水下井口連接器密封性能影響因素分析與優化*

劉書杰 孟文波 黃熠 劉和興 李磊 黃亮 趙蘇文

(1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司 2.中海油能源發展股份有限公司工程技術深水鉆采技術公司)

0 引 言

為了實現我國水下油氣生產系統的自主研發，中國海洋石油集團有限公司開展了水下油氣生產系統的相關技術研究。水下井口連接器作為連接高壓井口與水下采油樹、防止井內高溫高壓流體泄漏的關鍵設備，其承受著極其惡劣的載荷作用，因此對其密封性能有著較高的要求[1-2]。為確保密封性能的可靠性與安全性，井口連接器一般采用金屬-金屬密封，這也使其具有更廣的使用范圍[3]。VX密封圈是保證井口連接器密封的關鍵部件，其一旦發生泄漏，可造成井噴等安全事故[4]，因此分析其密封特性對水下采油樹的設計及水下生產系統的安全生產都具有重要意義。

目前，對水下井口連接器密封性能的研究已有報道。饒松海[5]對VX密封圈進行了跟蹤試驗與改進，探究了其密封原理。李志剛等[6]通過優化密封面角度，提出了一種新型金屬密封結構，有效降低了其安裝預緊力，并通過樣機試驗驗證了結構的優越性。王川等[7]通過建立三維有限元模型研究了各部件和參數之間的關系，探究了井口連接器在不同工作模式下的結構性能和密封性能。唐文獻等[8]通過建立井口連接器二維軸對稱模型，分析了其在預緊、生產和不同彎矩條件下的密封性能。曾威等[9]提出以密封接觸強度作為VX鋼圈密封性能的評價指標較接觸應力作為評價指標更準確。

以上研究為水下井口連接器的設計和應用提供了參考，但都未考慮內壓工況下流體滲透壓力對金屬-金屬密封的影響。鑒于此，筆者以自主研制的井口連接器為對象，考慮流體滲透壓力對VX鋼圈密封性能的影響，運用ABAQUS軟件分析了井口連接器在預緊和內壓工況下的密封性能，探究了預緊力、介質壓力、密封圈材料性能和結構參數對其接觸應力的影響規律，以期為其他類型水下井口連接器的密封結構設計提供依據。

1 連接器結構與工作原理

井口連接器主要由VX密封圈、鎖塊、驅動環、活塞和水下井口等構成[10]，結構如圖1所示。

1—導向塊；2—活塞；3—驅動環；4—上連接件；5—VX密封圈；6—密封圈固位機構；7—鎖塊；8—水下井口。圖1 井口連接器結構示意圖Fig.1 Structure of wellhead connector

安裝預緊時，液壓驅動活塞帶動驅動環向下擠壓鎖塊，使其與水下井口嚙合，實現鎖緊。解鎖時，在液壓作用下驅動環向上運動，釋放鎖塊，通過鎖塊之間的彈簧使鎖塊與水下井口的嚙合面分離，從而實現解鎖，其工作原理簡圖如圖2所示。

圖2 連接器工作原理簡圖Fig.2 Working principle of wellhead connector

為防止井口連接器在外載的作用下發生解鎖，鎖塊和井口的嚙合面具有自鎖功能，液壓系統無需一直保持液壓作用。

2 連接器數學模型建立

2.1 VX密封圈的結構與力學分析

目標井口為H-4型標準水下井口，內徑476.3 mm、外徑685.8 mm，在內壓工況下內部需要承受約34.5 MPa的介質壓力，最大鎖緊液壓為34.5 MPa，其配套VX密封圈的結構示意圖如圖3所示。相應的結構參數為：Dm=510.0 mm，h=101.6 mm，B=26.2 mm，b0=28.0 mm，α=23°。

圖3 VX密封圈的結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of VX seal ring structure

預緊工況下，鎖塊向下移動，帶動采油樹樹體，進而對VX密封圈進行預緊。根據文獻[11]，徑向壓縮量δ與軸向預緊力W0的關系式為：

(1)

接觸面應力q0與軸向預緊力W0的關系為：

(2)

式中：Dm為密封圈中徑，mm；b為接觸面平均寬度，mm；ρ為密封面與密封槽的摩擦角，當鋼與鋼接觸時，取ρ=8.5°[12]；α為鋼圈密封面錐角，(°)；ER為鋼圈的彈性模量，MPa；AR為鋼圈橫截面積，mm2。

