基于ANSYS的閘板防噴器密封性能有限元分析

王仕強，俞嘉敏，3，王小梅，馮曉輝，3，楊 齊，程 玲

（1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司安全環保質量監督檢測研究院，四川 廣漢 618300；2.四川科特檢測技術有限公司，四川 廣漢 618300；3.四川宏大安全技術服務有限公司，四川 廣漢 618300）

在石油鉆井工程中，為避免鉆井井噴失控事故發生，一般都需要在鉆井的井口上安裝一套鉆井井控裝置，閘板防噴器是井控裝置核心部件之一[1]。防噴器的密封性是防噴器正常工作的重要指標，而在使用過程中防噴器結構上產生的各種缺陷可能對防噴器密封性能產生不利影響，降低使用壽命。造成防噴器密封失效的原因較多，其中腐蝕磨損已經成為防噴器密封失效的一個重要原因[2]，因此開展不同缺陷尺寸對防噴器密封性能的研究具有積極意義。王禮翔等[3]針對閘板防噴器膠芯密封問題，對比研究了不同液壓力和井筒壓力對膠芯密封的影響。肖力彤等[4]通過建立防噴器側門的三維模型，分析了側門密封圈應力應變情況，為驗證設計的可靠性、合理性提供理論基礎。唐洋等[5]對閘板防噴器四大密封部位的結構、密封原理和失效形式進行分析，為閘板防噴器密封的優化設計以及現場維修提供了參考。

本文針對雙閘板防噴器結構，通過建立防噴器頂密封三維有限元分析模型，考慮了運行期間的載荷，利用ANSYS軟件對頂密封部位的密封性能進行了分析，獲得了含不同尺寸磨損腐蝕的頂密封部位接觸壓力的分布特性。研究成果能夠有效保障防噴器的安全運行，并為防噴器維修和再制造提供了一種新思路。

1 閘板橡膠材料本構模型

閘板常用的橡膠材料是丁腈橡膠。本文在90℃的工況下通過試驗測定橡膠材料的力學性能，采用一階Ogden超彈性材料本構模型，對橡膠材料的單軸拉伸、壓縮試驗數據進行擬合，獲得橡膠材料的本構參數。

Ogden超彈性本構模型是基于連續介質力學理論，直接采用主伸長比為自變量，以級數形式表述應變能密度函數，在有限元軟件中應變能的形式如式（1）所示：

2 有限元分析模型的建立

2.1 幾何結構及有限元建模

頂密封連接結構主要通過閘板與閘板腔的壓緊力來擠壓位于閘板環槽內的橡膠圈，使得橡膠圈與閘板環槽和閘板腔緊密接觸，從而產生密封效果。由于該結構中橡膠圈變形較小，需要通過體積壓縮方式產生較大接觸壓力，而橡膠材料本身屬于不可壓縮材料，因而對求解的收斂性產生較大的困難。本文采用簡化模型的形式開展計算，模型采用Solid186單元對頂密封部位結構進行網格劃分，有限元網格自由度為4.4萬，該有限元模型如圖1所示。

圖1 頂密封連接部位結構有限元模型

對于該模型，需要通過約束來模擬閘板環槽對橡膠圈的空間位移限制，這類約束包括：橡膠圈與閘板腔接觸面對側的面上施加z方向位移約束；橡膠圈內、外側面上施加徑向約束；橡膠化周向截斷面上施加周向約束。此類約束的約束區域如圖2所示。

圖2 橡膠圈空間位移的約束區域

2.2 材料參數及本構模型

閘板防噴器各部件材料參數匯總見表1。

表1 閘板型防噴器各部件材料參數表

閘板和防噴器殼體結構的材料本構模型選用線彈性模型。對于橡膠結構本構模型選用Ogden一階本構模型，本構模型中的材料參數取為μ1=2.064 7 MPa，α1=2.614 1，d1=0 MPa-1。

3 有限元分析結果

3.1 無缺陷頂密封性能有限元分析

對閘板-閘板腔連接結構有限元模型進行非線性求解（70 MPa工作壓力下）。頂密封連接部位結構等效應力分布如圖3所示，接觸區域最大等效應力不超過40 MPa。頂密封連接結構中橡膠環與閘板腔之間的接觸壓力分布如圖4所示。接觸區域最大接觸壓力為42.9 MPa，平均接觸壓力為41.6 MPa。

圖3 頂密封連等效應力云圖

圖4 橡膠圈與閘板腔之間的接觸壓力云圖

3.2 閘板腔頂部腐蝕缺陷對密封性能的影響

3.2.1 腐蝕缺陷有限元計算

閘板腔頂部腐蝕缺陷通過不同半徑的球形凹坑的方式進行表征。對含深度為2.0 mm、3.0 mm、4.0 mm、5.0 mm和6.0 mm腐蝕缺陷的頂密封結構有限元模型進行非線性求解，不同尺寸腐蝕缺陷對于整體結構在工作狀態下的等效應力影響很小，其中橡膠圈與閘板腔之間的接觸壓力分布分別如圖5所示。接觸區域最大接觸壓力分別為44.1 MPa、44.8 MPa、43.0 MPa、39.7 MPa和33.5 MPa，平均接觸壓力分別為40.2 MPa、38.4 MPa、35.8 MPa、31.9 MPa和27.6 MPa。

