封隔器胶筒密封性能影响因素分析.pdf

2 0 1 4年 7月 第 3 9卷 第7期 润滑与密封 LUBRI CAT I ON ENGI NEERI NG J u 1 2 01 4 Vo 1 3 9 No 7 DOI 1 0 3 9 6 9 j i s s n 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 4 0 7 0 0 9 封 隔器胶筒密封性能影响 因素分析 彭惠芬 王程 王鹏 1 东北石油大学机械科学与工程学院黑龙江大庆 1 6 3 3 1 8 2 大庆油田有限责任公司钻探工程公司 黑龙江大庆 1 6 3 4 5 3 摘要 利用罚函数法将接触面约束条件引入势能泛函 建立封隔器胶筒有限元方程 采用 N e w r n a r k法进行数值求 解 分析封隔器胶筒几何参数和物理参数对封隔器密封性能 的影响 研究结果 表明 胶筒与套管间接触压力 随胶筒长度 的增加而增大 这种增长趋势在胶筒长度达到一定数值后趋于减缓 胶筒与套管间接触压力随胶筒厚的增加而增大 而 压缩变形随胶筒厚度增加而逐渐减小 胶筒的材料参数设计要求在满足密封要求的前提下 选择较大的胶筒材料系数 关键词 封隔器胶筒 接触压力 罚 函数 密封性能 中图分类号 T B 4 2 文献标识码 A 文章编号 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 4 7 0 4 0 4 An a l y s is o f I n flu e nc e Fa c t o r t o S e a l ing Pr o p e r t ie s o f Pa c k e r S Ru b be r Pe n g Hu i f en W a n g Ch e n g W a n g P en g 1 C o l l e g e o f M e c h a n ic a l S c i e n c e a n d E n gin e e rin g N o r t h e a s t P e t r o l e u m U n iv e r s it y D a q in g H e i l o n g j i a n g 1 6 3 3 1 8 C h in a 2 D a q i n g O il fie l d D r i l l i n g E n g i n e e r i n g C o m p a n y D a q in g O i l f i e l d C o L t d D a q i n g H e il o n g j ia n g 1 6 3 4 5 3 C h i n a Ab s t r a c t P e n a l t y f u n c t io n me t h o d w a s u s e d t o in t r o d u c e t h e c o n s t r a in t s o f c o n t a c t s u r f a c e in t o p o t e n t ia l e n e r g y f u n c t io n fi n it e e l e me n t a n a l y s is e q u a t io n Wa S e s t a b l is h e d a n d s o l v e d n u me ri c all y b y t h e Ne wma r k me t h o d t h e e ff e c t s o f g e o me t r y a n d p h y s ic a l p a r a me t e r s o f p a c k e r s r ub b e r o n p a c k e r s r u bb e r s e a l in g p r o p e r t ie s we r e a naly z e d T he r e s ul t s s h o w t h a t t he ma x imu m c o n t a c t p r e s s ur e b e t we e n ru b b e r a n d c a s in g is in c r e a s e d alo n g w it h t h e in c r e a s in g o f rub b e r l e n g t h a n d t h e in c r e a s e o f c o n t a c t p r e s s u r e is s l o w e d d o w n wh e n rub b e r l e n gth r e a c h e s a c e rta in v alue The ma x imu m c o n t a c t p r e s s u r e b e t we e n rub be r a n d c a s in g is in c r e a s e d a nd c o mp r e s s io n t h ic k n e s s is de c r e a s e d g r a d u a l l y a l o n g wit h t h e in c r e a s in g o f rub b e r wid t h A l a r g e r ma t e ri a l c o e ffi c ie n t s h o u l d b e c h o s e n w h e n d e s ig n in g ma t e r ia l p a r a me t e r s t o me e t t he s e alin g r e q u ir e me n t s Ke y wo r ds p a