外壓檢測裝置密封膠芯偏心距優選有限元分析

徐新河

（長慶油田第六采油廠，陜西定邊718606）

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外壓檢測裝置密封膠芯偏心距優選有限元分析

徐新河

（長慶油田第六采油廠，陜西定邊718606）

摘要：以外壓檢測裝置密封膠芯為研究對象，通過對防噴器閘板膠芯的密封原理研究，建立膠芯密封過程的非線性大變形有限元仿真模型，根據仿真結果，對密封膠芯的重要結構參數——偏心距進行優選。結果表明：偏心距越大，膠芯的等效應力越大，接觸應力也越大，最大接觸應力主要分布在膠芯的圓弧部分；偏心距越大，膠芯圓弧部分和平面部分的接觸應力不均勾性增大；優選偏心距e 為0.5mm。

關鍵詞：外壓檢測；密封膠芯；偏心距；優選

保證套管連接密封性能的關鍵是判定和檢驗套管連接是否合格。在下套管過程中，依次對套管連接部位進行氣密封檢測，才能直接驗證密封的合格性，因此在線檢測套管接連密封性方式開始被重視［1-3］。外壓檢測套管螺紋密封裝置確保檢測準確性的前提是環形密閉空間具有可靠的密封性，如果檢測裝置創造的環形密閉空間的密封性得不到保障，即環形密封空間本身就存在泄漏的可能性，后續對套管螺紋密封的檢測也就無從談起。因此，密封膠芯具有較好的密封性是裝置設計中的關鍵技術。

1 外壓檢測膠芯密封原理

不同于閘板膠芯，外壓檢測密封膠芯分為正面密封面和背面密封面，密封面要滿足一定的接觸應力。正面密封面包括套管密封面、接箍密封面和膠芯平面密封面，背面密封面主要是膠芯背部與閘板之間的密封。不同接觸面和同一接觸面的不同部位在連續區域的接觸應力都要大于內部檢測壓力，且應盡量分布均勻，不僅有利于提高密封可靠性，更能夠提高膠芯的使用壽命。

設外壓檢測膠芯正面密封面和背面密封面連續密封區域的最小接觸應力為pmin，內部檢測氣體壓力為pq，為滿足密封要求，有

式（1）是滿足密封要求的基礎，同時還應滿足膠芯最大等效應力盡量小，保證膠芯不失效。另外，較優的密封結構應滿足最大接觸應力和最小接觸應力的差值盡量小，以提高膠芯的壽命。

基于閘板防噴器的膠芯特點，結合需要滿足的密封條件，設計的密封膠芯如圖1所示，其中：區域A是密封套管的圓弧部分；區域B是密封接箍的圓弧部分；區域C是密封兩膠芯間的平面部分；區域D是背面密封鬧板圓弧部分；區域E是背面密封閘板平面部分。只有正面和背面密封區域的接觸應力都達到要求時，才能實現膠芯的可靠密封。

圖1　密封膠芯的結構

2 膠芯有限元模型的建立

本文采用ABAQUS/Standard求解器進行求解。本文涉及的密封接觸屬于大變形接觸問題，存在材料的非線性、邊界條件非線性以及幾何非線性［4-5］。為使非線性接觸問題的復雜性變得簡單化，同時提高分析的效率，做以下假設：

1） 材料行為各向同性，忽略材料在制造過程中可能出現的不均勻性。

2） 密封接觸之間存在固定的摩擦因數。

3） 密封膠芯是重點研究對象，模型關于平面對稱，因此為減少計算量，提高模型收斂的可能性，建立1/2模型。

膠芯與套管接箍接觸密封的有限元模型如圖2所示，套管外徑127mm（5英寸），壁厚為12.14mm，接箍外徑141.3mm。由于仿真模擬中套管和接箍的連接不是重點研究對象，為簡化模型減小計算量，不對套管和接箍的連接進行精確建模，因此將兩者的連接模型簡化為一個整體。

以膠芯結構的主要尺寸為基礎，忽略次要因素影響，對模型做必要的簡化，在不影響計算精度的情況下，提高模型的計算效率。橡膠和墊鐵通過硫化工藝成型，可以簡化一個整體，為減少接觸對，便于分析收斂。橡膠和墊鐵設置為一個部件，在建模過程中通過劃分塊區別出橡膠和墊鐵。

圖2　有限元模型

在建模過程中簡化模型，忽略倒角等形狀特征對劃分網格的影響，對部件分塊后，采用8節點六面體單元C3 D8 R H劃分，并對橡膠大變形部位進行網格細化。網格劃分采用掃掠網格劃分技術，算法為M edialA xis算法，得到了質量較好的網格。套管接箍剛度大，網格尺寸設置較大。膠芯和套管的網格劃分模型如圖3所示。