圖5 不同腐蝕磨損缺陷深度橡膠圈與閘板腔之間的接觸壓力云圖

3.2.2 腐蝕缺陷計算結果分析

當腐蝕磨損缺陷深度為0.0 mm（即無缺陷）、2.0 mm、3.0 mm、4.0 mm、5.0 mm和6.0 mm時，橡膠圈與閘板腔之間的最大接觸壓力和平均接觸和最小接觸壓力如圖6所示。

從圖6可以看出，當缺陷深度為2 mm、3 mm、4 mm時，橡膠圈與閘板腔之間的最大接觸壓力相比于無缺陷時的情況均略微上升，當缺陷為5 mm、6 mm時最大接觸壓力才比無缺陷時的情況更低，且隨缺陷深度增加呈現下降趨勢。當缺陷深度為5 mm和6 mm時，最大接觸壓力為39.7 MPa和33.5 MPa，相比于無缺陷時的最大接觸壓力42.9 MPa，下降7.5%和21.9%。從圖7可以看出，隨著缺陷深度增加橡膠圈與閘板腔之間的平均接觸壓力呈現下降趨勢。當缺陷深度為4 mm和5 mm時，平均接觸壓力為35.8 MPa和31.9 MPa，相比于無缺陷時的平均接觸壓力41.6 MPa，下降13.9%和23.3%，即當缺陷深度為5 mm時橡膠圈與閘板腔之間的平均接觸壓力下降已超過20%。

圖6 最大接觸壓力

圖7 平均接觸壓力

3.3 閘板腔頂部磨損缺陷對密封性能的影響

3.3.1 磨損缺陷有限元計算

整體磨損缺陷通過不同深度的弧形面與閘板腔底面區域相切的方式進行表征。整體磨損缺陷的深度通過制弧形面曲率來控制。對于含整體磨損缺陷的模型，對深度為3.0 mm、2.5 mm、2.0 mm、1.5 mm、1.0 mm、0.5 mm、0.4 mm、0.3 mm、0.2 mm、0.1 mm磨損缺陷的頂密封連接結構有限元模型進行非線性求解，經過300～400步迭代運算后計算收斂，其中橡膠圈與閘板腔之間的接觸壓力分布分別如圖8所示。接觸區域最大接觸壓力分別為0.26 MPa、0.36 MPa、0.52 MPa、0.91 MPa、4.38 MPa、23.2 MPa、26.9 MPa、30.9 MPa、34.9 MPa、38.6 MPa，平均接觸壓力分別為0.002 MPa、0.01 MPa、0.03 MPa、0.21 MPa、3.33 MPa、22.2 MPa、25.9 MPa、29.9 MPa、33.8 MPa、37.5 MPa。

圖8 不同整體磨損缺陷深度橡膠圈與閘板腔之間的接觸壓力云圖

3.3.2 磨損缺陷計算結果分析

當整體磨損缺陷深度為0.0 mm（即無缺陷）、0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm和3.0 mm時，橡膠圈與閘板腔之間的最大接觸壓力和平均接觸壓力如圖9和圖10所示。

從圖9可以看出，當存在整體缺陷時最大接觸壓力隨缺陷深度增加呈現下降趨勢。當缺陷深度為0.2 mm和0.3mm時，最大接觸壓力為34.9 MPa和30.9 MPa，相比于無缺陷時的最大接觸壓力42.9 MPa，下降18.6%和28.0%，即當整體缺陷深度為0.3 mm時橡膠圈與閘板腔之間的最大接觸壓力下降已超過20%。從圖10可以看出，當存在整體缺陷時平均接觸壓力隨缺陷深度增加呈現下降趨勢。當缺陷深度為0.2 mm和0.3 mm時，平均接觸壓力為33.8 MPa和29.9 MPa，相比于無缺陷時的平均接觸壓力41.6 MPa，下降18.8%和28.1%，即當整體缺陷深度為0.3 mm時橡膠圈與閘板腔之間的平均接觸壓力下降已超過20%。

圖9 不同整體缺陷深度最大接觸壓力

圖10 不同整體缺陷深度平均接觸壓力

4 結論

（1）綜合考慮腐蝕缺陷深度對最大接觸壓力和平均接觸壓力的影響，當腐蝕深度超過4.0 mm時，導致防噴器密封失效。（2）綜合考慮缺整體磨損陷深度對最大接觸壓力和平均接觸壓力的影響，當整體磨損深度超過0.2 mm時，導致防噴器密封失效。