c k e r s r u b be r c o n t a c t pr e s s u r e p e n alt y f u n c t io n s e a l in g pr o p e rtie s 封隔器胶筒是橡胶材料 属于超弹性材料 其密 封性能的优劣是评价封隔器工作性能的关键 国内外 许多科技人员开展 了相关课题 的研究 井 下工作 环境的复杂性和封隔器胶筒材料的非线性给胶筒密封 性能的理论研究带来 了很大 困难 目前该课题 的研究 主要采用数值模 拟和实验研究相结合的方法 本文作者采用理论分析和数值模拟相结合 利用罚函 数法将接触面约束条件引入势能泛函 建立了封隔器 胶筒有限元方程 分析了封隔器胶筒几何参数和物理 参数对封隔器密封性能 的影响 为封隔器胶筒合理结 构设计提供理论指导 1 接触 问题 的有限元方程 接触问题分析一般采用增量解法 接触问题除满 足平衡方程 物理方程等基本方程外 在接触面上还 基金项 目 国家科技计划项 目 2 0 1 2 B A H 2 8 F 0 3 收 稿 日期 2 0 1 4一 O 1 1 5 作者简介 彭惠芬 1 9 6 9 一 女 博士 副教授 主要从事疲 劳 断裂数值计算研究 E m a il p h f d a q i n g 1 6 3 C O B 要满足变形协调条件 罚 函数法 由于具有求解 系数矩 阵正定 不增加自由度数等优点而在接触问题分析中 得到广泛应 用 套 管 内壁与密封胶筒的挤压是典型 的 接触问题 其中接触边界是接触非线性分析的关键 本文作者将罚函数引入势能泛函 用以表示接触面的 约束条件 图 1 接触物体及坐标 F i g 1 C o n t a c t o b j e c t s a n d c o o r d i n a t e s 4 2 润滑与密封 第 3 9卷 3 计算 结果及分 析 封隔器 主要是依靠胶筒膨胀改变胶筒与套管之 间 环形 间隙而实现密封 的 根据其工作原理 重点分析 了胶筒长度及厚度对接触压力及胶筒变形 的影 响 为 胶筒 的合理结构设计提供 理论指 导 胶筒 长度是胶 筒设计 中的重要参数 既要保证胶 筒能够 承受一定 的坐封压力 又要 防止胶筒过长而不 满足稳定性 的要求 图 3示 出了胶筒与套管最大接触 压力 随胶筒 长度变化规律曲线 可以看 出 当胶筒长 度为 5 0 1 1 0 m m时 最 大接触 压力 随胶 筒 长度增加 而增加 最大接触压力值为 1 6 8 3 M P a 当胶筒长度 在 1 2 0 1 6 0 m m之间时 最大接触压力随胶筒长度增 加而减小 当胶筒长度大于 1 6 0 m m时最大接触压力 变化趋于平缓 约为 9 4 3 MP a 股 伺 长 度 l mm 图 3 胶筒与套管最大接触压力随胶简长度变化规律曲线 Fi g 3 Th e r e l a t i o n c u r v e b e t we e n ma x i mu m c o n t a c t p r e s s u r e a n d Ru b b e r s l e n g t h 图 4和 图 5分别示出 了胶筒与套管最大接触压力 和轴 向压缩 变形 随胶 筒 厚度 变化 规 律 曲线 可 以看 出 胶筒 与套管间最大接 触压力 随胶筒 厚度增 加而逐 渐增加 压缩变形在厚度小于 1 6 5 m m时 压缩 变形 量随胶筒 厚 度增 加 而逐 渐 增 加 厚 度 大 于 1 6 5 m m 时 压缩变形量随胶筒厚度增加而减小 使胶筒密封 性能降低 因此 设计时需根据实际情况 在满足密 封要求前提下尽可能增大胶筒厚度 I 5 5 1 6 l 6 5 1 7 1 7 5 1 8 1 8 5 1 9 1 9 5 2 0 2 0 5 胶筒厚度t mm 图4 胶筒与套管最大接触压力随胶筒厚度变化规律曲线 Fi g 4 Th e r e l a t i o n C H I V e b e t we e n ma x i mu m c o n t a c t p r e s s u r e a n d Ru b b e r S t h i c k n e s s 胶 简 厚 度 t mm 图5 胶筒轴向压缩量随胶筒厚度变化规律 曲线 F i g 5 Th e r e l a t i o n c u we b e t we e n a x i a l c o mp r e s s i o n a n d Ru b be rs t h i c k n e s s 胶筒 的材料参数设 计要 求在满 足密 封 的前提下 接触应力越 大越好 表 2给 出了不 同材料 系数下胶筒 与套管接触压力和轴向压缩量与材料系数的关系 可 以看 出 材 料 3的胶筒材接触压力较大为 1 6 3 2 MP a 同时有具有较大的轴向压缩量 5 4 4 6 m m 表 2 不同材料系数下胶筒与套管接触压力和轴向压缩量 T a b l e 2 C o n t a c t p r e s s u r e a n d a x i a l c o mp r e s s i o n wi t h d i f f e r e n t ma t e r i a c 0 e f i e n t s 材料 胶 筒系数 接触压力 p MP a轴向压缩量 s mm 4结论 1 胶筒长度对 封隔器 胶筒密 封性 能影 响很 大 当胶筒长度为 5 0 1 1 0 m m时 最 大接触 压力 随胶筒 长度增加 而增 加 当胶 筒 长度 在 1 2 0 1 6 0 m m 之 间 时 最大接触压力 随胶筒长度增加 而减小 而后 变化 趋于平缓 因此 封隔器胶筒长度设计应在满足稳定 性和能够承受一定坐封压力保证密 封条件 下 胶 筒与 套管最 大接触压力应尽可能 大些 2 胶筒厚度对 封 隔器 胶筒 密封 性能影 响很 大 胶筒 