FHZ28－105型環形防噴器膠芯研制

顧和元，蘇尚文，劉增凱，趙榮軍

（1.河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘062552；2.中國石油大學（華東），山東 青島266580）①

膠芯作為環形防噴器的關鍵部件，在預防鉆井事故中起著至關重要的作用。通常，膠芯是由某種結構的金屬骨架和橡膠硫化而成。膠芯的失效主要表現在橡膠疲勞導致的撕裂和脫落、支撐筋的疲勞斷裂2個方面［1］。目前，國際上通用的環形防噴器主要以GE HYDRIL和NOV SHAFFER為代表。前者的環形防噴器主要采用錐形膠芯結構，后者的環形防噴器采用球形膠芯結構。Cameron的環形膠芯則采用組合膠芯結構，因其結構復雜，在國內應用較少。

FHZ28－105型環形防噴器作為140MPa防噴器組的重要組成部件，是目前國內壓力最高的環形防噴器，其膠芯的性能關系到整套設備的可靠性。本文研究了該防噴器膠芯的結構，應用有限元軟件分析其密封性能，并通過室內試驗測試該膠芯的可靠性。

1 密封原理

以GE HYDRIL的環形防噴器錐形膠芯結構為例。工作時，帶有壓力的液壓油通過管線進入關閉腔，依靠油壓推動活塞豎直向上運動；同時，運動著的活塞不斷擠壓膠芯，推動膠芯徑向運動，使膠芯圍成的空間逐漸縮小；最終在膠芯中部形成密封帶，實現密封鉆桿或井筒環空的目的。密封鉆桿的原理如圖1所示。

圖1 環形防噴器錐形膠芯密封原理

當需要打開防噴器時，帶有壓力的液壓油通過管線進入開啟腔，推動活塞向下運動，使膠芯失去約束。膠芯依靠自身的彈性性能逐漸回彈至原始狀態，打開防噴器。

2 膠芯結構

為使膠芯具有較高的密封可靠性，能夠產生滿足封井要求的密封比壓，必須保證膠芯具有足夠的儲膠量，即具有較大的貯膠比［2］。設計采用錐形膠芯結構，由多個內嵌的金屬骨架與橡膠硫化而成，如圖2。金屬骨架增強了膠芯的強度，并引導膠芯規則運動，有助于實現密封。金屬骨架的數量、尺寸和質量取決于防噴器的尺寸和結構，同時也要保證有足夠的儲膠量，還應具有足夠的強度，以免在工作中因疲勞而折斷，從而引起安全事故。典型的金屬骨架結構為具有一定角度的傾斜板，兩端與楔形板連接。采用理論計算與試驗相結合，優化膠芯的外部結構和骨架尺寸。

圖2 膠芯的結構

3 有限元分析

3.1 橡膠的力學性能

橡膠作為一種高分子化合物，在常溫下形變可回復，在很小的外力作用下可以產生很大的形變（達1 000%），外力去掉后能迅速回復原狀。在變形過程中，體積幾乎不變，可歸類于不可壓縮的材料，密度保持常數。作為一種超彈性材料，具有雙重非線性的特點，即材料非線性和幾何非線性［3］。

橡膠相對于鋼是非常軟的，橡膠的彈性模量較低，約為10～100MPa。在有限元分析中，其材料的定義不是采用彈性模量等幾個參數，而是采用應變能的形式。橡膠材料的定義有多種本構模型，例如Mooney－Rivlin、Ogden和 Polynomial等。典型的是Polynomial，即多項式形式本構模型，其應變能密度表達式為

式中：I1和I2為應變不變量；Cij和Di為與溫度有關的材料參數；Jel為彈性體積應變。

其中，

式中：λ為伸長張量；J為總的體積比。

特殊形式可以由設定某些參數為0來得到。如果所有Cij≠0，j＝0，則得到簡化多項式模型為

對于完全多項式，如果N＝1，則只有線性部分的應變能量。本計算采用試驗數據來擬合，應用二次多項式形式定義橡膠的本構模型，其中N＝2。

3.1 有限元模型及分析結果

環形防噴器膠芯主要由橡膠和內嵌的金屬骨架組成，結構比較復雜。封井過程中橡膠的變形很大，為與試驗結果相符，采用三維模型進行計算。為了便于建模和有限元網格的劃分、提高計算效率，分析過程中采用了一些簡化措施，即在總體尺寸與實物一致的基礎上，對橡膠膠芯和整體金屬支撐筋的形狀作了適當簡化，不考慮突起、圓弧過渡，忽略部分細節尺寸。由于膠芯為完全軸對稱結構，計算時采用整個膠芯的1／4（90°）進行計算。

3.1.1 形變位移

圖3為活塞行程L為40.0、150.2mm時膠芯密封127mm（5英寸）鉆桿時豎直方向的位移云圖。由圖3可以看出：在此過程中，活塞向上運動推動膠芯，同時由于受到頂蓋、活塞和對稱面的約束使得膠芯產生徑向位移，最終封閉鉆桿。還可以看到：支撐筋之間橡膠的儲膠量較大，流動性強，徑向位移大，是封閉膠芯內部空隙的主要來源。

