球形防噴器膠芯密封鉆具效果評價

鄧又銘，伍開松，林發權，嚴永發，吳霽薇

（1.西南石油大學石油天然氣裝備教育部重點實驗室，成都 610500；2.塔里木油田分公司工程技術部，新疆庫爾勒 841000）①

目前，國產的球形膠芯是參照美國Shaffer公司的產品進行設計制造的，膠芯的密封性能差、使用壽命低，不能滿足國內鉆井作業需求，其中一個重要原因是膠芯的結構設計不合理。從現場使用情況看，同一規格的球形膠芯有多種結構形式，沒有統一的標準，產品性能也各有差異。20世紀90年代以來，國內有許多學者對球形膠芯進行了研究，例如：西南石油學院的林軍、張鵬、崔嵐等對膠芯的失效形式和密封幾何參數進行了研究［1－2］；西南石油局的裴東林等對膠芯的失效原因及提高膠芯使用壽命的措施進行了分析［3］。這些研究從球形膠芯的密封原理出發，主要運用理論方法對膠芯進行了分析計算，很難全面反映膠芯的實際密封性能、應力分布等詳細情況。

筆者運用ABAQUS有限元軟件對球形膠芯密封鉆桿的過程進行了數值仿真，對膠芯的變形規律、應力的分布情況以及密封壓力、密封長度的變化規律進行了詳細研究，并對膠芯內圓柱上部的結構尺寸進行了優化，研究結果有助于提高膠芯的使用壽命，對膠芯的結構尺寸設計具有指導意義。

1 數值仿真研究

1.1 有限元模型建立

以FH35－35型球形防噴器為例，膠芯由支撐筋和橡膠件組成，支撐筋均勻地排布在膠芯內部，與橡膠件通過綁定約束構成一體。膠芯底部平面和活塞的上表面接觸，外球形面和頂蓋的內球面重合。膠芯、頂蓋、活塞、鉆桿同軸裝配，軸心線與z 軸平行。根據球形防噴器的工作原理及各部件的結構尺寸，利用ABAQUS軟件建立膠芯密封鉆桿的三維有限元模型。圖1所示為模型的剖面圖。

圖1 球形膠芯模型剖面

采用Yeoh本構模型對橡膠力學行為進行模擬，Yeoh模型系數C10＝0.8973 MPa，C20＝0.1307 MPa，C30＝0.0823 MPa。采用ABAQUS／Explicit求解器進行求解，橡膠材料可近似看作不可壓縮材料，設定其泊松比為0.5，質量密度為1.5t／m3。定義頂蓋、支撐筋、活塞、鉆桿為彈塑性材料，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，質量密度為7.8t／m3。

Load模塊中，對活塞施加位移載荷。經過理論計算，活塞極限行程約為170 mm，因此，對活塞下表面施加沿z 軸負向的載荷位移－170 mm。頂蓋和鉆桿在本次分析中固定不動，因此，可對頂蓋的上下表面和鉆桿內表面施加固定約束條件。Mesh模塊中，采用C3D4線性四面體單元對橡膠件劃分網格，其他部件采用C3D8R 線性六面體減縮積分單元劃分網格。

1.2 膠芯變形規律

從膠芯的總體變形情況可以看出：活塞沿z 軸負向運動的過程中，推動膠芯沿頂蓋內球面滑動，由于頂蓋內球面向上空間逐漸減小，使支撐筋相互靠攏，橡膠被擠壓出沿徑向運動，填充膠芯與鉆桿之間的環形空間，最終實現封井。

如圖2所示為分析步結束時，膠芯沿y 向的位移變化云圖。可以看到：在膠芯上部，橡膠沿y 向的變形量最大，是封井的主要作用部位；在膠芯下部，沿y 向的變形量明顯減小，形成倒置的“漏斗狀”。該結構有利于封井狀態下鉆桿順利地通過膠芯，并且在井壓下有助封作用。膠芯在變形過程中，最初時，膠芯內壁呈花瓣狀，隨著膠芯變形加大，橡膠的流動性增強，內壁橡膠發生自接觸，形成較深的褶皺，如圖2中的1處所示，這跟膠芯的實際變形情況相似。

圖2 球形膠芯剖面的位移云圖

1.3 膠芯應力分布

如圖3所示為分析步結束時，膠芯剖面的Mises應力云圖。

圖3 膠芯剖面的Mises應力云圖

可以看到：在膠芯底部的第1、2處，由于活塞結構的突變，以及支撐筋與活塞的擠壓作用，橡膠出現應力集中，Mises應力較高。實際情況中，這些部位的橡膠也最容易出現開裂，如圖4所示。在膠芯上部的第3處，擠出的橡膠受到支撐筋上板塊的限制，處于擠壓狀態，應力值也相對較高。從應力集中的部位來看，處于上部倒角處，并且由表面向橡膠內部延伸，直接導致膠芯內壁大塊脫膠以及上部橡膠層塊狀脫落［4］，如圖5所示。

圖4 膠芯底部橡膠開裂

圖5 膠芯上部橡膠層塊狀脫落

如圖6所示為膠芯內壁應力沿環向的分布情況。圖中的峰值應力為褶皺點處的應力值，在反復開關防噴器的過程中，這些褶皺點處的橡膠出現疲勞，最先開始產生裂紋，隨著裂紋逐步變大并擴展，膠料加速脫落，使整個膠芯喪失密封能力。

