（动力工程及工程热物理专业论文）水下采油树油管悬挂器mec密封基本设计及性能研究.pdf

摘要 水下采油树是深海石油开采战略性发展的必需设备，而油管悬挂器密封技术是采 油树研发过程中所面临的三大关键技术之一。由于国外水下采油树生产商对油管悬挂 器的密封技术实行专利保护及技术封锁，为打破该种僵局，对油管悬挂器密封进行研 究显得尤其重要。为此，本文针对油管悬挂器常采用的m e c 密封( m e t a le n dc a ps e a l ) 的基本设计及性能研究进行了初步探讨。 油管悬挂器密封主要是指油管悬挂器出油孔与采油树主体间的密封，本文首先根 据油管悬挂器设计工况，提出油管悬挂器密封的设计条件，并对m e c 密封的结构、 m e c 密封在油管悬挂器上的安装方式及与其油管悬挂器整体下放安装相关要求等进 行了基本设计。其次，采用大型非线性有限元a b a q u s 软件，研究了预紧状态下， 不同密封沟槽尺寸和压缩量对m e c 密封的v o n m i s e s 应力分布和密封面接触压力分布 的影响；研究得出，密封沟槽轴向高度等于m e c 密封轴向高度时，m e c 密封的基本 力学性能和密封性能较好。分析了工作状态下，不同压缩量和油压对m e c 密封的v o n m i s e s 应力分布和密封面接触压力分布的影响；发现m e c 密封具有良好的耐压性能且 密封面接触压力满足大于密封介质压力3 倍的要求，在理论上可形成良好的密封性能。 采用顺序耦合热应力分析方法，分析了温度载荷、压缩量及油压对m e c 密封的v o n m i s e s 应力分布和密封面接触压力分布的影响；得到密封沟槽轴向高度等于m e c 密封 轴向高度时，压缩量范围在1 6 r a m 1 9 r a m 情况下，可保证m e c 密封的v o nm i s e s 应 力分布满足弹塑性设计准则且密封面接触压力满足大于密封介质压力3 倍的要求。 关键词：水下采油树，油管悬挂器，m e c 密封，v o nm i s e s 应力，接触压力，数 值模拟 b a s i cd e s i g na n dp e r f o r m a n c es t u d yo n s u b s e ac h r i s t m a st r e et u b i n gh a n g e rm e cs e a l l iz h e n t a o ( c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rh a o m u m i n g a b s t r a c t t h es u b s e ac h r i s t m a st r e ei st h en e c e s s a r ye q u i p m e n to fs t r a t e g i cd e v e l o p m e n ti n d e e p - s e ao i le x p l o i t a t i o n ，a n dt h es e a l i n gt e c h n o l o g yo f t u b i n gh a n g e ri so n e o f t h et h r e ek e y t e c h n o l o g i e s f a c e di nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fc h r i s t m a st r e e b e c a u s eo ft h ep a t e n t p r o t e c t i o na n dt e c h n i c a lb l o c k a d ei nt h es e a l i n gt e c h n o l o g yo fr o b i n gh a n g e rw h i c h a r ec a r r i e d o u tb yf o r e i g np r o d u c e r s ，t h es t u d yo ft u b i n gh a n g e rs e a li se s p e c i a l l yi m p o r t a n tt ob r e a kt h e d e a d l o c k i nt h i sp a p e r ，t h eb a s i cd e s i g na n dp e r f o r m a n c er e s e a r c ho fm e cs e a l ( m e t a le n d c a ps e a l ) o ft u b i n gh a n g e rw e r ep r e l i m i n a r i l ys t u d i e d t h em e cs e a lo ft u b i n gh a n g e rm a i n l yr e f e r st ot h es e a lb e t w e e no i le x i tp o r eo ft u b i n g h a n g e ra n dt h eb o d yo fc h r i s t m a st r e e a c c o r d i n gt ow o r k i n gc