因此，預緊工況下，軸向預緊力W0或徑向壓縮量δ對密封面的接觸應力具有決定性作用，且接觸應力與二者都成正比。

2.2 有限元模型

2.2.1 有限元網格模型

因VX密封圈的結構和受力都是軸對稱，為簡化運算，建立連接器-井口系統的二維軸對稱模型[13]。所有部件采用CAX4R網格單元類型，在網格劃分時，對密封圈錐面和密封槽接觸面進行網格加密，確保有限元分析的準確性。有限元簡化模型與網格模型如圖4所示。

圖4 井口連接器有限元模型Fig.4 Finite element model of wellhead connector

2.2.2 材料屬性

采油樹樹體、連接器和井口采用8630合金鋼材料，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.33。VX密封圈采用Inconel 625合金鋼材料，彈性模量為205 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為400 MPa。

2.2.3 分析步及加載邊界條件

本文根據實際情況設置預緊工況和內壓工況2個分析步，具體如下：第一個分析步模擬無介質壓力下的預緊壓縮，連接器預緊力施加在采油樹樹體上；第二個分析步施加介質壓力并配合壓力滲透進行模擬。介質加壓采用符合工況的壓力滲透加載方式。在ABAQUS/Standard模塊中模擬介質滲透密封接觸的表面，通過定義介質滲透“主、從面”的起始點，從該點開始沿接觸面開始滲透。在滲透過程中介質壓力始終垂直于接觸表面，當滲透到某一節點，該節點上的接觸壓力大于介質壓力時，滲透不再繼續，介質停留在該節點處，如圖5所示。這種加載方式可自動尋找介質滲透產生接觸對分離的臨界點，更準確地分析密封圈密封性能。

圖5 流體壓力滲透載荷施加Fig.5 Application of fluid pressure penetration load

金屬密封圈和密封槽摩擦面設置2個面接觸對，用罰函數定義切向行為，摩擦因數為0.15。

為了限制模型的整體大位移，對水下井口的下表面施加x、y方向的固定約束。采油樹樹體與井口和連接器設置為綁定約束。安裝預緊時，對采油樹樹體施加軸向預緊力，采油樹擠壓VX密封圈使其發生塑性變形，形成初步密封；內壓工況時，對水下井口、VX密封圈和采油樹樹體的內徑處施加均布介質壓力p(額定壓力的1.5倍，即p=51.75 MPa)。

2.3 密封判定標準

由GB/T 150—2010《壓力容器》[14]得到金屬-金屬密封的判定依據，取密封比壓λ為179.3 MPa，墊片系數m為6.5。判定標準為：安裝預緊時，金屬密封面接觸應力應大于密封比壓；內壓狀態下，金屬密封面接觸應力大于墊片系數m與內壓p的乘積則滿足密封要求，否則密封失效。

3 結果分析與討論

3.1 預緊力對密封性能的影響

圖6為預緊工況和內壓工況下密封圈接觸應力云圖。內壓工況下，密封圈下表面的接觸應力強度會稍大于上表面，其原因是隨著內壓的增加，密封圈發生了翹曲變形。

圖6 不同工況下密封圈接觸應力云圖Fig.6 Cloud chart of contact stress of sealing ring under different working conditions

通過ABAQUS軟件分析了預緊工況下預緊力與接觸面接觸應力的關系，并與式(2)的理論值進行對比，結果如圖7所示。由圖7可知，當預緊力較小時，即小于1 000 kN時，理論值與分析值接近，誤差較小，而隨著預緊力的增大，接觸應力增加緩慢且小于理論值。原因是理論計算時，采用的是彈性分析，假定密封圈為不變形的剛性體，而有限元分析中預緊初期密封圈與密封槽為環線性接觸，隨著預緊力的增大，接觸面積增大導致接觸應力有減小的趨勢，有限元計算考慮材料的塑性變形，結果更可靠。

圖7 軸向預緊力與接觸應力關系圖Fig.7 Relationship between axial preload and contact stress

圖8為內壓34.5 MPa時軸向預緊力與接觸應力的變化曲線。由圖8可知，內壓一定時，密封面接觸應力隨軸向預緊力的增大基本呈線性增加。圖7和圖8表明，軸向預緊力對VX鋼圈密封性能有顯著的影響，在保證結構強度的情況下，可以適當增大連接器的預緊力。