圖3　模型的網格劃分

3 偏心距參數的優選

偏心距是整個結構中的重要尺寸參數，本文針對偏心距e＝0、0.5、1.0、1.5mm 4種情況，利用有限元仿真分析偏心距對密封性能的影響，優選出適合于外壓檢測密封膠芯的偏心距。偏心距為0、0.5、1.0、1.5mm 4種情況下的Mises應力云圖如圖4。

由圖4可以看出：隨著偏心距e的增加，膠芯的等效應力隨之增加；最大等效應力的位置都在墊鐵上，位于墊鐵圓弧面和平面的交界處，這是由于膠芯在抱緊后擠膠量增加，在墊鐵圓弧面和平面的交界處，墊鐵同時承受著圓弧部分和平面部分橡膠的擠壓，導致此處等效應力最大；橡膠的等效應力在墊鐵圓弧面和平面的交界處以及圓弧部分相對較大，圓弧部分較大的等效應力分布在圓弧面上下部位，成2條帶狀分布。因此，對于密封膠芯，較大的偏心距增大了膠芯的變形受力，會影響膠芯的壽命。

圖4　Mises應力云圖

圖5為不同偏心距情況下模型中膠芯表面的接觸應力云圖，接觸應力是判斷該密封件是否能實現密封的關鍵因素。

圖5　不同偏心距下膠芯表面接觸應力云圖

由圖5可以看出：在初步設計的尺寸參數下，不論有無偏心距，膠芯的最大接觸應力都在圓弧面處；隨著偏心距的增加，最大密封接觸應力增加；偏心距每增加0.5mm，最大接觸應力按20MPa的幅度增加；無偏心距時，圓弧部分的接觸應力分布較為均勻，但是比平面部分接觸應力大10MPa；存在偏心距時，圓弧部分的接觸應力分布開始不均勾，最大接觸應力主要位于圓弧面的上下邊緣部分，上下呈梭形帶狀分布。

密封膠芯達到密封要求，需滿足：

1） 連續區域接觸面的最小接觸應力等于或大于內部檢測壓力。

2） 接觸應力分布連續且均勻。

3） 接觸應力具有一定的接觸面積。

由于模型是三維模型，為了更準確地分析不同偏心距下膠芯各部位徑向和軸向的接觸應力情況，按如圖6所示的路徑對膠芯密封面的接觸應力情況做詳細分析。圖6為膠芯的1/2模型，密封套管路徑1-1、1-2、1-3；密封接箍路徑2-1、2-2、2-3；密封側面軸向路徑3-1。

圖6　接觸應力路徑

4組不同偏心距下，膠芯密封套管圓弧面1-1處、1-2處的接觸應力如圖7所示，可以看出：隨著偏心距的增加，密封套管1-1處和1-2處的接觸應力都增大；同一偏心距下，1-1處的接觸應力大于1-2處的接觸應力；1-1處接觸應力呈2個波峰狀分布不均，1-2處接觸應力分布較均勻。

1） 當e＝0mm時，1-1處和1-2處的接觸應力都相對較小，最大接觸應力20.8MPa出現在1-1處，最小接觸應力8.3MPa位于1-2處，兩者相差12.5MPa。圓弧部分的接觸應力在軸向分布相對均勻。

2） 當e＝0.5mm時，最大接觸應力為35MPa，最小接觸應力為17MPa，兩者相差18MPa，在1-1處開始出現2個波峰狀態。

3） 當e＝1.0mm時，最大接觸應力為54.5MPa，最小接觸應力為19.3MPa，兩者相差35.2MPa。

4） 當e＝1.5mm時，1-1處的最大接觸應力陡增，特別是2個波峰處，最大接觸應力達到70.1MPa，最小接觸應力為27.8MPa，兩者相差42.3MPa。

圖7　膠芯密封套管圓弧面軸向接觸應力分布

膠芯密封接箍圓弧2-1處、2-2處的接觸應力分布如圖8所示。密封接箍處的軸向應力分布趨勢與密封套管處的趨勢基本相同。偏心距增大，接觸應力增大，最大接觸應力均位于2-1處，最小應力位于2-2處。

1） 當e＝0mm時，2-1和2-2處的接觸應力接觸應力較小，最大和最小接觸應力分別為24.7MPa和8.4MPa，兩者相差16.3MPa。膠芯密封接箍圓弧面處接觸應力分布相對均勻。

2） 當e＝0.5mm時，最大和最小接觸應力分別為40.6MPa和15.0MPa，兩者相差25.6MPa，圓弧面處接觸應力分布開始出現不均勻性。尤其是2-1處，接觸應力幵始出現2個波峰狀。

