，更增加了密封实现的难度，使命完成后还 要能被回收重用。因此密封装置的设计是整个水下井口头系统设计的关键。 本论文以应用于1 0 0 0 m 以内水深，1 0 0 0 0 p s i 压力等级的水下井口头系统的密封总 成为研究对象，在分析现有密封总成的结构形式、密封材料及下放回收方式的基础上， 系统研究密封总成的设计方案，以密封可靠、下放回收简单、可重用为目标，确定了水 下井口头密封总成设计方案。详细介绍了所设计的重力坐封式金属一金属密封总成的结 构组成和工作原理，建立了密封总成力学分析模型，借助有限元分析软件a n s y s 对主 要部件锁紧套筒、驱动环、金属密封环进行了仿真分析，分析密封总成在坐放、密封、 解封三种工况下的力学性能，探讨了其密封性能随材料延伸率、弹性模量的变化规律， 并对“限力部件”剪切销钉和定位螺栓做了强度校核计算。最后借助于a n s y s 优化模 块，使用零阶法和一阶法对密封环的关键部位一凸脊作了优化设计，最终获得最优化的 结构尺寸。结果表明，设计的密封总成结构合理，强度满足设计要求，经过优化设计后， 密封凸脊处的接触压力增大，密封更为可靠。 关键词：水下井口头系统，结构设计，环形密封总成，接触分析，优化 s t r u c t u r ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no fs e a la s s e m b l yo fs u b s e a w e l l h e a ds y s t e m p e iy a n l i ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x i a ow e n s h e n g a p r o f l i uj i a n a b s t r a c t t h es u b s e aw e l l h e a ds y s t e mi st h eb a s eo fs u b s e aw e l lc o n s t r u c t i o na n dp r o d u c t i o n ，a n d t h ea n n u l u ss e a la s s e m b l y , a so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t s ，p l a y sas i g n i f i c a n tp a r ti nt h ew h o l e s y s t e m ，t h a tt h es e a lp e r f o r m a n c eq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yc a nd i r e c t l yi n f l u e n c ea n dd e t e r m i n e t h eo f f s h o r eo i ld r i l l i n g w i t hu l t r a h i g ho rh i g hs e a l i n gp r e s s u r eg r a d ea n dc o m p l e xw o r k i n g c o n d i t i o n ，h i g hp e r f o r m a n c ei sr e q u i r e d i na d d i t i o nt om e e tt h es e a l i n g ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e r e q u i r e m e n t ，t h es e a la s s e m b l ym u s te n s u r et h er e q u i r e m e n to fw i d et e m p e r a t u r er a n g e ( d e s i g nt e m p e r a t u r e ：- 2 0 。c l5 0 。c ) ，l o n gs e r v i c et e r m ( r e u s a b l e ) ，i m p a c tr e s i s t a n c e ， f a t i g u er e s i s t a n c ee t c t h es e a la s s e m b l yi sl a n d e dt ot h es u b s e aw e l l h e a ds y s t e mt h r o u g h r e m o t ec o n t r o lo fr u n n i n gt o o lt ob es e a l e d ，w h i c hi n c r e a s e st h ed i f f i c u l t yo fs e a lr e a l i z a t i o n ， a n dt h es e a la s s e m b l ye v e nc a nb er e u s e da f t e rt h ec o m p l e t i o no