圖8 34.5 MPa內壓下預緊力與接觸應力關系圖Fig.8 Relationship between preload and contact stress with internal pressure of 34.5 MPa

3.2 內壓對密封性能的影響

圖9為軸向預緊力為1 853 kN時，接觸應力隨內壓的變化曲線。

圖9 預緊力1 853 kN時內壓與接觸應力關系圖Fig.9 The relationship between internal pressure and contact stress with preload of 1 853KN

由圖9可知：隨著內壓的增大，接觸應力先減小再增大，這是因為內部流體壓力作用于連接器內徑通道會產生一個向上的軸向載荷，從而抵消了一部分之前的軸向預緊力，此時接觸應力達到最小值；然后隨著內壓的繼續增大，密封圈被擠壓在密封槽接觸面，形成自緊式密封，接觸應力呈線性增加。

與密封判定標準mp值相比，接觸應力均大于mp值，連接器密封性能良好，但最終隨著內壓的繼續增加，mp直線將會與接觸應力曲線相交，此時密封將失效。

3.3 材料性能對密封性能的影響

VX密封圈的材料性能也是影響其密封性能的因素，通過添加真實應力應變數據，分別分析了304不銹鋼、316L不銹鋼和Inconel 625合金鋼3種材料在內壓工況下的接觸應力分布規律。圖10為軸向預緊力1 853 kN，內壓為51.75 MPa時不同材料的接觸應力云圖。

圖10 不同材料的密封圈接觸應力云圖Fig.10 Cloud chart of contact stress on sealing rings with different materials

由圖10可知，隨著材料屈服強度的增大，密封圈的有效接觸寬度減小，最大接觸應力增加。304不銹鋼的最大接觸應力為316.5 MPa，小于mp值336 MPa，因此可能產生了泄漏。316L不銹鋼的最大接觸應力雖小于Inconel 625合金鋼，但是已經滿足密封準則。密封圈在內壓工況下均已發生塑性變形，而產生塑性變形能更好地發揮其密封作用。密封圈為一次性易損件，長期多次使用會失去密封性能，而Inconel 625合金鋼價格較為昂貴。綜合以上因素，在滿足密封準則的要求下，采用316L不銹鋼作為VX金屬密封圈的材料更經濟。

3.4 結構參數對密封性能的影響

密封錐面的錐角α和密封面寬度b0是影響密封圈密封性能的重要影響因素。在預緊力1 853 kN，介質壓力51.75 MPa時，分別以α(20°～25°)和b0(25～35 mm)為變量，對接觸應力的影響規律進行研究。圖11為b0取28 mm時，密封錐面錐角α和接觸應力的關系曲線。圖12為α取22.75°時，接觸應力隨密封面寬度b0變化的關系曲線。

圖11 密封錐面錐角與接觸應力關系圖Fig.11 Relationship between sealing cone angle and contact stress

圖12 密封面寬度與接觸應力關系圖Fig.12 Relationship between sealing surface width and contact stress

由圖11可知，隨著密封圈密封錐面錐角α的增大，接觸面接觸應力持續增大。當α在20.00°～22.75°之間時接觸應力增加速率較大；當α在22.75°～25.00°之間時接觸應力增長速率降低，因此可以認為密封面最優錐角α為22.75°。

由圖12可知，隨著密封面寬度b0的增大，接觸面接觸應力在b0取25～28 mm之間時呈線性增加；在b0取28～35 mm之間時，基本保持在480 MPa不變，因此可以認為最優密封面寬度b0為28 mm。

4 結 論

(1)以自主研制的連接器為研究對象，通過有限元方法建立了連接器軸對稱有限元模型，分析了其在預緊工況和內壓工況下的密封性能。

(2)軸向預緊力是影響連接器密封性能的重要因素，在保證連接器結構強度下應盡量增大預緊力。隨著內壓的增大，上密封面的接觸應力增加，趨勢與下密封面相比較增加速率變低，且下密封面接觸應力大于上密封面。

(3)不同材料的VX鋼圈密封性能分析結果表明，316L不銹鋼滿足密封準則，用其作為密封圈材料更為經濟。

(4)對VX密封圈的結構參數進行了優化，結果表明，最優密封面錐角α為22.75°，最優密封面寬度b0為28 mm。