与套管 间最 大接 触压力 随胶筒 厚度增加而逐渐增 加 封 隔器胶筒厚度 的设计 应在保 证一定量的轴 向变 形满足密封条件 胶 筒与套管最大接触压力应尽可能 大些 3 胶筒属于超弹性材料 其材料系数对封隔器 胶筒密封性能有较大影响 材料系数的选取既要保证 一 定的接触压力 同时要有一定 的轴 向压缩量 g 姜 咖婿趟匠器 重 嘲攫 堪 2 0 1 4年第 7期 彭惠芬等 封隔器胶筒密封性能影响因素分析 参考文献 1 刘天 良 施纪泽 封隔器封隔时胶皮筒接触应力的模拟试验 研究 J 断块油气田 2 0 0 1 7 4 5 1 5 4 L iu T ia n l ia n g S h i J iz e S imu l a t io n t e s t o f co n t a ct s t r e s s f o r p a ck i n g e l e m e n t t o ca s i n g J F a u l t B l o ck O il G a s F i e l d 2 0 0 1 7 4 5 1 5 4 2 刘清友 黄云 湛精华 等 井下封隔器及其各部件工作行 为 仿真研究 J 石油仪器 2 0 0 5 1 9 1 1 4 L i u Q i n g y o u H u a n g Y u n Z h a n J i n g h u a e t a1 Wo r k in g a ct io n s i m u l a t i n g r e s e a r ch o f d o w n h o l e p a ck e r J P e t r o l e u m l n s t r u me n t s 2 0 0 5 1 9 1 l一 4 3 周先军 平利 季公明 封隔器胶筒接触应力分布有限元计 算 J 钻采工艺 2 0 0 2 2 5 4 3 2 3 6 Z h o u X i a n j u n P i n g L i J i Go n g mi n g F i n it e e l e me n t ca l cu l a t i o n o f t h e co n t a ct s t r e s s o n t h e s e a l i n g r u b b e r o f t h e p a ck e r J D ril l i n g P r o d u ct i o n T e ch n o l o g y 2 0 0 2 2 5 4 3 2 3 6 4 K i r k i n l s E O g d e n R W H a u g h t o n D M S o m e s o l u t i o n s fo r a co m p r e s s i b l e is o t r o p i c e l a s t i c m a t e ria l J Z e it s ch r ifi f t i r a n g e wa n d t e Ma t h e ma t ik u n d Ph y s ik Z AMP 2 0 0 4 5 5 1 3 6 1 5 8 5 Y a n g L M S h i m V P W A v is co h y p cr e l a s t i c co n s t i t u t i v e d e s crip t i o n o f e l a s t o m e r i c f o a m J I n t e r n a t io n a l J o u r n a l o f I mp a ce En g in e e ri n g 2 0 0 4 3 0 1 0 9 9 1 11 0 6 吴建 徐兴平 王龙庭 等 常规高压封隔器密封胶筒力学分 析 J 石油矿场机械 2 0 0 8 3 7 6 3 9 4 1 W u J ia n Xu X in g p in g Wa n g Lo n g t in g e t a1 Me ch a n ica l a n a l y s is o f t h e co n v e n t io n a l hig h pr e s s u r e r u b be r b a r r e l o f p a ck e m J O i l F i e l d E q u i p m e n t 2 0 0 8 3 7 6 3 9 4 1 7 D i e n e s J K S o l e m J C A l a m o s L o s e t a 1 N o n l i n e a r b e h a v i o r o f s o m e h y d r o s t a t i ca l l y s t r e s s e d is o t r o p i c e l a s t o m e r i c f o a m s J Act a M e ch a n ica 1 9 9 9 1 3 8 1 5 5 1 6 2 8 伍开松 朱铁军 侯万勇 等 胶筒系统接触有限元优化设计 J 西南石油学院学报 2 0 0 6 2 8 6 8 8 9 0 Wu Ka i s o n g Z h u T i e j u n Ho u Wa n y o n g e t a1 O p t i ma l d e s i g n o f p a ck e r e l e m e n t s y s t e m w i t h co n t a ct f i n i t e e l e m e n t J J o u r n a l o f S o u t h w e s t P e t r o l e u m I n s t i t u t e 2 0 0 6 2 8 6 8 8 9 0 9 范成业 庄茁 黄克智 超弹性材料过盈配合 的解析解和数 值解 J 工程力学 