牙輪鉆頭徑向非對稱扁平密封性能研究*

周姝文 況雨春 魏 琦

(1.西南石油大學機電工程學院 四川成都 610500；2.成都航天萬欣科技有限公司 四川成都 610100)

良好的密封是保證器械安全運行的基礎，而密封的過早失效，不僅會大大提高維修的成本，甚至還會導致一系列的安全事故。在牙輪鉆頭密封中，O形橡膠密封多用于固定密封和機械運動密封中，在高溫高壓情況下，O形橡膠密封長時間處于壓縮狀態，導致其回彈性減弱，從而密封失效[1]。2010年，Hughes公司提出HAR橡膠密封圈[2]，如圖1所示，其對稱截面的扁平密封比O形密封占用的軸向空間更小且具有更高的壓縮比，能有效地補償密封接觸面的磨損。為了保證牙輪鉆頭密封的可靠性，2012年，Smith公司提出一種能適應高溫高壓的雙密封結構，其中，在主密封的動密封面復合一層加強橡膠，靜密封面復合一層抗磨材料[3]。2013年Varal公司在HAR橡膠密封圈的基礎上提出一種具有表面微凹織構的密封[4]，在一定潤滑條件下，該密封的動密封面能留住部分潤滑油，能有效降低動密封面的磨損。

圖1 HAR橡膠密封結構示意

基于上述結構，在保留O形和扁平密封圈的結構相對簡單、生產成本低、安裝使用方便等特點[5]的基礎上，本文作者提出了一種徑向非對稱扁平密封圈，如圖2所示。與以往相同動密封面為基準的對稱截面密封圈相比，徑向非對稱扁平密封圈在裝配后產生的動密封面摩擦面積更小，則避免了密封圈內圈因接觸面積過大造成密封圈過度摩擦磨損。文中通過試驗對比氫化丁腈橡膠(HNBR)與丁腈橡膠(NBR)的性能，選擇出合適的橡膠密封圈材料，最后制備出一種結構緊湊、耐高溫、耐磨損、密封性能好且壽命長的牙輪鉆頭徑向非對稱扁平橡膠密封圈[6]。

圖2 徑向非對稱扁平密封結構方案

1 新型密封結構方案

為了提高密封圈壽命，保證良好的密封狀態，避免因接觸面積過大導致密封圈過度磨損，文中提出了一種徑向非對稱扁平密封圈，如圖2所示。在相同過盈量下，該密封圈形心偏移量比對稱截面扁平密封圈小，故相比以相同動密封面為基準的對稱截面，徑向非對稱扁平密封圈在裝配后產生的動密封面摩擦面積更小。同時，由于該密封圈內外圈半徑不同，則不同的過盈量可產生一部分徑向力，其能補償軸的偏心，保證密封可靠。

徑向非對稱扁平密封結構方案如圖2所示?；谘垒嗐@頭軸頸和牙輪直徑為287 mm所設計的密封圈結構參數如下：密封圈長度L=6.25 mm，高度h=2.92 mm，內圈斜邊倒角D=0.52 mm，內圈弧半徑R=3.70 mm，外圈斜邊倒角d=0.63 mm，外圈弧半徑r=2.00 mm。

2 橡膠材料力學性能研究

2.1 橡膠材料力學性能實驗對比

氫化丁腈橡膠(HNBR)是由丁腈橡膠(NBR)經加氫處理而得到的一種高度飽和的特種彈性體。與NBR相比，HNBR分子結構中含少量或不含碳碳雙鍵，在保持NBR耐油、耐磨等性能的同時，還具備更優異的耐熱氧老化、耐臭氧、耐輻射、耐化學介質和良好的動態性能，是一種綜合性能優異的特種橡膠[7]。

HNBR有極高的強度和耐磨性、抗壓性，耐硫化氫、耐油性能優秀，滿足深井油田應用需求。在石油工業中，HNBR能夠在-40～150 ℃下長期使用，其物理性能不受溫度影響，具有優良的密封性能和尺寸穩定性[8-10]。

為選擇合適的橡膠密封材料，文中開展了常態下的空氣老化試驗、物理性能試驗以及壓縮永久變形試驗[6]，以對比HNBR與NBR的性能。表1給出了常態下2種橡膠的物理性能試驗結果，表2給出了空氣老化試驗后HNBR與NBR拉伸強度和伸長變化率，表3給出了空氣老化試驗后的硬度變化。