3） 當e＝1.0mm時，接觸應力顯著提高，最大和最小接觸應力為65.2MPa和19.2MPa，兩者相差45.7MPa。

4） 當e＝1.5mm時，最大和最小接觸應力為85.3MPa和21.6MPa，兩者相差63.7MPa。

圖8　膠芯密封接箍圓弧面軸向接觸應力分布

對比圖7～8可以看出：同一偏心距下，膠芯密封套管圓弧部分和接箍圓弧部分的軸向接觸應力分布情況是相似的，膠芯密封接箍圓弧部分2-1處比密封套管圓弧部分1-1處的接觸應力大，在1-2處和2-2處接觸應力大小差別不大；隨著偏心距的增大，膠芯密封套管圓弧部分和膠芯密封接箍圓弧部分的接觸應力增大，最大接觸應力和最小接觸應力的差值增大，圓弧部分的不均勻性更顯著。

路徑1-3（2-3）處是考慮接觸應力在圓弧部分周向和平面部分徑向的整體分布趨勢，膠芯密封套管圓弧和平面部分的整體接觸應力如圖9所示，分析可知：圓弧對稱面處接觸應力最大，接觸應力沿著圓弧面成拋物線下降直至圓弧與平面交界處；圓弧部分和平面部分的交界處是整個路徑中接觸應力最小的部位；膠芯密封套管平面處的接觸應力分布均勻；隨著偏心距的增加，圓弧部分和平面部分的接觸應力整體增加，偏心距越大，圓弧部分的接觸應力曲線坡度越大，接觸應力的不均勻性更加顯著。

圖9　膠芯密封套管圓弧和平面接觸應力

膠芯密封接箍圓弧和平面部分的整體接觸應力如圖10所示，可以看出：偏心距越大，整體接觸應力增大，圓弧部分的接觸應力不均勻性顯著，平面部分的接觸應力分布較均勻。

圖10　膠芯密封接箍圓弧和平面接觸應力

軸向側面的密封是膠芯密封套管和接箍在平面部分的連接部位，可能由于膠芯密封套管和接箍的變形不一致而導致接觸應力分布不均。具體的接觸應力情況如圖11所示：同一偏心距下，軸向側面的接觸應力分布均勻，偏心距增大使得接觸應力相對增大；在整個正面密封中，軸向側面接觸應力相對較小，與膠芯密封套管和接箍平面部分的接觸應力相當。

綜上所述，偏心距e＝0mm時接觸應力分布均勻，但接觸應力較小，且考慮到需要存在一定的偏心距可保證不出現密封膠芯半徑差為0的情況，因此應該具有一定的偏心距。偏心距分別為1.0、1.5mm時，Mises應力較大，接觸應力的分布不均勻性很顯著，最大接觸應力均超過了所需的接觸應力，而最小接觸應力卻沒有達到需求值。因此，選用e＝ 0.5mm作為膠芯的偏心距參數值。

圖11　膠芯密封軸向側面的接觸應力

4 結論

1） 偏心距增加，膠芯密封面的接觸應力整體增加，膠芯的Mises應力增大，較大的偏心距使膠芯的變形受力增大，對膠芯的壽命不利。

2） 同一偏心距下，密封圓弧部分的接觸應力分布不均，平面部分和軸向側面部分接觸應力相對均勻。

3） 偏心距對接觸應力分布的不均勻性有比較顯著的影響，小偏心距下密封接觸應力的分布較均勻，大偏心距下接觸應力在圓弧部分增加幅度大，膠芯整體的接觸應力分布不均勻性顯著增加。

4） 優選e＝0.5mm作為膠芯的偏心距參數值。

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試驗研究

External Pressure Detection Device Packing Unit Offset Optimization of Finite Element Analysis

X U Xinhe
（No.6 Production Plɑnt，Chɑngqing Oilfield，Dingbiɑn 718606，Chinɑ）

Abstract：Pressure detection device outside packing unit for the study，through the blow out preventer seal plastic core principles，rubber core model of nonlinear finite element simulation was established for large deformation of the sealing process，according to the simulation results，the packing unit-an im portant structural parameters optimization of eccentricity. Results showed that greater eccentricity，equivalent stress the larger rubber core，bigger the contact stress，maximum contact stress distribution in circular part of the plastic core；eccentricity larger circular plastic core parts and flat parts of uneven contact stress increase；select the offset e＝0.5mm.

Key Words：pressure testing；packing unit；eccentricity；optimize

作者簡介：徐新河（1977-），男，河北邢臺人，工程師，主要從事采油機械、鉆井設備及油田數字化設備的設計、制造工作。

收稿日期：2015-07-26

文章編號：1001-3482（2016）01-0051-05

中圖分類號：T E931.1

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.01.012