o n d i t i o n so ft u b i n gh a n g e r ， t h ed e s i g nc o n d i t i o n so fm e cs e a lw e r ep r o p o s e da n dt h es t r u c t u r eo fm e cs e a l ，t h e i n s t a l l a t i o nm e t h o do nt u b i n gh a n g e ra n dt h ec o r r e l a t i v er e q u i r e m e n t so fw h o l ea n dl o w e r i n s t a l l a t i o no ft u b i n gh a n g e rw e r eb a s i c l yd e s i g n e di nt h i sp a p e r a p p l y i n gl a r g e s c a l e n o n - l i n e a rf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea b a q u s ，t h ee f f e c t so fd i f f e r e n ts e a lg r o o v es i z e sa n d c o m p r e s s i o nv a l u e so nv o nm i s e ss t r e s sd i s t r i b u t i o no fm e cs e a la n dt h ec o n t a c tp r e s s u r e d i s t r i b u t i o nb e t w e e ns e a l i n gs u r f a c e sw e r ef i r s t l ys t u d i e du n d e rt h ep r e l o a dc o n d i t i o n t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eb a s i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt h es e a l i n gp e r f o r m a n c eo fm e c s e a lw e r eb e t t e rw h e nt h ea x i a lh e i g h to fs e a lg r o o v ew a se q u a lt ot h a to fm e cs e a l s e c o n d l y ，t h ee f f e c t s o fd i f f e r e n tc o m p r e s s i o na n do i lp r e s s u r eo i lv o nm i s e ss t r e s s d i s t r i b u t i o no fm e cs e a la n dt h ec o n t a c tp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nb e t w e e ns e a l i n gs u r f a c e sw e r e c o n s i d e r e du n d e rt h ew o r kc o n d i t i o n r e s u l t ss h o w e dt h a tt h em e cs e a lh a dg o o d c o m p r e s s i o np e r f o r m a n c ea n dg o o ds e a l i n gp r o p e r t i e sc o u l db ef o r m e di nt h e o r yw h e nt h e c o n t a c tp r e s s u r eb e t w e e ns e a l i n gs u r f a c e sw a sm o r et h a n3t i m e so ft h es e a l e dm e d i a p r e s s u r e f i n a l l y ，t h ei n f l u e n c e so ft e m p e r a t u r el o a d ，c o m p r e s s i o nv a l u e sa n do i lp r e s s u r eo nv o n m i s e ss t r e s sd i s t r i b u t i o no fm e cs e a la n dt h ec o n t a c tp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nb e t w e e ns e a l i n g s u r f a c e sw e r ed i s c u s s e db yt h ea n a l y s i sm e t h o do fo r d e rc o u p l i n gt h e r m a ls t