表1 HNBR與NBR常態下的物理性能

表2 空氣老化試驗后HNBR與NBR拉伸強度和伸長變化率

表3 空氣老化試驗后HNBR與NBR硬度變化

從表1可以看出，HNBR在常態下的物理性能要好于NBR，其拉伸強度、硬度以及拉伸應力均高于NBR。從表2、3可知，隨著試驗時間的增加，2種橡膠材料的拉伸強度變化率總體上呈增大趨勢，伸長變化率總體上呈下降趨勢，硬度則呈上升的趨勢。這說明隨著試驗時間的延長，材料都逐漸呈現失效的趨勢。另外，相比NBR，老化試驗前后HNBR的參數變化更小，且HNBR的拉伸強度變化率和伸長變化率變化不大，說明HNBR比NBR更適合高溫工況。

橡膠的壓縮永久變形率是橡膠制品的重要指標，這一數值常被用來評價其耐溫性能，該數值越小則橡膠密封性能越好，工作壽命越長。參照GB/T531標準，在干熱環境中，針對NBR和HNBR開展了壓縮永久變形試驗，結果見表4。

表4 干熱條件下HNBR與NBR壓縮永久變形試驗結果

由表4可知，隨著試驗溫度的升高，HNBR與NBR的壓縮永久變形率都呈增長的趨勢，但其中HNBR增長趨勢更小一些，說明HNBR密封圈的性能優于NBR密封圈。

2.2 HNBR的本構參數確定

常用的對橡膠力學性能的描述方法主要分為兩類[11]：一類是將橡膠看作連續介質的現象學描述；另一類是基于熱力學的統計學描述?，F象學的描述方法假設在未變形狀態下橡膠為各向同性材料，即長分子鏈方向在橡膠中是隨機分布的，這種各向同性的假設是用單位體積(彈性)應變能密度來描述橡膠特性的。而基于統計熱力學方法的理論則認為：觀察到橡膠中的彈性恢復力主要來自橡膠中的熵的減少，熵的減少是由于橡膠的伸長使得橡膠結構由高度的無序變得有序[12]。

在橡膠的多種本構模型中，多項式的本構模型較具有代表性。其中Yeoh本構模型更適用于大變形條件下橡膠本構描述，并能表征出橡膠在大變形下的硬化現象，其描述方式如公式(1)所示[13-14]。

在實際應用方面，橡膠一般被視為不可壓縮材料。所以，變形前后橡膠的體積是固定的，即J=1，以上存在J項的相關式子會被消去。

綜合密封件的實際工況和相關材料的調研，文中對HNBR密封件進行基礎拉伸試驗，其中Yeoh系數Ci0可通過單軸拉伸試驗、平面拉伸試驗以及等雙軸拉伸試驗得到，試驗結果如圖3所示。試驗選擇工況最大溫度120 ℃，采取循環加載的試驗模式[15]。

圖3 HNBR基礎拉伸試驗數據

結合3種基礎拉伸試驗的結果，最后得到Yeoh本構模型對應的本構參數C10=1.484 025 56 MPa，C20=-3.013 839 56 MPa，C30=9.585 691 65 MPa，D1=D2=D3=0。

3 徑向非對稱密封圈的結構驗證

根據牙輪軸承密封圈的結構特點，在對其進行二維靜態分析時，將牙輪軸承密封圈簡化為二維軸對稱模型，然后對比分析對稱截面的扁平密封圈和徑向非對稱截面的扁平密封圈2種不同截形的密封圈在過盈裝配和壓力滲透的作用下的變形行為。建立二維軸對稱有限元模型(網格密度0.1 mm)求出的等效應力云圖和接觸應力云圖如圖4、5所示。

圖4 徑向非對稱扁平密封(a)與對稱截面扁平密封

從圖4、5中可以看出，徑向非對稱密封與對稱截面的扁平密封的最大Mises等效應力分別是1.093和1.408 MPa，最大接觸應力分別是2.220和2.182 MPa，即徑向非對稱扁平密封相比對稱截面的扁平密封，在接觸應力增大3.8%的同時Mises等效應力減小了31.5%。這是因為徑向非對稱密封因為內外圈半徑不同，在不同過盈量下可產生一部分徑向力，即減小了Mises等效應力，增大了接觸應力。另外，徑向非對稱密封在提升密封可靠性的同時減少了密封變形后的軸向尺寸，給牙輪軸承的設計留出了更多空間，更有利于深部地層小尺寸牙輪鉆頭的應用。

4 徑向非對稱密封圈的密封性能評價

4.1 三維瞬態熱力耦合有限元分析模型

結合二維軸對稱有限元模型，基于有限元軟件對橡膠密封圈進行完全熱力耦合分析時，由于井下條件非常復雜且不可控，難以完全模擬密封圈在井下工作時的真實情況。因此做出以下假設[16]：

