封隔器膠筒結構改進及優勢分析

張 辛，徐興平，王 雷

（中國石油大學（華東）機電工程學院，山東 青島266580）①

封隔器膠筒是通過軸向壓縮力緊貼在封隔器套管壁上起密封作用，其密封性能直接制約使用性能。膠筒與套管接觸所產生的接觸應力是膠筒承受工作壓差的必要條件［1］。膠筒的形狀優化設計影響著其密封性能［2］，是設計者密切關注的問題。不少學者已經對其實物的力學試驗［3］、有限元數值模擬［4］、封隔器與管柱之間的力學關系［5］等進行了大量研究，對封隔器的結構優化以及接觸應力的分布關系得出了初步的結論［6］。研究接觸應力與膠筒外形及結構參數之間的關系，對理論上認清膠筒的密封機理和膠筒密封的可靠性具有重要意義［7－8］。筆者對常用的封隔器膠筒的結構進行了改進，把三膠筒結構簡化為雙膠筒，對工作過程進行有限元分析，對其受力過程中接觸應力的變化［9］和分布規律進行了詳細研究，并與常規結構進行比較分析，結果表明改進型結構具有顯著的優勢。

1 有限元模型的建立

常用的封隔器上串有3個膠筒［10］，分為上、中、下3個膠筒結構尺寸相同和上下膠筒為長膠筒、中膠筒為短膠筒2種結構形式［11］。通過對傳統三膠筒結構的研究發現，起主要密封作用的是上膠筒。為了節省材料，降低制造工藝難度，筆者對傳統三膠筒結構進行簡化，將封隔器結構改進為雙膠筒結構。

由于封隔器的本體和膠筒為柱和筒結構形式，利用軸對稱條件［12］對其簡化，膠筒的結構和有限元網格劃分如圖1所示。上、下2個膠筒長度均為80 mm，橡膠材料，外層包絡1層紫銅，紫銅厚度為2 mm，膠筒采用50°傾角，直邊長8mm，斜邊長11 mm，直邊與斜邊比為0.73。

圖1 改進型封隔器結構及網格劃分

封隔器在進行有限元分析時，有3種不同性能的材料：膠筒為橡膠材料，屬高度非線性復合材料［13］；外包絡紫銅；隔環、中心管、套管為金屬材料。

膠筒需要用單軸拉伸、等雙軸拉伸、剪切試驗得到的橡膠材料試驗數據進行超彈性材料曲線擬合，進而選擇合適的超彈性材料模型。本文采用超彈性材料模型——Mooney Rivlin模型［14］計算，根據經驗公式確定模型參數：超彈性材料 Mooney Rivlin常數C10＝1.87，C01＝0.47；密度為1 500kg／m3。Abaqus中默認超彈性材料不可壓縮，默認泊松比為0.475［15］。

紫銅材料密度為7 830kg／m3，彈性模量1.19×105MPa，泊松比0.36。金屬材料密度7 850kg／m3，彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.3。

膠筒采用4節點CAX4RH單元劃分網格，中心管、套管和隔環采用CAX4R劃分網格。

考慮接觸時的摩擦因數，橡膠自接觸以及橡膠與隔環、橡膠與套管之間的接觸摩擦因數取為0.3，隔環與中心套管之間的摩擦因數定為0.1。

約束條件：模型最下面隔環、中心管下端、套管下端節點施加豎直方向的約束；套管外層施加水平方向的約束。

施加載荷：最上面剛性隔環上施加坐封力，為均布壓力作用。

2 有限元軟件模擬及結果分析

橡膠屬于高度非線性復合材料，在連續介質力學中將橡膠材料稱作超彈性材料，因此用非線性有限元分析軟件Abaqus進行非線性分析［16］；計算時取工作壓力為5、10、15、20、25、30MPa，采用逐步加載的方式進行迭代計算［17］。膠筒變形及Von Mises應力云圖如圖2～3所示。