ft h em i s s i o n s ot h ed e s i g no f s e a l i n gd e v i c ei sc r i t i c a lt ot h ew h o l es u b s e aw e l l h e a ds y s t e m a i m i n ga tt h es e a la s e e m b l yo fs u b s e aw e l l h e a ds y s t e ma p p l i e di n l0 0 0 mw a t e rd e p t h ， 10 0 0 0p s i ，b a s e do nt h ea n a l y s i so fe x i s t i n gs e a la s s e m b l ys t r u c t u r ef o r m ，s e a l i n gm a t e r i a l s a n dr u n n i n ga n dr e t r i e v i n gm e t h o d ，t h ed e s i g np l a ni sr e s e a r c h e ds y s t e m a t a c i a l l ya n d d e t e r m i n e do nt h eg o a lo fr e l i a b l es e a l i n g ，s i m p l er u n n i n ga n dr e t r i e v i n gm e t h o da n d r e u s a b i l i t y t h es t r u c t u r ea n dw o r kp r i n c i p l eo ft h ew e i g h ts e t , m e t a l - t o - - m e t a ls e a la s s e m b l y a r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，a n dt h em e c h a n i c sa n a l y s i sm o d e l sa r eb u i l tf o rs i m u l a t i o na n a l y s i s o nt h em a i nc o m p o n e n t s ，s u c ha sl o c k i n gm a n d r e l ，e n e r g i z i n gm a n d r e la n dm e t a ls e a l i n gr i n g w i t ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，t oa n a l y z et h em e c h a n i c sp r o p e r t i e so nt h e s e t i n g ，s e a l i n ga n dr e l e a s i n gw o r k i n gc o n d i t i o n t h ec h a n g i n gr e g u l a r i t yo fs e a lp e r f o r m a n c e w i t hm a t e r i a le l o n g a t i o na n de xi sd i s c u s s e d ，a l s ot h es t r e n g t hc h e c ko f “l i m i t e df o r c e c o m p o n e n t s ”s h e a rp i na n dr e t a i n e rb o ta r ec a l c u l a t e d f i n a l l yw i t hu s i n gs u b p r o b l e mm e t h o da n d f i r s to r d e rm e t h o do fa n s y so p t i m i z a t i o n m o d u l et 0o p t i m i z et h ek e yp a r t s o ft h es c a l i n gr i n g ，e v e n t u a l l yo b t a i n i n gt h eo p t i m a l s 臼u c t u r es 泣e t h er c s u i t ss h o wt h a t ，t h es t r u c t u r eo fs e a la s s e m b l yd e s i g n e di sr e a s o n a b l e ， 卸ds 仃e n g t hc 锄m e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，t h ec o n t a c tp r e s s u r e sa r ei n c r e a s i n g o nt h e n o d e sw i t ham o r er e l i a b l es e a