r e s s t h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o nw a so b t a i n e d ：w h e nt h ea x i a lh e i g h to fs e a lg r o o v ew a se q u a lt ot h a to f m e cs e a la n dt h ec o m p r e s s i o nv a l u e sw e r ei nt h er a n g eo f1 6 m m 1 9 r a m ，t h ev o nm i s c s s t r e s sd i s t r i b u t i o no fm e cs e a ls a t i s f i e dt h ee l a s t i c - p l a s t i cd e s i g nc r i t e r i aa n dt h ec o n t a c t p r e s s u r eb e t w e e ns e a l i n gs u r f a c e sm e tt h er e q u i r e m e n tw h i c hw a sm o r et h a n3t i m e so ft h e s e a l e dm e d i a p r e s s u r e k e yw o r d s ：s u b s e ac h r i s t m a st r e e ，t u b i n gh a n g e r ，m e cs e a l ，v o nm i s e ss t r e s s ， c o n t a c ts t r e s s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 1 1 占枷 占舭 盯删 仃批 矽 厶 1 2 c 1 。，c o 。 占 p 主要符号表 名义应变 真实应变 名义应力( 御a ) 真实应力( m p a ) 应变能( 对) 第一应变不变量 第二应变不变量 材料力学性能常数 压缩量( n m ) 压力( m p a ) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 随着我国经济的飞速发展，对各种能源的需求量逐年增加，尤其是对石油资源的需 求量。近年来，我国每年开采的原油产量远远不能满足经济快速发展的需要，在很大程 度上依赖于进口。据国家海关总署统计，2 0 0 9 年我国原油累计进口的总量达2 0 4 亿吨， 第一次突破2 亿吨，进口原油比例占5 0 以上。而现如今国际油价逐步升高，一味地依 赖进口原油，长此以往，会对我国的经济发展、国防建设等带来严重制约。 我国海洋领域幅员辽阔，蕴含着丰富的石油、天然气资源，其中南海的石油地质储 量约占中国总资源量的三分之一，被称为“第二个波斯湾”。但是由于我国缺乏深水开发 技术，尚未独立自主地在这片深水区域采出一桶油。而与中国南海相邻的周边国家却纷 纷引入外部资金，对油气资源进行大量掠夺性开发。 在浅海领域，可以通过搭建海上钻井平台开采石油。随着海水深度的增加，钻井平 台的建设费用大大增加，一旦遇上大的风浪或严重的自然灾害，会导致灾难性的破坏， 如此，钻井平台深水区域油气开采就失去了它的优势，取而代之的是海底水下采油设备 水下采油树。水下采油树是深水油气开发中必不可少的关键装备。目前，我国水下 采油树的研制工作处于刚刚起步的阶段，而国际上水下采油树的生产已成熟，主要由几 家大的公司所垄断，各项技术实行专利保护及封锁。为大力加强海底石油的开采，我国 实行自主研发并突破水下采油树的各项关键性技术，其中密封是水下采油树关键技术之 一。 水下采油树主要由采油树连接装置、阀、阀组及阀驱动器、油管悬挂器、采油树帽、 顶部堵塞器、h 4 连接器和采油树本体组成，其中油管悬挂器是水下采油树中非常重要 的一个组成部件，其主要功能是悬挂油管柱，密封油管柱与油层套管柱之间的环形空间， 提供油流通道、修井通道、电缆通道、化学试剂注入通道，隔离上下部空间。水下采油 树关键密封部位较多，主要包括如下：水下采油树与高压井口头连接处密封及测试用辅 助密封；油管悬挂器出油孔处密封及测试用辅助密封；内部堵塞器密封；采油树帽密封； s c m 密封及各类法兰密封等。 本课题以油管悬挂器出油孔处的密封为研究对象，由于国外水下采油树生产商对该 部件的密封技术实行专利保护及技术封锁；为打破这种僵局，对该部件密封进行研究显 得尤其重要，进而为下一步自行设计开发该部件密封结构型式奠定良好基础。 第一章前言 本文以水下采油树油管悬挂器出油孔处m e c 为例，对其在预紧状态和工作状态下 的v o nm i s e s 应力分布及密封面接触压力分布进行有限元数值模拟，分析密封沟槽尺寸、 压缩量和密封介质压力对m e c 密封应力分布和接触压力分布的影响规律；进而考虑温 度载荷，确定合适的密封沟槽尺寸范围、压缩量的大小范围。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章文献综述 2 1水下采油树油管悬挂器密封 2 1 1 油管悬挂器简介 典型卧式采油树内部结构如图2 1 所示，在所有组成部件中，油管悬挂器是非常重 要的组成部件之一。