封隔器金屬密封元件設計及密封特性研究*

(江蘇科技大學機械工程學院 江蘇鎮江 212003)

隨著石油勘探和油田開采產業的持續發展，油田的開采對象逐漸轉向高溫高壓并伴有腐蝕的深井，在這種工況下，傳統封隔器的密封膠筒易受到破壞，導致密封失效,十分影響油田的生產效益[1]。21世紀初，金屬密封技術被首次應用于井下管柱環空密封，后續國內外學者都進行了相關的研究。在國外，Baker Hughes、Caledyne和Owen等公司對井下金屬密封技術的研究起步較早,且研究較為深入，但對于密封元件結構的描述不甚清楚。相比于國外，國內在這方面的研究較少，且不夠深入。劉合、胡玉志、安少云等[2-4]研制了楔形擴張式的金屬密封元件，并進行了測試試驗，驗證了封隔器金屬密封的可行性。崔曉杰、尚曉峰等[5-6]針對井下工況設計了壓縮擴張式的金屬密封元件，并進行了密封承壓性能測試試驗，驗證密封元件滿足使用要求。

上述研究雖然都設計了相應的金屬密封元件并進行了相關驗證，但并未對影響密封元件性能的相關因素進行深入研究，尤其是密封元件的結構參數。而密封元件的密封性能主要通過密封承壓能力來評價，其密封承壓能力直接與密封面的接觸應力相關，接觸應力越大，密封面的變形越大，泄漏通道越小，開啟泄漏通道的介質壓力越大，密封承壓能力越好[7-8]。本文作者設計了一種用于封隔器的新型金屬密封元件，建立了密封元件的數值模型，并分析金屬密封元件的結構參數對其密封性能的影響，對封隔器金屬密封元件的設計有一定的指導意義。

1 金屬密封元件的設計與密封原理

1.1 金屬密封元件的設計

目前的封隔器金屬密封元件主要分為楔形擴張式和壓縮擴張式2種類型。文中設計了一種壓縮擴張式的封隔器金屬密封元件，密封元件主要包括軸向承壓環和徑向膨脹環兩部分，并在二者之間設置卸載槽。密封元件的承壓環用來承受軸向推力，并保護密封元件的徑向膨脹環不受軸向力破壞，在軸向推力的作用下，徑向碰撞環會沿徑向擴張，與套管接觸進而實現密封。

壓縮式封隔器可以為其中的密封機構提供軸向推力，密封機構必須在軸向推力的作用下進行徑向擴張并實現封隔環空。根據這一使用特點并結合深井下高溫高壓(120 ℃，50 MPa)工況，文中采用NiTi合金材料設計了一種金屬密封元件，其結構剖面如圖1所示。

圖1 密封元件結構剖面

該密封元件主要包括2個部分：軸向承壓環和徑向膨脹環，二者之間設有卸載槽。圖1中b為軸向承壓環的截面寬度(文中簡稱承壓環寬度)，h為軸向承壓環截面高度(文中簡稱承壓環高度)，R1為徑向膨脹環半徑(文中簡稱膨脹環半徑)，R2為徑向膨脹環截面拱形半徑(文中簡稱拱形半徑)，t為徑向膨脹環截面拱形厚度(文中簡稱拱形厚度)，r為卸載槽半徑。圖2所示是密封組件剖視圖，當密封元件受到密封組件中的上、下壓環擠壓后，徑向膨脹環會沿徑向進行膨脹擴張，實現封隔環空。