lp r e s s u r ea f t e ro p t i m i z a t i o nd e s i g n k e yw o r d s ：s u b s e aw e l l h e a ds y s t e m ，s t r u c t u r ed e s i g n ，a n n u l u s s e a la s s 锄b l y , c o n 协c t a n a l y s i s ，o p t i m i z a t i o n 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于“十一五”国家8 6 3 计划海洋技术领域“南海深水油气勘探开发关键 技术与装备”第二批立项课题“海洋深水水下井口头系统与生产平台采油井口系统研制 技术”( 项目编号：2 0 0 7 a a 0 9 a 1 0 2 ) 。 石油是经济赖以运转的血液，是关系国计民生的战略性资源。石油、天然气资源的 勘探开发的重心“由陆转海”已成必然趋势，大力发展海洋石油装备势在必行【1 】。密封 技术作为海洋石油钻采装备的关键技术之一，其技术水平直接影响了海洋资源开发的成 败，也决定了海洋资源开采的“深度”。开展水下井口头密封装置的应用研究意义重大， 对于解决水下密封问题等工程问题具有广阔的应用前景。 1 1 2 课题研究意义 水下井口头系统环形密封总成a s a ( a n n u l u ss e a la s s e m b l y ) 是水下井口头系统的最 关键的部件，其密封性能的优劣和工作的可靠性直接影响并决定了整个海洋石油开采系 统的安全性和作业寿命。环形密封总成a s a 的密封压力等级属于( 超) 高压，工况复杂， 对其性能要求都很高。所设计的密封装置除了能够满足密封、抗腐蚀性之外，还必须保 证其宽温域( 设计温度：2 0 。c 1 5 0 。c ) 、长服役年限、耐冲击、抗疲劳等性能要求。 环形密封总成只能通过下放工具远程操控将其坐放至水下井口头坐封位置达到密封状 态，更增加了密封难度，其使命完成后还需要能被回收重用，因此下放回收简单、可靠、 可重用也是密封总成设计要考虑的问题。 本论文将以水下井口头系统密封装置为研究对象，在分析现有密封装置优、缺点的 基础上，对其结构形式进行改进设计；对比分析各种密封材料，进行优选，并利用相关 理论和软件进行力学性能分析及结构优化，最后研制出能够应用于1 0 0 0 m 以内水深， 1 0 0 0 0 p s i 压力等级的水下井口头系统的密封总成装置，具有重要的学术意义和工程应用 价值。 第一章绪论 1 2 水下井口头密封总成概述 1 2 1 水下井口头密封总成的组成及作用 水下井口头环形密封总成为各层套管悬挂器和水下井口头之间提供压力封隔，是水 下井口头系统的控压设备，它的密封性能优劣直接影响到整个水下井口头系统工作的可 靠性和稳定性【2 j o 普通密封总成一般由上部驱动体和下部密封体组成。上下两部分能够相对转动。密 封总成内壁有与下放工具的相配合的结构。与下放工具配合后的密封总成沿着套管挂下 入，下入至套管挂外圈轴肩后，密封环总成的上部驱动体挤压下部密封体直至达到密封 效果。密封总成外壁的宽槽下端与密封内圈贯通便于固井。其结构如图1 1 所示。 图1 - 1 水f 井口头面封总成 f i g l - is u b s e aw e l l h e a ds e a la s s e m b l y 1 2 2 水下井口头密封总成国内外研究现状 海洋水下井口和采油装备起源于2 0 世纪6 0 年代，在近年来随着科技水平的不断进 步，海洋水下井口和采油装备技术也得到了迅猛的发展【3 1 。国外几家较大规模的海洋水 下钻采设备设计生产公司有美国v e t c og r a y 公司、f m c 公司、d r i l - q u i p 公司、c a m e r o n 公司和挪威的a k e rk v a e m e r 公司。常用的海洋水下井口头系统有1 8 ”1 0 0 0 0 p s i 、 1 8 ”1 5 0 0 0 p s i 和1 8 ”x 2 0 0 0 0 p s i 三个压力等级，1 8 ”1 0 0 0 0 p s i 压力等级的水下井 口头多用于浅海石油勘探开发，1 8 ”x 1 5 0 0 0 p s i 压力等级的水下井口头多用于深海石 油勘探开发，1 8 ”2 0 0 0 0 p s l 压力等级的水下井口头多用于超深水石油勘探开发。 水下井口头系统对密封技术提出了很高的要求，包括高的密封压力等级、抗h 2 s 环 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 境的密封材料、密封的宽温域等等。我国目前尚无水下井口头系统此类深水油气钻采设 备，制约其发展的一个瓶颈是我国尚未开发研制出适用于海洋深水油气开采系统中的密 封装置1 4 】 在海洋深水密封技术方面国内外存在较大差距。 以下结合水下井口头系统对v e t e og r a y 、d r i l q u i p 与f m c 的密封总成进行分析： 1 v e t c og r a y 水下井1 2 1 头系统及密封总成 v e t c og r a y 公司的s g 5 s g 5 x p 型是当今世界上应用最广泛的深海井口头系统。 