圖3 環形防噴器膠芯封127mm鉆桿時豎直方向的位移

3.1.2 接觸壓力

隨著活塞向上運動，擠壓前部橡膠，而鉆桿阻止了橡膠的徑向移動，橡膠與鉆桿的接觸壓力逐漸增大，在L＝150.2mm時，橡膠與鉆桿之間的接觸壓力＞105MPa，達到封井壓力要求。接觸面的接觸壓力云圖如圖4所示。

3.1.3 應力與應變

影響膠芯壽命的主要因素是在封井過程中橡膠的應力和應變的變化情況，因此對在封井過程中的應力和應變的分析尤為重要。圖5為膠芯橡膠部分的應變云圖。由圖5可以看到：最大的應變集中在膠芯后面下部分，大部分單元的應力＜20MPa，最大應變為197.1%。

圖5 密封127mm鉆桿時的橡膠應變云圖

4 膠芯的制造

由于該膠芯承受的密封井壓為105MPa，選用的橡膠配方需要具有較高的拉伸強度；由于反復的擠壓變形，需要具有較大的扯斷伸長率、疲勞強度和較小的永久變形。選用丁腈橡膠（NBR）為原材料。丁腈橡膠主要由單體丁二烯和丙烯腈通過乳液聚合而成，其拉伸強度和耐油性能主要是由較高極性的丙烯腈基團決定。因為隨著丙烯腈含量的提高，其耐油性能、耐熱性能、力學性能等均有所提高。因此選用丙烯腈含量高、強度大、門尼粘度中等、生熱少、加工性能良好、且質量較為穩定的丁腈橡膠。

為提高膠芯的各項物理性能，選用有機和無機的配合劑，適量的高耐磨炭黑等作為補強和填充劑，選用增粘樹脂與炭黑協同作用，使膠料伸長率大、強度高、耐撕裂性能優良。

橡膠試樣的試驗參數如表1所示。

表1 橡膠的性能參數

為保證膠芯的尺寸精度，在模具的設計中根據橡膠材料成形收縮的特殊性及橡膠的硬度、硫化溫度和時間，采用一定的比例進行放大處理，設計結構合理的模具。在數控加工中心進行精密加工。骨架采用合金鋼材料，精鑄成形，調質處理，確保具有足夠的強度。

5 室內試驗

依據GB／T 20174—2006 標準［4］的要求，對該膠芯進行了出廠試驗驗證和疲勞試驗驗證。出廠試驗包括封127mm（5英寸）管柱和空井，穩壓10 min。疲勞試驗密封127mm（5英寸）管柱，采用10.5MPa的液控關閉壓力關閉膠芯，低壓1.4～2.1MPa，高壓105MPa。每開關7次進行1次密封壓力試驗，共87個壓力循環，開關膠芯609個循環。按照防噴器現場使用要求，每天開關1次，每7 d進行1次壓力循環，其使用壽命達到20個月，超過了API 16A（密封127mm 管柱，52個壓力循環，開關膠芯364個循環）規定的指標。

疲勞試驗后膠芯的磨損如圖6所示，可以看到：在膠芯下面外圓處和頂部破損較嚴重，頂部是橡膠損失最大的區域，主要原因是由于密封鉆桿時骨架與鉆桿之間以及鉆桿與鉆桿之間間隙的存在，致使橡膠從間隙處流失。該處橡膠的流失是膠芯密封失效的主要原因。

圖6 疲勞試驗后膠芯磨損情況

6 結論

1） 通過對FHZ28－105型環形防噴器膠芯的有限元三維模擬計算和試驗驗證，表明該錐形膠芯的結構設計可以滿足井口壓力為105MPa時，封閉127mm（5英寸）鉆桿和全封井口的要求，橡膠的變形及應力在橡膠的彈性范圍內，設計和制造完全滿足GB／T 20174—2006標準的要求。

2） 在膠芯的下面外圓處和膠芯的頂部，橡膠容易撕裂和脫落。建議增強橡膠與支撐筋之間的粘結力，以防止環形膠芯損壞。

3） 105MPa環形防噴器膠芯的研制成功，為國產高壓環形防噴器奠定了技術基礎，為高壓油氣開采提供了可靠的保障。

［1］裴東林，楊 勇，李天德.環形防噴器膠芯失效的原因及提高膠芯使用壽命措施的分析［J］.裝備制造，2009（11）：143.

［2］林 軍.液壓球形防噴器膠心骨架的力學分析［J］.石油機械，1990（6）：1－5.

［3］何朝東，何祖清，葉 峰，等.封隔器工作性能試驗研究［J］.石油礦場機械，2007，36（2）：37－38.

［4］GB／T 20174—2006，鉆井和采油設備 鉆通設備［S］.