圖2 密封組件

1.2 金屬密封元件的密封原理

金屬對金屬的密封過程在宏觀上表現為密封金屬面之間的接觸和擠壓；從微觀上來講，是金屬密封面之間微小間隙的填補過程。金屬密封的泄漏方式主要是流體的穿漏，要想實現無泄漏密封，需要密封面形成微觀上連續接觸的密封環，而且密封環的接觸應力要大于或等于管柱內的流體壓力。由于金屬密封面是粗糙的表面，故其表面有許多波峰和波谷，在密封面剛接觸時，只有少量的波峰相互接觸，若要實現密封，需要讓密封面的接觸應力至少達到密封材料屈服極限的2～3倍，只有當密封材料表面發生塑性流動并填補密封面之間的微小間隙，才能實現密封[8-9]。由于文中使用的密封元件材料為NiTi合金，屈服極限較大，為了實現更好的密封效果，在密封元件的有效密封區域鍍了一層軟金屬銀[10](銀的屈服極限為30 MPa[11])，鍍層厚度為0.05 mm。

2 數值模型的建立

2.1 幾何模型簡化

采用Inventor建立密封組件的幾何模型，其結構如圖2所示。為了節省計算機資源，提高計算速度，將圖2中的結構進行合理地簡化：由于幾何模型是同軸的，故取模型的1/20進行分析計算；因鍍層對結構無影響[12]，故簡化掉鍍層金屬。

2.2 材料屬性

文中選用的密封元件的材料為具有超彈性的NiTi合金，在Ansys workbench中選用Auricchio[13-14]的材料本構模型進行模擬，本構模型中的各參數值取自120 ℃下的NiTi合金材料拉伸試驗的結果[15]，并假設該材料具各向同性和拉壓對稱性。各參數值如表1所示。

表1 材料力學性能

2.3 網格劃分與邊界條件

為了提高計算速度，在該模型中套管、中心管、上壓環和下壓環以近似剛體處理，即這些零件的彈性模量設成較大值，并且用3.2 mm的單元尺寸進行網格劃分。密封元件是核心零件，劃分網格時要細密一些，文中模型中以0.7 mm的單元尺寸對密封元件進行網格劃分。密封組件的有限元網格模型如圖3所示。

圖3 密封組件的網格模型

在密封元件、套管、中心管、上壓環和下壓環的對稱面上施加法向約束，同時在下壓環、套管和中心管的底面也施加法向約束來限制模型軸向移動，并設定上壓環沿Y軸負向下壓位移為4.2 mm。密封元件與套管、中心管、上壓環、下壓環4個零件之間設為摩擦接觸，摩擦因數為0.15。

3 密封元件密封性能影響因素分析

針對承壓環寬度b、承壓環高度h、膨脹半徑R1、拱形半徑R2、拱形厚度t和卸載槽半徑r等(各參數標注見圖1)結構參數運用單因素分析法對金屬密封元件密封性能的影響進行分析，各結構參數的變化范圍根據密封元件在封隔器中的實際裝配尺寸以及套管尺寸(套管型號為N-80)而選定，密封元件及其組件的關鍵尺寸如表2所示。

表2 密封元件及其組件結構參數

在實際使用中，密封元件密封性能的好壞主要用其密封承壓能力來評價，而密封承壓能力與密封面的接觸應力直接相關，故可以用接觸應力來對其評價[3-6]。但只使用接觸應力進行評價，不能體現密封元件的整體受力情況，故文中采用密封元件的最大應力S、坐封力F(換算成完整模型后的值)和接觸應力Sc(密封元件與套管間接觸應力)3個指標對其密封性能進行評價。

3.1 承壓環寬度

如圖4所示，隨著承壓環寬度b的增大，密封元件的坐封力F和接觸應力Sc非線性增加，其最大應力S先減小后增大。當b≤11.5 mm時，密封元件受壓發生失穩，致使密封元件局部應力過大;隨著b的增大，密封元件受到失穩效應的影響逐漸減弱；當b≥11.5 mm時，密封元件不再失穩，最大應力S逐漸增大。因此，適當增大b不僅可以消除失穩，提高穩定性，同時還可以獲得更大的接觸應力Sc，提高密封效果。

圖4 密封性能與承壓環寬度關系曲線

3.2 承壓環高度

如圖5所示，密封元件的最大應力S、坐封力F和接觸應力Sc基本不隨承壓環高度h的變化而變化，因此h對密封元件的密封性能影響不大，但出于對結構穩定性考慮，h應適當偏大一些。