在立式采油树和卧式采油树中，油管悬挂器的功能大致相似，即悬 挂油管柱，密封油管柱与油层套管柱之间的环形空间，提供油流通道，提供化学试剂注 入通道，隔离上下部空间等功能。 采油树头 生产翼阀 秉 图2 - 1 卧式采油树内部结构图 f i 9 2 - 1 i n t e r n a ls t r u c t u r eo fh o r i z o n t a lc h r i s t m a st r e e 油管悬挂器上设计有很多垂直的通孔，除了有为完成上述功能而设置的通道外，还 有附加的要为实现采油树整体功能而设置的通路，以及为满足井下装置的某些需要而设 置的通路，保证安全、可靠的实现采油的功能，比如海上油气田完井一般都装有井下安 全阀，因此油管悬挂器都必须有连接液控管线的通道，其液控管线通道的数量和井下安 全阀的数量有关。油管悬挂器上的通孔并不都是垂直的，对于立式采油树而言，它的油 流通道是垂直的，通过不同的阀门的控制，将生产井液输送到生产管线中；而对于卧式 采油树来说，它的油流通道是一部分垂直，一部分水平，生产井液从出油口处流出经生 产主阀、生产翼阀等一系列的阀门控制，最后流入生产管线中。卧式采油树的油管悬挂 3 第二章文献综述 器还可以作为修井通道，无需移除采油树就可以直接进行修井作业，而立式采油树要进 行修井操作，必须先将井口上的采油树移除才可以，其垂直生产通道上的阀组是其修井 操作的最大障碍。 立式采油树和卧式采油树中油管悬挂器安装的位置不同，立式采油树的油管悬挂器 一般都在井口装置内，卧式采油树的油管悬挂器一般在采油树本体内。当然卧式采油树 的油管悬挂器也有在井口内的形式，不过这种形式很少【1 1 。 2 1 2 油管悬挂器密封 卧式采油树油管悬挂器的侧面开设有一个与轴向孔呈一定角度的出油口，如图2 1 所示。该出油口与卧式采油树本体上的出油通道相连通，它们共同构成油流通道，将从 井底开采上来的原油逐级传输，最后通过管汇系统和立管传输到海洋平台或浮式生产装 置中。在油管悬挂器侧面的出油口和采油树本体的出油通道之间存在一定的间隙，从井 底开采上来的高压油品从出油口流向采油树主体上的油流通道时，不可避免的会通过该 间隙向上向下泄漏；因此，为防止高压油品泄漏，需要在油管悬挂器出油口的上下位置 各设置一道密封。由于油管悬挂器长久暴露于井口流体及工况环境的复杂性，油管悬挂 器密封必须具有高完整密封性能。 参照标准，水下采油树和油管悬挂器的额定工作压力级别有3 4 5 m p a ( 5 0 0 0 p s i ) 、 5 1 7 m p a ( 7 5 0 0 p s i ) 、6 9 0 m p a ( 1 0 0 0 0 p s i ) 、8 6 3 m p a ( 1 2 5 0 0 p s i ) 、1 0 3 5 m p a ( 1 5 0 0 0 p s i ) 或1 2 0 7 m p a ( 1 7 5 0 0 p s i ) 【2 】。而密封介质主要是海底抽出的高压原油，且原油中含有一 定浓度的二氧化碳和硫化氢等，如此对密封提出了严格的要求。 水下采油树油管悬挂器出油孔处的密封的结构形式根据应用场合不尽相同，主要的 形式见2 2 1 国外研究现状所描述部分内容。 2 2 水下采油树油管悬挂器密封研究现状 2 2 1 国外研究现状 水下采油树设计制造主要由国外几家公司所垄断，如a b bv e t e og r a y 公司、c a m e r o n 公司、f m c 公司等。这些公司对水下采油树相关技术实行专利保护及垄断，密封技术 直接作为商业机密加以保密。现在主要介绍下国外几家公司水下采油树油管悬挂器密封 使用情况。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 1 ) a b bv e t c og r a y 公司水下采油树密封油管悬挂器密封 a b bv e t e og r a y 公司b a m c c o n a n g h y 和j a g a r i e p y l 3 - 6 两位专家在一篇文章这样 描述：在水下采油树安装好之后，油管悬挂器密封直接与密封介质接触；然而在传统的 系统中，密封只是暴露于油管悬挂器的环形间隙内。在油管悬挂器频繁维修时，对密封 会造成损坏，如果密封件可替换，密封件损坏问题迎刃而解。在深水区域，期望油管悬 挂器的寿命为1 0 至2 0 年，如此，油管悬挂器密封至关重要，是一个需攻克的关键技术。 在实际应用过程中，几乎所有的水下设备供应商提供的密封结构为两端被金属包裹的弹 性体密封。该密封己被证明非常可靠并且在弹性体的支持下实现金属对金属密封。该结 构形式的密封的金属密封部件是两端的金属帽，初始时因弹性体的压缩被预紧，接触密 封介质的金属帽被密封介质施加的压力再次预紧，增强金属对金属密封性能。对于该结 构形式的密封，一个热点话题是弹性体与密封介质的接触问题。假如弹性体接触密封介 质，将会导致弹性体性能恶化，重要的是金属密封的激励将会下降，再加上密封介质压 力的波动，最终会导致密封失效。在传统的完井中，油管悬挂器密封本身失效不是一件 灾难性的事情，主要原因是密封系统中所需的压力外界还可以提供。在这两种情况下， 井口必须用压井液封井，方便替换密封件。针对上述问题，解决的最优方案是设计无弹 性体的全金属密封圈。