(1)橡膠材料各向同性，同時是連續的，在軟件內部，假設材料被默認為是不可壓縮的。

(2)假設潤滑僅會影響摩擦因數值，同時，忽略流體自身存在的動壓潤滑性能，在切向接觸中，假設其中的摩擦滿足庫侖定律，當相對轉速以及溫度變化時，摩擦因數保持穩定。

(3)僅分析橡膠密封圈的變形情況以及受力情況，將密封溝槽以及牙輪軸頸設成剛體；模型所受約束以及載荷、接觸等都是軸對稱的。

(4)在進行熱分析時，密封圈會接收到井壁以及牙爪背部的摩擦熱量、地層溫度、巖石以及牙齒作用形成的熱量、軸承摩擦的熱量等，不再詳細贅述，將其共同影響的結果看做一個熱源影響的結果。

徑向非對稱扁平密封圈三維瞬態完全熱力耦合分析有限元模型如圖6所示，其中牙輪軸頸和牙輪密封溝槽采用的網格類型均為S4RT，密封圈采用的網格類型是C3D8RHT。

圖6 徑向非對稱扁平密封圈三維有限元模型

4.2 環境溫度對密封性能的影響

隨著鉆井深入，由于地熱，地層的環境溫度以每鉆進30 m大約1 ℃的幅值增加，橡膠密封圈在過高溫度下會急速老化，甚至損壞。在其他工況參數保持不變時，文中在100～150 ℃溫度范圍內研究了環境溫度對徑向非對稱扁平密封圈的影響。

在摩擦因數為0.1、環境壓力為21 MPa、壓差為0.5 MPa、轉速為100 r/min、壓縮率為12%工況下，徑向非對稱扁平密封的最大溫度隨環境溫度的變化如圖7所示。可以看出，密封圈旋轉動密封面間的最高溫度隨著環境溫度的增加而增加，且密封件的最大溫度始終比環境溫度高出10 ℃左右。

圖7 徑向非對稱扁平密封的最大溫度隨環境溫度的變化

在摩擦因數為0.1、環境壓力為21 MPa、壓差為0.5 MPa、轉速為100 r/min、壓縮率為12%工況下，不同環境溫度下徑向非對稱扁平密封中動密封面的溫度分布如圖8所示?？梢钥闯?，動密封面溫度隨著環境溫度的增加而增加，不同環境溫度下，徑向非對稱扁平密封的溫度分布規律保持不變，均有中心區域幅值偏高且過渡區域幅值最高的特點。當環境溫度達到150 ℃時，動密封面的最高溫度達到了167.14 ℃。而根據相關資料[17]，高性能HNBR密封材料可在180 ℃溫度下長期耐受。因此，HNBR密封圈在環境溫度150 ℃以下有較長的工作壽命。

4.3 環境壓力對密封性能的影響

隨著鉆頭鉆進深度不斷增加，井下鉆頭工作時所處的環境壓力也會隨著增大，當井深達到幾千米時，井底壓力會達到幾十兆帕，反映出密封圈的工作環境十分惡劣，因此，對在高壓下工作的密封圈性能進行研究顯得十分必要。另一方面，密封圈在井下不僅會受到鉆井液的壓力還會受到軸承腔內的潤滑脂壓力作用，實際上密封圈兩側壓力差值會不斷變化。而為了方便研究環境壓力對密封圈變形的影響，研究時假定壓差為0.5 MPa，牙輪轉速取值100 r/min，環境溫度取值150 ℃，動密封接觸面的摩擦因數取值0.1，壓縮率取值12%，環境壓力范圍取值為5～40 MPa。

4.3.1 環境壓力對等效應力的影響

圖9所示為徑向非對稱扁平密封的最大等效應力隨環境壓力的變化?？梢钥吹降刃﹄S著地層環境壓力的增大呈增大趨勢，當環境壓力從5 MPa增加到40 MPa時，等效應力由1.402 MPa逐漸增加到8.959 MPa，增幅較大，因此在高壓下密封圈的壽命比在低壓時更短。

圖9 徑向非對稱扁平密封最大等效應力隨環境壓力的變化

圖10所示為不同環境壓力下徑向非對稱扁平密封的等效應力分布。可以看出，徑向非對稱扁平密封結構中動密封面的等效應力隨環境壓力的增加而增加，且動密封面中心到過渡區的增幅越來越明顯，而靜密封面的等效應力幾乎不受環境壓力的影響。

圖10 不同環境壓力下徑向非對稱扁平密封的等效應力分布

4.3.2 環境壓力對接觸應力的影響

圖11所示為徑向非對稱扁平密封的最大接觸應力隨環境壓力的變化?？煽闯鼋佑|應力隨著地層環境壓力的增大呈增大趨勢，當環境壓力從5 MPa增加到40 MPa時，密封的接觸應力由7.04 MPa逐漸增加到44.87 MPa。且徑向非對稱扁平密封在環境壓力變化的過程中最大接觸應力始終高于環境壓力，最大接觸應力與環境壓力的差值隨環境壓力的增加而增加，說明徑向非對稱扁平密封圈能夠有效應對環境壓力的波動，密封性能好。