s g 5 是一体三挂式水下井口头系统，建井时可容纳1 3 ”、9 ”、7 ”三种套管挂1 5 。由 于所有的s g 5 井口系统的套管挂具有相同的外部尺寸，在整个系统中使用同一种密封 装置s g - l t r ( l o w t o r q u e r e t r i e v a b l e ) 低扭矩密封装置。旋转压入式密封装置是一 种金属对金属密封，具有良好的可靠性，并且可以被回收利用。 尽管s g 5 系统是一个已确定的并经过实地验证的水下井口系统，v e t c og r a y 公司 仍然正在对其进行系统优化。利用从全球范围的海外业务中收集到的实地数据，对s g 5 系统组件进行测试、分析、改进来提高它们的可靠性，为客户创造更大的价值。s g 5 x p 是v e t c og r a y 公司在s g 5 井口系统基础上改进的一体四挂式水下井口头系统，符合 s g 5 井口系统的所有特点，此外在s g 5 一体三挂式的基础上增加了1 6 ”的套管悬挂器， 承载能力强，适用于更深的海域钻井作业。s g 5 x p 井口系统的密封装置结构相同于s g 5 系列井口系统，也是金属对金属密封，由于系统增加了一个套管悬挂器，对应的密封总 成也比s g 5 系列井口系统多一个。在全球范围内，相对于其它所有的系统来说，s g 套 管挂和密封装置使用最多。s g 5 s g 5 x p 水下井口头和密封总成的结构如图1 2 所示。 3 第一章绪论 图1 - 2s g - s s g - s x p 水下井口头和密封总威 f i g l - 2 s g - $ s g - s x ps u b s e aw e l l h e a ds y s t e m sa n ds e a la s s e m b l y m s 7 0 0 系列水下井口头系统是v e t c og r a y 公司的新产品，于1 9 9 1 年引入使用，是 世界一流、经现场验证的成功典范。采用真正的全金属对金属密封，v x v t 双重金属 对金属钢圈密封，高压井口头内无弹性密封件，靠钻杆传递载荷，重力驱动坐封。在水 下井口头内壁设计有平行搭扣密封面或v 形槽，当密封总成下放至相应位置处，驱动环 驱动密封体并使其膨胀至搭扣处，实现完全密封。经过细致的测试证明井口头和套管挂 的搭扣回缩能力很强，可以经受多种密封情况【6 j 。 到目前为止，在全球已经安装了6 0 0 多套m s 7 0 0 井口头系统，其中9 8 的该型密 封装置是在首次安装的。深水型d m s 7 0 0 和超高负载型s m s 7 0 0 是m s 7 0 0 系列水下 井口头系列的新成员。这些系列的井口头能够满足深水高压井的苛刻要求。当基本的密 封表面遭到破坏的情况下，可以使用m s e 紧急金属密封或s g - t p r 密封。m s - e 密封 有一个软的金属镶嵌，可以嵌入至锁扣面上，以填充原来的密封面：s g t p r 位于锁扣 面以下。 d m s 7 0 0 和s m s 7 0 0 是m s 7 0 0 系列中最新产品，d m s 7 0 0 用于超深水钻井作业； s m s 7 0 0 是高承受载水下井口头，可用于海洋环境复杂的海域钻井作业。 2 d r i l - q u i p 水下井口头系统及密封总成 d r i l - q u i p 公司的水下井口头系统主要有s s 1 0 、s s 1 5 、m s 1 5 等系列。其中s s 1 5 系列的水下井口头系统采用重量坐封、金属对金属密封，压力等级为1 5 0 0 0 p s i1 7 。密封 4 中国石油大学( 华东) 硕士_ 学位论文 总成坐封在井口头内径和套管挂外径之间，所有的d r i l q u i p 井口系统的套管挂具有相同 的外部尺寸，在整个系统中使用同种密封装置。下放采用重量坐封，没有扭矩要求， 仅要求下放钻杆的重量达到1 5 0 0 0 磅( 6 7 5 0 干克) 。此外，密封装置还具有可恢复的备 用密封，不使用o 型圈，通过金属唇挤压内外径间的弹性体实现密封。这种可恢复的密 封设计在金属密封中间，不会受到挤压。 密封总成在固井之前安装好，与套管挂一起下放。下放过程中，双金属密封唇受到 保护，尤其可预防在通过隔水管和防喷器组时可能的受损。将密封总成与套管挂连接起 来进行压力测试进一步保证了密封的可靠。密封总成是由整体的结构钢制造的，整个 密封装置是可回收的，需要2 5 0 0 0 磅的垂直拉力超载提升，没有扭矩和左旋的要求。回 收工具可采用密封总成单独回收工具或多功能工具。d r i l q u i p 水下井口头系统及密封总 成的结构如图1 3 所示。 图1 - 3d r a 州p 水下井1 ：3 头系统及密封总成 f i g l - 3d r i l - q u i ps u b s e aw e l l h e a d 毒v s t e ma n ds e a la s s e m b l y 3 f m c 水下井口头系统及密封总成 f m c 公司的水下井口头系统包括很多系列，如u w d 1 5 、u d w 1 0 、u d w h c 等 等，而u d w - h c 系列包括h c 1 5 、h c 2 0 等系列【引。