该方案面临的问题是大多数金属密封被设计成金属密封表面或金 属密封本身发生塑性变形。该类型密封设计的一个基本原则是密封系统只能在有限的时 间内起作用。因此，为解决密封长使用寿命，普遍提出要求金属密封系统在长时间工作 中具有可靠地密封性能。于是，全金属密封系统的研发提上日程。 图2 - 2h t - m s 密封结构及安装 f i 9 2 - 2h t - m s s t r u c t u r ea n di n s t a l l a t i o n 现如今，a b bv e t c og r a y 公司水下采油树油管悬挂器密封结构形式主要有两种： 5 第二章文献综述 h t - m s 全金属密封和h t - s g 中间弹性体两端金属端帽密封( m e c 密封) ，前者实现全 金属密封，后者借助弹性体的激励作用实现金属对金属密封。 h t - m s 密封是一种全金属密封系统，在安装时，被高度预紧并伴随着径向膨胀。加 工该密封件时，使其具有缩减的外径，当该密封件进入采油树主体内部的密封表面时， 缩减的外径能够提供径向间隙。一旦该密封被安装在正确的垂直位置，一个下入台肩会 阻止其进一步向下运动。事先，h t - m s 密封被安装到采油树油管悬挂器指定位置，与油 管悬挂器一起下放。当油管悬挂器被下放到一定位置后，油管悬挂器上的锥面与h t - m s 密封接触，在外界驱动力的作用下，油管悬挂器径向挤压h t - m s 密封，迫使h t - m s 密 封沿径向向外扩张并与采油树主体内部密封表面贴合，进而h t - m s 密封与采油树主体 内部密封表面及油管悬挂器外密封表面形成足够的接触压力，实现良好的密封性能。 h t - m s 密封表面镶嵌锡铟合金，具有提高弥补密封表面损伤的能力以及提供自润 滑的作用。在h t - m s 密封被安装好后，密封件与采油树主体之间无相对垂直运动，如 此可确保表面损伤不会导致密封件表面产生划痕。h t - m s 密封的内径处与油管悬挂器之 间存在相对垂直运动，但是由于h t - m s 内径表面处具有可控的表面光洁度，不会造成 密封表面损伤。在油管悬挂器被安放在最终位置的同时，h t - m s 密封也被两平行面约束。 这就意味着，即使由于原油压力载荷或温度载荷导致油管悬挂器产生垂直运动，密封预 紧力也不会产生损失。 图2 - 31 1 t - s g 密封结构及安装 f i 9 2 - 3 h t - s gs t r u c t u r ea n di n s t a l l a t i o n h t - m s 密封适用于密封压力高达1 5 0 0 0 p s i 的所有天然气场合，并且相关联的设计 已经成功应用于密封操作压力高达2 0 0 0 0 p s i 的天然气。h t - m s 密封已成功通过压力为 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 5 0 0 0 p s i 的气体测试。 a b bv e t c og r a y 公司另一种水下采油树油管悬挂器密封结构形式h t - s g ，如图2 3 所示，该密封适用于频繁修井的场合，例如e s p 应用场合。该密封也已经成功通过压力 为1 5 0 0 0 p s i 的气体测试，并且被推荐适用于压力为1 0 0 0 0 p s i 的油品密封。 ( 2 ) c a m e r o n 公司水下采油树油管悬挂器密封 c a m e r o n 公司典型水下采油树结构及油管悬挂器如图2 4 所示，其采油树油管悬挂 器与a b bv e t c og r a y 公司结构不尽相同，作用是一样的。 图2 - 4c a m e r o n 公司水下采油树及油管悬挂器 f i 9 2 - 4 c a m e r o nc o m p a n ys u b s e ac h r i s t m a st r e ea n dt u b i n gh a n g e r 该公司水下采油树密封结构形式也有两种结构：全金属密封和m e c 密封。全金属 密封可实现完全金属密封，而m e c 密封借助弹性体的弹性激励及密封介质的压力载荷 实现金属对金属密封。 c a m e r o n 公司开发的m e c 密封结构型式有多种，分别适用于不同的场合。图2 5 所示为m e c 密封，该密封结构特点：金属端帽为不锈钢材料( 表面涂镍基合金) ，且表 面光洁度非常高；金属端帽一方面起到保护弹性体被高压挤压，防止与流体接触作用； 另一方面，金属两侧面在弹性体激励及密封介质压力载荷下与密封表面接触形成金属对 金属密封；该密封可承受径向挤压，在弹性力的作用下，金属部分可自动修复表面缺陷 和机械损伤；该密封可适用于压力范围为3 0 0 0 p s i 1 5 0 0 0 p s i 的一系列套管产品及油管悬 挂器环形间隙密封。 7 第二章文献综述 。 图2 5c a m e r o n 公司m e c 密封 a m e c 密封b - m e c 未安装示意图c m e c 安装示意图 f i 9 2 - 5c a m e r o nc o m p a n ym e cs e a l a - m e cs e a lb - m e cs e a li nu n s e tp o s i t i o nc - m e cs e a li nas e tp o s i t i o n 图2 5 中b ，密封总成1 0 被放置在筒体1 2 里面，还没有安装到位。