圖5 密封性能與承壓環高度關系曲線

3.3 膨脹環半徑

如圖6所示，隨著膨脹環半徑R1增大，最大應力S和坐封力F都呈非線性增加,且當R1≥59.6 mm時，二者增長迅速，且接觸應力Sc大于0，并隨著R1增大而增大。R1越大，接觸應力Sc越大，密封承壓效果越好，但同時坐封力F和最大應力S也快速增加，導致坐封困難、密封元件產生較大塑性變形，不利于密封元件的密封和重復使用，所以R1不宜過大。

圖6 密封性能與膨脹環半徑關系曲線

3.4 拱形半徑

如圖7所示，最大應力S和坐封力F隨拱形半徑R2非線性增加；接觸應力Sc隨R2非線性減小。R2的增大不利于密封元件的徑向變形，同時最大應力S和坐封力F也會隨之增大。R2越小，最大應力S和坐封力F越小，接觸應力Sc越大，故在滿足密封要求的條件下，R2應盡可能取小值。

圖7 密封性能與拱形半徑關系曲線

3.5 拱形厚度

如圖8所示，隨著拱形厚度t的增大，最大應力S先減小后增大。當t≤2.5 mm時，密封元件強度不足而發生失穩，導致局部應力集中；隨著t的增加，失穩逐漸減弱，當t≥2.5 mm時，失穩消失，且最大應力S、坐封力F和接觸應力Sc基本呈線性增加。故t=2.5 mm是理想點，設計時t值應在其左右選擇。

圖8 密封性能與拱形厚度關系曲線

3.6 卸載槽半徑

如圖9所示，當卸載槽半徑r≤3.6 mm時，隨著r的增大，最大應力S逐漸減小，坐封力F近似呈線性遞減，接觸應力Sc呈非線性減小。

圖9 密封性能與卸載槽半徑關系曲線

所以在r≤3.6 mm時，增大r能夠有效降低應力集中，且r越大，效果越明顯，但接觸應力Sc也隨之減小，不利于密封。而拱形厚度t的增大能夠有效提高接觸應力Sc，在增大r的同時可考慮增大拱形厚度t來提高接觸應力Sc，同時還能增加密封元件的穩定性。

4 結論

(1)設計一種壓縮擴張式的封隔器金屬密封元件，密封元件主要包括軸向承壓環和徑向膨脹環兩部分，并在二者之間設置卸載槽。

(2)從密封性能隨密封元件結構參數的變化趨勢來看，密封元件的最大應力S隨膨脹環半徑R1和拱形半徑R2單調增加，隨承壓環寬度b、拱形厚度t和卸載槽半徑r先減小后增大；密封元件的坐封力F隨著承壓環寬度b、膨脹環半徑R1、拱形半徑R2和拱形厚度t單調遞增，隨卸載槽半徑r單調遞減；密封元件的接觸應力在大于0的情況下隨承壓環寬度b、膨脹環半徑R1和拱形厚度t非線性增大，隨拱形半徑R2和卸載槽半徑r非線性減小；密封元件的結構參數承壓環高度h對接觸應力和坐封力幾乎無影響，但出于穩定性考慮，承壓環高度值的選取應適當偏大一些。

(3)從密封元件結構參數對密封性能指標的影響程度來看，拱形半徑R2和拱形厚度t對密封元件的最大應力S的影響較大，其中拱形半徑R2的影響更為顯著；承壓環寬度b、拱形半徑R2和拱形厚度t對密封元件的坐封力F的影響較大，其中拱形厚度t的影響更為顯著；承壓環寬度b、拱形半徑R2、拱形厚度t和卸載槽半徑r對密封元件的接觸應力的影響較大，其中拱形厚度t的影響更為顯著。在密封元件的設計過程中，應著重考慮拱形半徑R2和拱形厚度t對密封元件的影響，適當減小拱形半徑R2或增大拱形厚度t可以有效提高密封元件的密封性能。