其中u w d 1 5 系列深水井口头系统 包括标准型、流道型和大通径型，自1 9 9 1 年被引入后，一直深受广大用户的青睐，在 浅海及深海钻井采油中广泛使用。采用模块化设计，额定工作压力可达1 5 0 0 0 p s i 。 5 戛 ：| ：_ 等 _ 、 i，： 第一章绪论 所有的f m c 水下井口系统的套管挂具有相同的外部尺寸，在整个系统中使用同一 种密封装置。f m c 公司水下井口头系统密封总成分为两种，一种是全金属金属密封： 另一种是复合橡胶( 弹性) 材料密封。一般说来，浅水区域采用的是橡胶密封总成，而 深水区域采用的是金属对金属密封总成。密封总成的下放也是通过重量坐封实现，无扭 矩要求，下放过程中对井口头倾斜角度不敏感，可以在竖直偏角2 1 2 。井口头内成功 下放。只需要1 2 0 0 0 至1 5 0 0 0 p s i ( 8 4 m p a 至1 0 5 m p a ) 就可以实现密封。f m c 水下井 口头系统及密封总成的结构如图1 4 所示。 图1 - 4f m c 水下井口头系统及密封总成 v i 9 1 - 4 f m cs u b s c aw e l l h e a ds y s t e ma n ds e a la s s e m b l y 4 国内水下井口装置研究现状 2 0 世纪7 0 年代初期，我国开始研制海洋石油装备。近4 0 年来，我国日益加大了 海洋油气资源的勘探开发和石油钻采装备的更新力度，海洋水下井口及采油装备技术有 了较快发展。但是由于受约于西方发达国家的技术垄断及高作业风险和高资金投入等诸 多方面因素，大多数发展中国家的海洋油气钻采装备只能依赖于进口，与世界发达国家 之间存在着很大的差距。尽管如此，我国在陆地井口、井控设备及海洋隔水管等设备的 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 维修使用方面已经积累了丰富经验，并初步具备了海洋水下钻采设备的研发能力。 近年来，中海油研究中心、宝石机械有限公司、华北荣盛机械制造有限公司等单位 已经开始海洋水下装备研究探索工作。宝石机械有限公司成立了专门的海洋石油装备研 究所，重点研究海洋钻井隔水管、水下井口装备和采油装备等，已经取得了多个单元技 术开发上的突破，并把海洋石油装备的研发作为“十二五”期间的重点研发内容；华北 荣盛机械制造有限公司在“十一五”期间已着手水下防喷器组的技术研究，并取得了 很大的技术成果；江汉石油钻头股份有限公司已开始水下井口装备技术研究工作，这必 将为我国今后海洋装备技术的全面快速发展提供良好的技术支撑【9 1 。在今后5 至1 0 年内， 我国必将会在海洋立管、隔水管、水下采油树、防喷器及管汇等水下装置技术上取得重 要突破与进展，尽快实现海洋水下装置全部国产化。 1 2 3 密封总成相关专利 目前在国家知识产权局和中国专利网上还检索不到有关水下井口头密封的专利，相 关专利均为国外持有，绝大多数是金属密封方面的，橡胶密封方面的相关专利并不多。 现以公司和年代为依据，对与水下井口头系统匹配度较高的专利进行分析总结。 v e t c og r a y 公司在1 9 8 7 年提出了一种含有法兰的水下井1 3 头金属密封结构，其专利 号4 7 0 9 7 2 5 ，摘要如下：一个具有防止反向密封表面泄露的金属密封结构，这个结构有 一个环形部件，环形部件既有朝向内部的法兰也有朝向外部的法兰，每一个法兰外部都 有一个密封脚。密封脚类似一个悬梁臂，作用在密封面上，从而使内部法兰产生一定的 弹性变形。同时内压在各部位产生额外密封推力，加强密封效果 1 0 j 。 c a m e r o n 于1 9 8 8 年设计了一种改进的海底井口头密封组件：包含一个环形部件， 这个部件有一对低位环形裙，其中一个向下和向外扩展，另一个向下和向内扩展，并设 有一个可移动装置，用于将联顶环固定于密封体上【1 1 1 。这样，当联顶环下放时，环形体 持续了它的向下运动，便使联顶环向外和向内变形，进而于环形空间的壁结合形成密封。 在联顶环上面预备了止推环，用于环形裙底部的配合。而隔离环用于预选环形裙底部配 合密封面得高度；1 9 8 9 年设计了一种水下井口头套管头的密封总成，包括一种与压盖螺 母具有可转动连接的密封方法，这种密封方法有一个可以转动的、定位在压盖螺母上的 上部驱动环，一个具有一个环形密封体的密封部件，驱动环与密封部件之间能够轴向相 对运动。密封体的金属部件包括一对斜锥形外密封唇和一对斜锥形内密封唇。在每一对 金属密封唇之间都有一个弹性密封环与密封体相配合。每一个上密封唇都有一个向上的 7 第一章绪论 锥孔口，每一个下密封唇都有一个向下的锥孔口。上驱动环和下驱动环的各个面都与各 自相邻的密封唇的面相反。在这些驱动环和各自相邻的密封唇之间有一定的空隙；其主 要结构如图1 5 所示。 