在筒体内径处 有一锥形面2 8 和密封面2 9 ，。密封总成1 0 包括管状主体1 8 ( 有一个外表面2 6 ) 、支撑 环3 2 、固定套筒3 8 以及金属端帽密封3 6 。支撑环3 2 通过剪切销3 4 与表面2 6 连接并 且位于密封3 6 的下方。固定套筒3 8 位于密封3 6 的上方。金属端帽密封3 6 主要由弹性 环5 8 和金属帽5 0 ，5 2 组成，其中金属端帽5 0 位于上端，金属端帽5 2 位于下端。 图2 5 中c ，密封总成1 0 已经安装到位。固定套筒3 8 已向下运动，剪切销以及可 移动的金属端帽3 6 已到达筒体密封表面2 9 和表面2 6 之间。在安装位置，弹性环5 8 在 主体1 8 和简体1 2 之间受挤压产生作用力施加在金属端帽5 0 、5 2 的两侧5 6 位置，使得 5 6 向外扩张与密封表面接触，从而在金属端帽5 0 、5 2 及简体1 2 和主体1 8 的密封表面 间形成金属对金属密封。该结构形式的密封避免了弹性环被挤压以及防止弹性环与井口 流体接触。 密封总成使用金属端帽密封已经在各种操作环境下的油管悬挂器中得到了广泛的 应用。现在钻井环境越来越苛刻，对密封的密封性能提出了更高的要求。随着钻井所遇 到的环境恶化，金属端帽密封出现了一个问题：在低温应用场合，由于温度和其他环境 因素的影响，弹性体材料的弹性性能下降，不足以为金属部分形成金属对金属密封提供 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 足够的预紧力【7 17 1 。 ( 3 ) f m c 水下采油树油管悬挂器密封 f m c 水下采油树实物图如图2 - 6 所示，其中中间部件为心轴式油管悬挂器【2 7 之8 1 。 图2 - 6f m c 水下采油树 f 噜2 - 6 f m cs u b s e ac h r i s t m a st r e e f m c 公司水下采油树油管悬挂器密封技术很成熟，由于其保密及封锁，目前对其 密封结构形式了解不是很清楚。 ( 4 ) 国外学者对m e c 密封相关研究【j 8 】 在许多工业应用中，弹性体材料广泛被用作密封材料。密封的使用寿命标准是其特 征因素中的一个，有必要去研究弄懂该特征因素进而避免因密封失效带来的问题然而， 至今为止还没有相关的文件证明对弹性体密封的使用寿命标做出评估。对计算弹性体组 成部件使用寿命的相关表述已得到证实并且进一步做出数值预测。 弹性体密封本质上可被认为是不可压缩的、具有高表面张力的粘性流体。不管是来 自密封件周围结构的机械力还是动态流体传递的压力，极限粘性流体在压盖内发生流动 产生零间隙或者阻止被密封的粘性小的流体的流动。 图2 7 a 所示为安装状态的o 形圈，此时没有介质压力。图2 7 b 所示为密封流体作 用于o 形圈。图2 7 c 所示为随着密封流体压力增大，o 形圈部分进入密封间隙的状态。 图2 7 d 所示为随着密封介质压力的进一步增大，0 形圈发生挤压失效。当密封介质压 9 第二章文献综述 力增大到一定程度，弹性体材料的表面张力不足以抵抗密封介质压力，最终导致密封进 入间隙里面。 a c b d 图2 7 不同工作状态的。形圈 a - o 形圈安装状态b - o 形圈工作状态c - o 形圈受挤压状态d - o 形圈失效状态 f i 9 2 - 7 d i f f e r e n tc o n d i t i o n sf o ra no - r i n g a - or i n gi n s t a l l e db - o r i n gw o r k e d c - or i n ge x t r u d i n gd - o r i n gf a i l u r e 总而言之，大多数密封件的一个缺点是由于密封件挤压失效使得密封件使用寿命随 流体压力增大而降低。对o 形橡胶密封圈的使用情况做了相关的调查。大多数o 形圈 密封失效与温度、压力及被密封部位表面光洁度有关，除此之外，其他的包括o 形圈的 设计、垫圈及沟槽及在沟槽里面的防止密封爆炸减压的自由空间大小。 为防止密封件挤压失效，经常采用的措施包括一些机械方法如垫圈及m e c 密封。 对经历一系列温度和压力下的由n b r 材料组成的m e c 密封的使用寿命分析做了相关的 研究。由于m e c 密封的使用寿命主要有弹性体部分的寿命决定的，于是他提出在保证 m e c 密封性能的前提下，把密封的使用寿命作为设计标准。根据热波动理论，弹性体 的断裂体现了热波动的过程。首先，在弹性体内存在微观裂纹形成与积累的过程，当微 观裂纹的浓度达到危险程度，它们将会互联，导致宏观裂纹的出现，如此，弹性体部分 一分为二。在外界压力载荷与温度载荷作用下，当弹性体部分形成第一道裂纹时，弹性 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 体失效，进而导致m e c 密封失效。 为确定弹性体材料出现裂纹的时间，该方程式f = c 仃- 6e x p 虬肛丁经常被使用。在 方程式中，t 指的是密封使用寿命，l o g c 是前指数系数，6 为真实应力，b 为静态强度 指数，u o 为活化能，r 为通用气体常数，t 为温度( k ) 。 