2 0 0 3 2 0 4 1 5 1 8 F a n Ch e n g y e Zh u a n g Z h u o Hwa n g Ke h ch ih T h e t h e o r e t ica l a n d fi n it e e l e me n g t s o l u t io n s o f a n int e rf e r e n ce p r o b l e m o f h y p e r e l a s t i c m a t e r ia l s J E n g i n e e r i n g M e ch a n i cs 2 0 0 3 2 O 4 1 5 1 8 1 0 任九生 程昌钧 热超弹性圆筒的不稳定性 J 力学学报 2 0 0 7 3 9 2 2 8 3 2 8 8 R e n J i u s h e n g C h e n g C h a n u n I n s t a b i l i t y o f i n co mp r e s s i b l e t h e r mo h y p e r e l a s t i c t u b e s J C h in e s e J o u rna l o f Th e o r e t i ca l a n d A p p l ie d Me ch a n i cs 2 0 0 7 3 9 2 2 8 3 2 8 8 1 1 刘扬 刘巨保 罗敏 有限元分析及应用 M 北京 中国电 力 出版社 2 0 0 8 上接 第 1 5页 6 明廷锋 朴甲哲 张永祥 超声波散射式颗粒测量及 其测量 结果单值性的分析 J 计量学报 2 0 0 6 2 7 2 1 7 9 1 8 2 Min g T in g f e n g P ia o J ia z h e Z h a n g Yo n g x ia n g P a r t icl e d e t e ct io n b a s e d o n u l t r a s o n ic s ca t t e ri n g a n d mo n o d r o mic d is cu s s io n o f it s m e a s u r e m e n t J A ct a M e t r o l o g i ca S in i ca 2 0 0 6 2 7 2 1 7 9 1 8 2 7 B a k h v a l o v N S Z h i l e i k i n Y M Z a bel o t s k a y a E A N o n l i e a r t h e o r y o f s o u n d b e a m s M N e w Y o r k A m e r i ca n I n s t i t u t e o f P h y s ics 1 9 8 7 8 L e e Y S N u m e rica l s o l u t i o n o f t h e K Z K e q u a t i o n fo r p u l s e d fi n i t e a m p l i t u d e s o u n d b e a m s i n t h e r m o v i s co u s fl u i d s D A u s t in Th e Un iv e r s it y o f T e x a s a t Au s t in 1 9 93 上接 第3 9页 9 蔡仁 华 吴坚 制动 盘对摩擦性能 的影 响 J 非金 属矿 2 0 0 2 2 5 3 5 4 5 6 Ca i Re n hu a Wu J ia n Ef f e ct s o f d is k b r a k e o n f ri ct io n p e r f o r m a n ce s J N o n Me t a l l i c M i n e s 2 0 0 2 2 5 3 5 4 5 6 1 O 朱文婷 付业伟 李贺军 等 硅酸钙颗粒改性树脂基摩擦 材料的性能 J 润滑与密封 2 0 1 2 3 7 1 1 4 5 5 0 Z h u We n t i n g F u Ye we i L i He j u n e t a1 Th e p e rf o r m a n ce o f r e s in b a s e d f r ict io n ma t e ri a l mo d ifi e d b y ca l ciu m s il ica t e pa t t i cl e s J L u b rica t i o n E n g i n e e r in g 2 0 1 2 3 7 1 1 4 5 5 0 1 1 费杰 李贺军 齐乐华 等 A 1 0 含量对碳纤维增强纸基摩 擦材料摩擦磨 损性能 的影响 J 润 滑与密封 2 0 0 8 3 3 4 7 O一7 3 F e i J i e L i H e j u n Q i L e h u a e t a 1 E f f e ct o f A 1 2 O 3 co n t e n t o n t h e f ri ct io n a n d we a r pe rfo r ma n ce o f ca r b o n fib e r r e in f o r ce d p a p e r b a s e d f r ict i o n m a t e ria l s J L u b rica t i o n E n g i n e e r i n g 2 0 0 8 3 3 4 7 0 7 3 1 2 陈洪 特种铍青铜同步器齿环耐磨性能影响 因素 的研究 J 理化检验 一物理分册 2 0 0 5 4 4 1 2 6 0 4 6 0 7 Ch e n g Hu n g Ab o u t t h