图1 5 改进的海底井口头密封组件 f i 9 1 5i m p r o v e ds u b s e aw e l l h e a ds y s t e ms e a la s s e m b l y 在2 0 0 2 年又设计了一种含有备用装置的水下井口头的密封装置，是一种管型连接， 有一个主要和次要密封区域，当主要密封区域将要发生事故时，允许在次要密封区域使 用一个备用或者偶发性使用的垫片来保证在井口头处的配合，主要和次要的密封区域被 完全分开，当临近主要密封区域原先的垫片发生泄漏时，会造成冲蚀损害，并且可以传 播到主要密封区域之下，这样次要密封区域将不受影响。备用或者偶发性使用的垫片可 以用于次要密封区域的可密封连接，进而实现进一步井口操作。 f m c 公司于1 9 9 0 年设计了一种改进的金属对金属密封总成，可以在同轴的管状结 构之间产生高压金属屏障，譬如用于套管头之间。包括一个密封元件，密封元件上有一 对环形的金属密封唇，金属密封唇是由可动心轴的挤入来压紧的，移动心轴有一个类似 于音叉和音腿配合的横向配合；1 9 9 2 年设计了一种应用于水下井口头耐高压，防腐蚀的 金属对金属密封装置，其专利号为5 1 7 4 3 7 6 ，一种全金属密封装置，环形装置，一种耐 高压，防腐蚀，用于套管头和井口罩之间的金属对金属密封。包括一个环形金属部件， 环形密封部件剖面装有一个直立的u 型部件，非旋转连续作用于套管头和井口上。2 0 0 1 年设计了一种采用了柔性金属的水下井口头金属对金属密封装置，是一种环形的金属与 金属间的密封系统，可用于井口头系统和其他用途。这个系统中包含一个金属部件，当 需要密封的时候，这个部件确定了环形密封的内部和外部密封表面的界限。由高强度金 属材料组成的环形密封体与环形密封面是同轴心的关系，并且有足够好的灵活性，以保 证它能演变成受载弹簧，特别是在装配期间，可以持续提供弹簧弹力。环形密封体上有 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 一个或多个环形密封护圈槽，每一个槽中都有一个环形的柔性金属密封物，同时护圈槽 的部分暴露在外，与环形密封表面形成密封。环形密封体的弹性负荷特性能够使密封体 提供常力以保证柔性金属密封物不断的插入，并与环形密封面形成密封，即使由于温度 和压力的改变，密封面产生了尺寸变化，环形密封体的弹性负荷特性也能够有效的维持 密封【8 1 。其结构如图1 - 6 所示。 8 6 1 2 1 6 图1 6 金属对金属密封总成 f i g l - 6m e t a l - m e t a ls e a la s s e m b l y 在2 0 0 3 年又提出了一种应用于水下井口的金属对金属密封总成，包括至少一个部 件以及与其相邻的一个部件，在两个部件相配合的环形表面上形成密封。密封结构包括 一个环形基体，一个可以径向延展到第一个或第二个密封表面上的环形密封唇，环形密 封唇上有一个密封用的定位槽，一个软金属制的密封插件在密封定位槽内展开，软金属 密封插件至少可以用在一个密封表面上，还有一个可以在基座和密封唇之间变形的中间 环形部件。中间部件对密封插件施加压力，进而使得至少一个密封表面达到过盈配合。 1 2 4 密封材料发展现状 密封材料一直是密封领域研究的热点和难点，由于密封的应用范围和应用场合的巨 大差异，对密封材料也提出了不同的要求。随着深井、超深井的钻探，密封装置压力等 级不断提高，作业工况也更加复杂，对密封件的材料要求也不断提升，密封材料的性能 直接影响到密封效果。 顾伯勤在文献 1 2 】中提出单一材料密封元件，如碳纤维密封元件、陶瓷密封元件、 高分子密封元件和金属密封元件等，可以通过改性或者复合的方法扩大其密封应用范 围。例如，在纯聚四氟乙烯材料中添加其它物质制成新型复合材料后，大大地扩大了其 耐热范围并改善了其抗蠕变性能，具备更加优良的物理性能和化学性能，其使用温度范 9 第一章绪论 围为1 9 6 - - 2 6 0 ，密封压力可以达到3 0 4 0m p a 。 此外由金属和非金属材料制成的复合材料，同时具备了不同性质材料的优点，有良 好的回收性及可靠性，适用于更多工况【1 2 1 。弹性金属密封材料必须同时具备耐高压性和 高强度及弹性。实际应用中，奥氏体不锈钢、沉淀硬化型不锈钢均可用于弹性金属密封 材料【1 3 】。 水下井口头密封单元的材料一般采用橡胶密封材料、复合密封材料、金属密封材料 以及其它合成材料等1 5 】f 1 6 】。v e c t og r a y ，d r i l l q u i p ，c a m e r o n 以及f m c 公司已取得了 较大的科研成果并成功应用于水下井口头的密封装置中。如f m c 设计的u w d 1 5 密封 总成的密封件采用的是$ 3 1 6 0 0 奥氏体不锈钢材料，额定压力可以达到1 5 0 0 0 p s i ( 1 0 3 5 m p a ) 。 1 3 现代设计方法在结构优化中的应用 近年来，优化设计学科发展迅速，其寻优理念可广泛应用于众多的工程设计中，优 化设计方法作为一种工具，有效地解决了很多复杂的设计问题【1 刀。经实践证明，经过优 化设计后的机械结构能够在满足其工作性能要求条件下，做到轻量化、简单化，因此能 够很大程度上节约耗材，节省成本。 