由分析結果可知：隨著軸向載荷增大，軸向壓縮量也增大，開始時壓縮量增大較明顯，隨后壓縮量增大變緩，膠筒變形趨于穩定；隨著坐封力的增大，膠筒與套管接觸長度逐漸增加。膠筒外表柱面部分徑向變形受限制，膠筒內表面變形如外表一樣向外鼓，當載荷增加時膠筒被壓扁并在最后壓實。但由于結構限制，只有上膠筒能夠被壓實。在工作壓力為30 MPa時，上膠筒基本完全壓實，膠筒上端出現輕微肩突，但未發生膠筒割裂現象，肩突在允許范圍之內。

圖2 封隔器膠筒應力云圖

圖3 膠筒接觸應力分布

由圖2～3可知：工作壓力為30MPa時，上膠筒最大接觸應力為25.5MPa，下膠筒最大接觸應力為5.4MPa，上膠筒的接觸應力為下膠筒的4倍多，因此上膠筒起主要坐封作用。

3 改進型封隔器較常規封隔器的優勢分析

3.1 結構

改進型封隔器與常規封隔器在結構模型上的區別在于：改進型封隔器為上、下2個膠筒，且橡膠外面包絡1層厚2mm的紫銅。兩膠筒較之于三膠筒一方面節省了材料，另一方面因為上下膠筒為同結構膠筒，而減少了制造工藝，同時也使封隔器結構簡單，裝配簡化。

3.2 密封性能

封隔器密封性能的好壞，關鍵在于膠筒與套管內徑之間接觸應力的大小。在同樣的坐封力下，接觸應力越大，密封性能越好。

施加工作壓力5～30MPa時，分別對兩者接觸應力進行比較，如圖4所示。

通過比較發現：在軸向距離較小時，常規膠筒的接觸應力略大于改進型膠筒，這是因為紫銅材料的硬度大于橡膠；當軸向距離增大，紫銅隨著橡膠被壓縮直到被壓實緊貼在套管內壁，接觸應力就遠大于常規膠筒，密封性能也就更好。

圖4 2種封隔器上膠筒接觸應力分布

改進型封隔器工作壓力為25MPa時，上膠筒的最大接觸應力超過20MPa，而常規的封隔器在相同的條件下，接觸應力≤14MPa；工作壓力為30 MPa時，常規封隔器只有18MPa的接觸應力，而改進型封隔器的接觸應力可以達到25MPa，因此改進型封隔器有一定的可行性。

3.3 不等長雙膠筒封隔器的設計分析

對于改進型的雙膠筒的封隔器，當2個膠筒不等長，上膠筒采用原設計長度80mm，下膠筒采用70mm。施加工作壓力5、10、15、16MPa時，膠筒應力云圖如圖5所示。由圖5可知：所設計的這種封隔器最多只能承受16MPa的軸向力，沒有等長度膠筒所承受的力大，但卻比其壓縮得好。在10 MPa的軸向力下，上膠筒已經完全壓實，到15MPa時，下膠筒基本已經壓實。

圖5 不等長膠筒應力云圖

改進型封隔器膠筒接觸應力分布如圖6所示，可知：這種上、下膠筒不等長的改進型封隔器在16 MPa的軸向壓力下，其接觸應力已高達28MPa，比膠筒等長度時大很多，密封性能也較之更好。因為此種結構的封隔器所承受的軸向壓力最多只有16 MPa，如果工作條件限制在16MPa以內，采用這種結構密封更好一些；但如果軸向力要求較高，則應該選用等長度的雙膠筒型封隔器，其密封性能也很可靠，而且加工更簡單一些。

圖6 改進型封隔器膠筒接觸應力分布

4 結論

1） 將傳統的三膠筒結構減少至雙膠筒，在節省材料的同時減少了制造工藝，也使封隔器結構簡單，裝配簡化。

2） 上膠筒與套管壁接觸應力為下膠筒的4～5倍，起主要密封作用。

3） 通過比較發現，改進型雙膠筒結構接觸應力遠大于常規膠筒，密封性能也更好。改進型封隔器有一定的可行性。

4） 上下膠筒不等長的雙膠筒結構，最大只能承受約16MPa的工作壓力，但是其接觸應力較等長結構大，因此工作壓力≤16MPa時，采用不等長結構密封效果更好。

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