该等式是基于超弹性材料的热波动理论。该等式在俄罗斯标准得以叙述并且当材料 为超弹性材料时，也就是在比玻璃转换温度更高时的温度下，与实验数据十分吻合。大 多数操作环境都在这个温度范围之内。 简单来说，该指数方程在使用2 7 3 + t c 的对数形式的地方使用。，其中t c 为摄氏度。 临界常数( b 、u 0 、l o g c ) 需要通过单向拉伸试验确定。该方程式适用于静载荷、 单轴受拉、扭矩及剪切。所以，弹性体的使用寿命必须根据在静应力状态下的分量来确 定。 在应力复杂状态下，使用寿命取决于应力张量的分量。从物理角度看，密封材料失 效下的活化能取决于应力张量中的不变量。对于体积形变恒定的弹性体，形变偏量也是 一个常数。所以，确定静态下弹性体的使用寿命，应力分量6 = 1 56d e v l 经常被采用， 在这里6d e v l 指的是应力的第一主要偏量。 如果在发生裂纹的过程中，拉应力所起的作用是恒定的，当密封流体的压力增大时 弹性体密封的使用寿命可得到提高。这个结论可以通过试验得到证实。对于处于高弹性 状态的弹性体，使用寿命和拉应力之间的方程式关系不变。当经验系数考虑平均应力、 动态压力，裂纹速度的变化所起的作用时，活化能以u = 玑+ 口的形式表现出来。 最后，计算处于静态应力状态下部件的使用寿命的表示方法可以采用下面的公式： 1 0 9 剖0 9 c + 等黔掣- 6 l 。g ( 1 札，) ( 2 1 ) 在上述公式中，常数a 是通过施加压力的拉伸试验来确定。这些试验是比较昂贵的， 因此，在压缩状态的圆柱样品试验是比较受欢迎的。 接下来确定使用寿命计算公式中的各个参数。首先，通过在不同的温度下进行拉伸 试验确定弹性体的活化特性参数及通过做自由状态下的压缩试验确定参数a 。对实验对 象施加恒定的压力，并且记录裂纹产生的时间。该试验是在三种不同的温度条件下进行 的：2 9 3 k ( 2 0 ) 、3 3 3 k ( 6 0 ) 及3 6 3 k ( 9 0 。c ) 。三种不同温度下的试验结果如图2 8 第二章文献综述 所示。 l 咯 譬 图2 - 8 三种不同温度下的试验结果 m 以螂h f i 9 2 - 8e x p e r i m e n t a lr e s u l t si nt h r e ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s 静态强度指数b 是通过对相同温度下两个不同拉应力条件下的两个样品试验测试的 结果来确定的。两个使用寿命q 和吃对应两个不同的拉应力q 和，这两个使用寿命 数值是在产生裂纹前记录的。静态强度指数b 可通过如下公式进行计算： b ：! 竺曼三l 二! 竺墨三2( 2 2 ) l o g o 1 一l o g 吒 在试验过程中，记录恒定应力不同温度下的两个使用寿命数值，用来计算活化能。 参数l o g c 是通过恒定温度和拉应力下的样品裂纹实验数据来确定。参数a 是通过对在 两个抛光铬挡板间的圆柱样品进行单向压缩试验来确定，其中圆形压缩挡板与试验样品 接触表面涂硅油进行润滑以减少摩擦系数。 在试验过程中，对试验样品施加2 0 温度下的恒定载荷f ，然后测量弹性体出现第 一道裂纹的时间。圆柱样品压缩试验结果如图2 8 中的非线性部分所示。 在自由表面上，静压力为零，同时参数a 的数值大小没有任何意义。在这种情况下， 可以从单向拉伸测试中获得各种常量参数用来预测使用寿命。在圆柱样品的内部测试点 上，静压力不再为零，参数a 的数值大小不可忽略，可通过下式计算参数a 的大小： 在计算过程中，内部测试点的第一主偏量应力和静压力必须明确。从已知拉应力和 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 温度条件下测得裂纹产生时间的试验结果来看，参数a 可以通过上述公式计算得到，如 此，通过局部情况计算使用寿命变得可能。 弹性体中出现第一道裂纹的时间与诸多因素有关系，如弹性体材料的类型、摩擦系 数大小、弹性体部分的形状及载荷大小。通过有限元法对两个圆柱样品进行使用寿命计 算。第一个圆柱样品氐= h o = l o m m ，另一个圆柱样品尺寸d o = 2 8 6 m m 、= 1 2 5 m m 。 对2 0 温度下的n b r 材料进行了使用寿命分析计算。 图2 - 9 所示为d 。= 2 8 6 m m 、h o = 1 2 5 r a m 试验样品的使用寿命计算得出的结论。该图 中最小的使用寿命分布区在试验样品的侧表面。采用有限元方法分析2 0 。c 下的试验样品 的使用寿命，结果如图2 1 0 。 图2 - 9 d o - - 2 8 6 m m 、= 1 2 5 r a m 试验样品在3 5 6 7 n 载荷下的使用寿命计算 f i 9 2 - 9 t h el i f e t i m ed i s t r i b u t i o nf o r t h ed e f o r m e dr u b b e rc y l i n d e r 砌t hd o - - 2 8 6 m m a n dh e l l 2 5 m ma tl o a df = 3 5 6 7 k n 对于m e c 密封，图2 1 1 示出了m e c 密封的截面图，其中a 为密封件设计尺寸及 金属端帽位置。