作为数值规划与计算机技术两者结合的产物，优化设计方法把产品的性能指标、结 构指标或其运动参数指标作为设计变量，把产品的形状大小、结构尺寸、受力情况等作 为约束条件，从而在约束范围内寻求满足目标函数极值的设计变量组合【1 8 】。目前，已有 很多研究学者将优化算法应用于密封结构的设计中，并取得了良好的成果。 1 3 1 智能优化算法应用于结构优化设计 蚁群算法是意大利学者md o r i g o 基于仿生学成果提出的一种随机搜索算法【2 0 】 2 q ， 采用的是分布式计算，所有的候选解构成一个群体，最优解便是在群体进化过程中获得 的，这种算法的鲁棒性很强，并且可结合其它计算方法共同完成优化设计。常晓萍等在 文献 2 2 】中将蚁群算法应用于螺旋密封结构的优化设计，由计算结果可证明该算法在密 封结构优化设计中的可行性。通过此文，还可以总结出蚁群算法对优化设计数学模型要 求很低，公式中只有显式表达式，不需要求导，优化流程简单易懂，方便于现场工程技 术人员使用，有良好的推广价值。 遗传算法( g a ) 是近年来发展起来的智能型优化方法，它是一种基于生物自然选择与 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 遗传机理的随机搜索算法 2 3 】。遗传算法依据所统计的概率结果来进行最优选择，求解过 程中不需要求解敏度。而且，基本设计变量是离散值，更加适用于多峰值目标函数或多 目标值优化问题求全局最优解，从而使得数理方法简单化。近年来，遗传算法迅速发展， 广泛应用于复合材料设计及控制系统。 1 3 2 基于a n s y s 的结构优化设计 a n s y s 软件作为大型通用的有限元分析软件，其内嵌的参数化设计语言( a p d l ) 运用 智能分析手段实现自动完成循环计算，即可根据指定目标函数、设计变量及分析标准设 定程序输入。如此强大的功能不仅满足优化设计的要求，而且其前处理建模、可视化的 界面也远远超过了其它优化方法，最重要的是a n s y sa p d l 的编程语句简单易懂，适用于 广大普通用户。 谢俊、周密等在文献【2 4 】中基于a n s y s 的接触分析功能，选用可避免参数拟合的 多线性等向强化模型( m i s o ) 描述其材料的非线性特征，对设计工况下的o 形金属密 封环的结构强度做了弹塑性接触分析，为水下井口头此类金属密封元件的密封性能分析 提供了很好的实验依据。 s a t o s h ik u r o k o u c h i 等在文献 2 5 】中应用有限元软件对特殊截面形状( 锥形) 的金属 密封圈进行了密封性能分析和结构优化，其结果表明，采用金属材料的密封圈要比其它 较硬材料的具有较大密封面积并能获得更稳定的密封压力，而且密封结构件的尺寸也较 常规密封件的要小。为水下井口头系统密封单元的设计提供了很好的设计方法。 1 4 课题的研究内容 本论文以密封可靠，下放回收简单，可重用为目标，研发适合我国南海钻井作业的 水下井口密封总成装置。主要研究内容如下： ( 1 ) 水下井口头密封装置结构设计及材料优选 根据深水水下井口头密封总成作业工艺和环境，研究应用于1 0 0 0 m 以上水深， 1 0 0 0 0 p s i 压力等级的水下井口头系统的密封总成的结构形式和工作原理，开展深水水下 井口头密封装置的机械结构设计。优选密封材料，提高密封总成的可重复利用性。 ( 2 ) 水下井口头密封装置力学性能研究 水下井口头密封装置的静力学分析 密封装置下放过程中，剪切销钉应能保证在特定的驱动力作用下被剪断，并且在其 第一章绪论 他意外受载的情况下，应有一定的抵抗能力防止被剪断而发生意外脱扣。通过设计计算 使其满足上述要求。 水下井口头密封装置的接触问题分析 下放、回收密封装置过程中，密封装置密封面与高压井口头内壁以及套管挂外壁接 触产生摩擦，引起的剪力阻碍密封装置的切向滑动。开展接触强度有限元分析，研究相 关的接触应力和应力应变问题，可以为密封装置的下入作业和安放位置的确定提供必要 的参考依据。 ( 3 ) 水下井口头密封装置的结构优化 考虑密封总成结构设计的有关影响因素，建立实现密封可靠、下放回收简单、可重 用的优化模型，实现水下井口头密封装置的结构优化。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 1 概述 第二章水下井口头密封总成设计总体方案研究 2 1 1 传统的产品结构设计 一般来说，传统设计方法是基于调查分析，参照同类型产品通过估量、经验类推或 者试验手段来确定初始设计方案。再对初始设计方案要求的设计参数进行强、刚度、可 靠性等性能分析计算，验证各性能是否符合设计指标要求。若不能完全符合性能指标要 求，则需要设计者凭借经验或者直观判断修改有关参数。这样子经过反复分析计算一性 能验证一参数修改，直至性能完全符合设计指标要求。传统设计是凭借于经验或者直观 判断修改设计参数，设计没有依据具体理论进行精确计算，而是人工拼凑和定性分析比 较，其主要工作就是性能的反复分析。经实践证明，依据传统的设计方法制定的设计方 案，大多数都需要进一步的改进提高，并不是最终的最优设计方案【2 6 】。 总之，传统设计方法就是被动地重复分析计算产品的性能，而不是主动地设计产品 的参数。从这个意义上讲，它并没有真正体现“设计”的涵义。