圖11 徑向非對稱扁平密封最大接觸應力隨環境壓力的變化

圖12所示為不同環境壓力下徑向非對稱扁平密封的接觸應力分布?？梢钥闯?，徑向非對稱密封在環境壓力逐漸增大的情況下，其接觸應力的分布趨勢保持向動密封面和靜密封面集中的特點不變，說明環境壓力變化對密封圈接觸應力分布情況影響不大。且該密封圈的動密封面和靜密封面的接觸應力隨環境壓力的增加而增加，動密封面和靜密封面的接觸長度基本保持不變，靜密封接觸帶寬、接觸力遠高于動密封面，因此在使用過程中，靜密封面與密封槽之間相對滑動概率較小，在其密封性能增加的同時并未增加多余的磨損量。

圖12 不同環境壓力下徑向非對稱扁平密封的接觸應力分布

4.3.3 環境壓力對溫度的影響

圖13所示為徑向非對稱扁平密封最大溫度隨環境壓力的變化。可以看到密封的最大溫度隨著地層環境壓力的增大呈增大趨勢，環境壓力由5 MPa增加到40 MPa時，密封圈溫度由154.1 ℃逐漸增加到177.57 ℃，即環境壓力每增加5 MPa，密封的最大溫度就上升3～4 ℃，說明環境壓力的升高會加劇密封圈的摩擦生熱。

圖13 徑向非對稱扁平密封最大溫度隨環境壓力的變化

圖14所示為不同環境壓力下徑向非對稱密封的動密封面溫度分布。可以看出，該密封的溫度分布依舊集中在動密封；另外，隨著環境壓力的增加，動密封面接觸帶兩側溫度和中心溫度的差值由1 ℃逐漸增大到3 ℃。

圖14 不同環境壓力下徑向非對稱扁平密封動密封面溫度分布

5 現場應用結果分析

如圖15所示，將裝有徑向非對稱扁平密封圈的16.51 cm復合鉆頭投入新疆油田進行現場試驗。密封圈現場應用的具體工況參數如表5所示，其中鉆頭總轉數85萬向(直井段牙輪轉數45萬向，定向段牙輪轉數40萬向)，鉆頭進尺265 m(直井段165 m，定向段100 m)。試驗后將徑向非對稱扁平密封圈從鉆頭上取下后，對磨損情況進行了檢測，結果如圖16所示。檢測發現，密封圈內徑有摩擦損耗，但屬于較正常的摩擦損耗狀態；外徑部分有明顯的摩擦損耗的痕跡，推斷可能發生了外圈旋轉。通過斷面來看，內徑側有傾斜摩擦損耗的情況發生，認為是壓力將密封圈擠壓，在跟軸旋轉后產生摩擦而造成的。總體上看，試驗后徑向非對稱密封圈并沒有出現大的損傷。

表5 徑向非對稱扁平密封圈現場應用條件

圖15 裝有徑向非對稱扁平密封圈的16.51 cm復合鉆頭

圖16 試驗后密封圈內、外徑面磨損情況

用工廠專業的顯微鏡和測壓計對密封圈的尺寸進行了測定，運用硬度計對密封圈的硬度進行測定，檢測結果如表6所示。

表6 使用前后密封圈的尺寸和硬度

從表6中可以看出，密封圈內徑、高度、硬度都沒有發現異常的變化，寬度因為摩擦損耗有變小。使用前后的內徑尺寸相差0.22 mm，即內徑有0.22 mm的摩擦磨損；內徑和外徑的磨損之和最大約為0.40 mm；相位截面寬度尺寸基本沒有變化，并沒有出現摩擦損耗的現象。密封圈使用前后的硬度差別不大。都是在規格基準以內的，并且經過分析計算，密封圈的壓縮量還有剩余，這說明密封圈還可以繼續使用。

6 結論

(1)對NBR和HNBR進行了常態、空氣老化和干熱條件下的力學性能對比試驗，試驗表明HNBR比NBR具有更好的抗老化能力和耐熱性；對HNBR進行了單軸拉伸、雙軸拉伸和平面拉伸試驗，結果表明HNBR適合作為密封圈材料。

(2)有限元分析結果可知，優化后的新型扁平密封結構的接觸應力略大(+3.8%)，表明新型扁平密封結構密封可靠行更高；同時，其Mises等效應力略小(-31.5%)，表明新型扁平密封結構密封壽命更長以及密封可靠行更高。

(3)將安裝徑向非對稱扁平密封圈的牙輪鈷頭在現場進行了實鉆作業，結果表明，使用后密封圈沒有出現嚴重的損傷，且具有剩余壽命，能繼續使用，驗證了徑向非對稱扁平密封圈的可行性和實用性。