b 为密封件未安装时划分的有限单元网格，c 为密封安装到位后划分的 有限单元网格。 m e c 密封弹性体部分被假设为不可压缩的非线性粘弹性材料，模型为粘性元件并 联的m a x w e l l 模型。实验数据包括不同温度下的松弛曲线( 可计算离散模量) 、松弛时 间及样品拉压变形曲线。这些数据可以确定弹性体潜在的因素：依赖压力的摩擦系数获 得接触压力分布以及依赖温度的杨氏模量。除此之外，n b r 材料的活化特性及参数a 1 3 第二章文献综述 可通过试验确定，如前面提到。金属端帽材料为低碳钢。m e c 密封有限元网格划分的 初始形状如图2 1 1 b 所示。 图2 1 0 有限元方法分析2 0 0 下的试验样品的使用寿命结果 f i 9 2 1 0 t h el i f e t i m er e s u l t sf o re x p e r i m e n t a le x a m p l e sa t2 0 0b yf e m 团 - _ _ - _ - - 一 -_ 图2 1 1m e c 密封及有限元网格划分 f i 9 2 - 1 1 m e cs e a la n df m i t e - e l e m e n tm e s h 该分析分两个步骤，第一步，密封安装并被两侧密封表面挤压变形。图1 2 0 c 示出 了m e c 密封安装后的变形模型。图2 1 2 a 示出了1 8 0 0 时，m e c 密封主应力的分布区。 第二步，名义压力载荷施加在m e c 密封的上端金属端帽。图2 1 2 b 示出了1 8 0 0 、3 0 m p a 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 下使用寿命分布区域，从图中可知最小使用寿命发生在a 、b 及c 处，如图2 1 2 1 3 所示。 a 点位于密封内表面的中心处，裂纹在该区域首先形成。在给定条件下，预测的密封件 的使用寿命为6 9 年。 图2 1 2m e c 有限元分析 a 1 8 0 c 时，m e c 密封主应力的分布区b - 1 8 0 、3 0 m p a 下使用寿命分布区域 f i 9 2 1 2m e cs e a lf m i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s i s a - s t r e s sf i e l di nt h es e a la t1 8 0 b - t h el i f e t i m ep r e d i c t i o n sf o rt h es e a la t1 8 0 a n d3 0m p a 对于不同温度和压力下的载荷状况，可通过数值研究。基于这，密封使用寿命与压 力和温度间的关系如图2 1 3 所示。很明显，预测的使用寿命随着密封介质压力的增加 而提高，这可能是由于静态压力的增加和主应力稍微的下降所致。主应力稍微下降是由 于安装后密封几何形状的变化( 如图2 1 1 c 所示) 。m e c 压力的增大延误了裂纹的形成， 从而使得密封使用寿命延长。在大多数传统的密封中，密封件的使用寿命随着压力的增 加而缩短，但是压力的增大可导致密封结构严重的变形( 如图2 - 7 c ) 。对m e c 密封分析 表明该种设计可以避免上述缺陷。改进弹性体的结构可进一步提高使用寿命。 密封设计考虑的最基本的两个原则：使用寿命和泄漏。密封设计基于其中的任何一 种原则均可优化密封结构。为更好的设计，有必要同时考虑这两个基本原则。所以，假 如密封件的使用寿命的提高是客观方面的，那么减小密封件的挤压变形就可以提高使用 寿命，但是这将提高密封泄漏的可能性。m e c 密封的开发在保证密封性能良好的前提 下把使用寿命作为设计标准。 1 5 第二章文献综述 图2 - 1 3 密封使用寿命与温度和压力的关系 f i 9 2 1 3 p r e d i c t e dl i f e t i m eo f t h em e n t a le n dc a ps e a l sa tar a n g eo fp r e s s u r e sa n dt e m p e r a t u r e s 图2 1 4 a 所示为弹性体结构形状改进的密封结构，特点是在内外表面各有一个圆弧， 图2 1 4 b 所示为密封件未安装状态下的有限元网格图。 囡 ab 图2 1 4 弹性体改进的m e c 密封 a m e c 密封b - m e c 密封有限元网格划分 f i 9 2 - 1 4c r o s s - s e c t i o no ft h ei m p r o v e dm e t a le n dc a ps e a l a - m e cs e a lb - t h ef m i t e - e l e m e n tm e s h 通过有限元法分别对初始的m e c 密封和改进的m e c 密封进行了使用寿命评估， 并且将两者的结果做了对比。在使用寿命评估时，两种密封结构压缩率保持不变。图2 1 5 示出了温度为1 8 0 。c 且外部压力为零的条件下两种密封结构侧面的接触压力分布情况。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 固 钟m 图2 1 5m e c 密封侧面接触压力分布 a -