而“设计”本身就含有 优化的概念，作为一项设计不仅要求方案科学合理，有可行性，更需要某些指标能达到 最后的理想方案，所以说传统结构设计已越来越难以满足工程设计的需要。 2 1 2a n s y s 结构优化设计 结构优化设计作为一种寻求最优设计方案的设计方法，一直都是现代设计理论及方 法领域的热门研究话题。一直以来，很多学者从不同的角度提出了多种结构优化方法， 如极大熵原理、遗传算法、模拟退火法等等，但这些优化方法普遍存在多种缺陷，如求 解复杂、实现困难等【矧。在运用优化算法对结构设计进行优化时，使用a n s y s 有限元 分析工具，取代人工编制的有限元程序，大大节约了结构优化问题的求解时间，而且提 高了计算结果的可靠性。有限元分析软件a n s y s 内嵌的a p d l 语言提供了结构优化 设计过程中的数值分析的运行环境，对所有可参数化的a n s y s 选项进行优化设计，例 如“结构尺寸( 长度、半径) 、形态( 角度) 、生产成本和材料属性等等【2 8 】。本文正是基 于a p d l 语言利用a n a y s 优化工具进行水下井口头密封总成的结构优化设计。 优化设计中含有多种优化方法，主要有零阶方法、一阶方法、随机搜索法、等步长 搜索法、乘子计算法以及最优梯度法。其中，随机搜索法常用于零阶方法的前期处理。 在实际工程优化设计中，常采用前两种方法。同时为提高优化过程的效率，a n s y s 软件 】3 第二章水下井口头密封总成设计总体方案研究 具有多种优化工具【2 9 1 。例如可指定优化迭代次数，优化初始值等。 2 2 水下井口头密封总成结构设计研究 2 2 1 密封装置的工作原理 以普通密封总成为例，介绍水下井口头系统密封总成的详细结构原理，如下图2 - l 所示。密封总成内壁有内螺纹与套管挂的外螺纹啮合( 套管挂已与下放工具相连接) ， 下放之前，保证密封总成内壁上的四个轴向槽与下放工具的四个键配合，随着下放工具 的下入，密封总成沿着套管挂旋转下入，直至密封总成下表面坐至套管挂外圈的上表面 上，实现密封总成与套管挂的定位。此时在驱动力的作用下，驱动体挤压金属密封体使 之与井口头内壁和套管挂的外壁实现密封。密封总成外圈开有宽槽( 4 个) ，开槽下部与 密封体内圈连通，有利于密封总成的下放和套管的固井i 矧。图2 1 和图2 2 所示是密封总 成下放过程和密封状态下的工作情形。 图2 - 1下放状态下的密封总成 f i 9 2 - 1 s e a la s s e m b l yu n e n e r g i z e d 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 - 2 密封状态下的密封总成 f i 9 2 - 2 s e a la s s e m b l ye n e f 捌 2 2 2 典型密封总成的基本结构及功能 以图2 3 所示的f m c 公司生产的橡胶环形密封总成为例，介绍其基本结构及各部分 的功能，图中所示的密封总成结构是处于下放过程中的结构形式。 1 锁紧套筒2 一外铰紧环3 一上都止动环4 驱动环5 一内镇紧环 6 外密封圈7 一内密封圈8 一下部止动环9 衬环 图2 - 3 橡胶环形密封总成结构示意图 f i 9 2 - 3 s t r u c t u r a ld r a w i n go fe l a s t i ca n n u a ls e a la s s e m b l y ( 1 ) 锁紧装置 1 5 第二章水下井口头密封总成设计总体方案研究 锁紧装置是为了防止在橡胶环形密封总成坐封之后，受到轴向移动过早发生解封， 从而影响密封性能。下放回收工具直接作用于锁紧套筒之上，下放过程中图2 3 中的外 锁紧环向外涨开，实现与井口头内壁上的锁紧槽锁紧，内锁紧环向内锁紧实现与套 管管外壁上的锁紧槽锁紧。锁紧装置保证了密封总成与井口头和套管挂的定位，维持密 封总成的坐封状态。锁紧装置的作用方式在很大程度上影响了密封总成的下放回收，是 密封总成设计的重要结构之一。 ( 2 ) 驱动环 驱动环直接作用于下部的密封体，待密封总成坐至套管挂外圈上表面时，驱动环 向下挤压密封体，使内外密封圈、膨胀实现密封。驱动环对密封体的作用方式，也 直接影响了密封体的密封方式，因此驱动装置的设计也属于密封总成结构设计的重要部 分。 ( 3 ) 密封单元 密封单元是密封装置的关键结构，其受外力( 机械力或液压力) 作用，发生变形进 而密封环形间隙，防止渗流。密封单元可由单一材料或复合型材料构成，密封单元的形 状可以根据密封要求进行不同的形状设计。密封单元的密封性能直接制约密封总成的工 作可靠性，是整个环形密封总成结构设计的重点。 2 2 3 密封总成结构的要点 密封总成结构设计的要点是其型面设计和接口设计。具体来讲，其型面应包括本身 与外部构件和内部构件之间的挂接型面、限位型面、支持型面等；为了顺利完成下放与 回收，与下放回收工具的接口设计也必不可少。 密封总成位于井口头内壁和套管挂外壁之间的环形空间，所以在进行结构设计时必 须同时考虑井口头和套管挂的结构型面，以保证对应的坐放，定位等。水下井口头系统 一般具有两种或者两种以上规格的套管挂，常用的有1 3 3 8 ”、9 5 8 和7