圖6 應力沿環向分布

從上面的分析發現，仿真結果中Mises應力較大的部位與實際情況中膠芯發生破壞的部位一致。說明Mises應力可以作為分析膠芯是否容易發生破壞的判據之一。同時，為了避免膠芯變形時出現應力集中，膠芯自身或與其接觸的剛性部件應盡量不要出現尖角或突出的結構。

1.4 膠芯密封性能

膠芯的密封性能可以用沿z向的密封壓力和密封長度2個指標來衡量。可以任意選取一條沿z向的路徑，查詢節點上的密封壓力值，如圖7所示。峰值壓力為16.3485 MPa，出現在上部倒角處的下棱邊上。峰值壓力兩側，密封壓力逐漸減小，說明下棱邊區域是膠芯密封鉆桿的主要作用部位。

圖7 密封壓力沿z向分布

如圖8所示為活塞位移增加時，密封區域指定節點的密封壓力變化規律。可以看到，當活塞位移達到141mm 時，膠芯內壁開始與鉆桿接觸，密封壓力逐漸上升。但是在144～150mm 時，密封壓力略有下降，這是由于膠芯變形時，橡膠被擠出至活塞承載表面以下，使膠芯用于密封鉆桿的橡膠減少所致。隨著膠芯擠出的橡膠持續增多，密封壓力又繼續增加，當活塞位移達到156 mm 時，密封壓力升至17 MPa，隨后維持在該值附近。從該曲線可以看出，膠芯的密封壓力從0開始至達到穩定所需時間較短，這段時間活塞位移大約為15mm，且密封壓力的增長存在一段停滯期。

圖8 密封壓力隨活塞位移變化曲線

如圖9所示為活塞位移增加時，密封區域沿z向的密封長度變化規律。可以看到：隨著活塞位移的增加，密封長度是逐漸增長的，當活塞位移達到166mm時，密封長度達到128mm，隨后基本保持穩定。

結合圖8～9中密封壓力、密封長度的變化規律可以看出：為了保證膠芯的密封性能，對于FH35－35型球形防噴器，活塞極限行程不宜低于166mm。早期國產球形防噴器的活塞極限行程約為159 mm，膠芯的擠膠量不足，是導致防噴器密封性能差的原因之一。

圖9 密封長度隨活塞位移變化曲線

2 膠芯結構尺寸優化［5－6］

早期的國產球形膠芯，甚至近年來一些廠家生產的球形膠芯，內圓柱上部呈上翹結構，如圖10中虛線所示。雖然膠芯上部的膠量增加，但是該部位橡膠強度小，抗撕裂能力差；同時，過多的橡膠在變形時甚至向上被擠出至支撐筋外，發生外翻，導致應力集中。因此，上翹部位的橡膠極易發生破壞。

對結構做如下改進，如圖10中實線所示。削去上部上翹的部分，使表面1向下傾斜，并改變切削深度d，研究上部橡膠的多少對密封性能和應力的影響。

圖10 改進后的膠芯結構

如圖11所示為改進后膠芯的密封長度、密封壓力以及密封區域指定節點的應力隨內圓柱高度h變化的情況。

圖11 改進后膠芯的密封性能曲線

綜合評價圖11中密封長度、密封壓力及應力的變化情況：當膠芯內圓柱高度為210～220 mm 時，膠芯的密封性能最好，密封區域的應力較低。因此，對于FH35－35型球形防噴器，膠芯內圓柱高度推薦為210～220mm。

3 結論

1）仿真結果中Mises應力較大的部位與實際情況中膠芯發生破壞的部位一致。說明Mises應力可以作為分析膠芯是否容易發生破壞的判據之一。

2）膠芯在封井時，內壁會產生褶皺，且褶皺點處應力值極大；同時，膠芯上部橡膠受到擠壓作用，也會出現高應力區域，是導致膠芯上部橡膠容易破壞的原因之一。

3）活塞極限行程太小會影響膠芯的密封性能，對于FH35－35型球形防噴器，活塞極限行程不宜低于166mm。

4）膠芯上部宜設計成向下傾斜的結構，并且內圓柱高度不是越高越好，對于FH35－35型球形防噴器，膠芯的內圓柱高度推薦為210～220mm。

［1］林軍.球形防噴器膠芯失效的形式及原因［J］.石油機械，1995，23（9）：36－37.

［2］張鵬，崔嵐，林軍.球形萬能防噴器膠芯密封幾何參數的計算［J］.石油機械，1989，17（6）：1－6.

［3］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）：141.

［4］徐大萍，伍開松，吳霽薇.球形防噴器膠芯失效分析［J］.潤滑與密封，2012，37（7）：71－74.

［5］顧和元，蘇尚文，劉增凱，等.FHZ28－105型環形防噴器膠芯研制［J］.石油礦場機械，2012，41（12）：7－10.

［6］姚胥源，武剛峰.CAE 技術在防噴器結構設計中的應用［J］.石油礦場機械，2011，40（7）：60－63.