芯軸式套管懸掛器金屬密封設計及性能分析

王峰 鄭智冬 劉立超 鄧青山 李文 田鋒 周俊澤 李瑞玲

摘要：為了避免芯軸式套管懸掛器密封失效，根據芯軸式套管懸掛器的結構及密封工作原理，設計了一種新型的金屬密封結構。建立了芯軸式懸掛器密封性能有限元模型，研究了不同頂絲壓力和套管懸重對密封錐面變形及接觸壓力的影響。結果表明：隨頂絲推力的增加，上、下密封錐面上平均接觸壓力都增加，有利于實現密封；隨套管懸重的增加，上密封錐平均接觸壓力增加，下密封錐平均接觸壓力減小，除下內錐面外，均能滿足密封要求。研究結果可為芯軸式懸掛器密封部位的結構設計提供參考。

關鍵詞：芯軸；金屬密封；有限元；接觸壓力

中圖分類號：TE925.2

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.01.009

Design and Performance Analysis of Mandrel Hanger Metal Sealings

WANG Feng¹，ZHENG Zhidong¹，LIU Lichao¹，DENG Qingshan¹，LI Wen¹，

TIAN Feng¹，ZHOU Junze¹，LI Ruiling²

（1. No.3 Drilling Engineering Company，BHDC， CNPC，Tianjing 300280，China；

2. ChongQing XinTai Machinery Ltd.，Chongqing 402160，China）

Abstract：In order to avoid the sealing failures of the mandrel-type casing suspension， a new metal sealing structure was designed according to the structure of the mandrel-type casing suspension and the sealing working principle. A finite element model of the sealing performance of the mandrel-type suspender was established， and the effects of different jackscrew pressures and casing suspension weights on the deformation of the sealing cone surface and contact pressure were studied. The results show that with the increase of the jackscrew thrust， the average contact pressure on the upper and lower sealing cone increases， which is conducive to the realization of the sealing; with the increase of the casing suspension weight， the average contact pressure on the upper sealing cone increases， the average contact pressure on the lower sealing cone decreases， and the sealing requirements can be met except for the lower inner cone， and the results of the study provide a reference for the structural design of the sealing part of the mandrel-type suspender.

Key words：mandrel; metal seal; finite element; contact pressure

常用的懸掛器密封系統大多采用橡膠密封，其耐高溫、耐腐蝕、抗老化性能差，使用壽命短，無法達到高溫高壓井口密封要求。井口密封失效會導致油氣井的產量降低和維修成本增加，也會引起巨大的安全和環境問題。據統計，全球有多達18%的海上油氣井在井口密封完整性方面存在問題^［1］。在國內，塔里木庫車山前高溫高壓氣井已發生三十余井次BT（橡膠密封圈）或套管懸掛器卡瓦密封失效，給油田造成了巨大的經濟損失和安全隱患。因此，需要開展新型套管懸掛器密封材質及密封結構研究。

近年來，國內外專家學者對套管懸掛器密封作了大量研究。陳琳^［2］、劉揚^［3］分別采用模糊可靠性分析方法、Monte Carlo有限元法，對套管頭結構進行了可靠性研究，而其分析用數據獲取較困難。董家梅^［4］、劉春城^［5］、由保勝^［6］等采用有限元法對SL-2-（7）型套管頭和雙級分體式套管頭進行了應力分析和評價，但缺乏對其密封系統的研究。李太元^［7］針對采氣井口存在的泄露及密封失效問題給出了相應分析和解決方法，但缺乏對套管頭受力情況分析計算。劉維濱^［8］采用Abaqus軟件對水下采油樹堵塞器用金屬密封錐的密封性能進行了非線性有限元分析，得到密封圈的Von Mises應力及密封接觸壓力的分布規律，但未考慮套管懸重的影響。蔄靖宇和安琦^［9-10］設計了一種關于套管頭臺階密封面密封性能的模擬實驗，并對其密封壓力和密封初始間隙進行了有限元分析。Milberger L 等^［11-12］提出一種套管懸掛器全金屬密封的新型井口裝置，并給出了密封測試方法。

以上學者在套管頭結構可靠性、應力分析等方面做出了相關研究，對套管懸掛器的結構設計具有很重要的參考價值，然而針對芯軸式套管懸掛器用金屬密封研究較少。本文以芯軸式懸掛器用金屬密封為研究對象，采用Ansys軟件對芯軸式懸掛器進行有限元分析，研究套管懸掛器密封性能，分析不同頂絲推力、套管懸重下的最大Von Mises應力和接觸壓力的變化及分布規律，為芯軸式懸掛器用錐形金屬密封結構的參數設計提供參考。

1 密封結構及原理

常規芯軸式套管懸掛器的密封系統形式主要為金屬密封和橡膠密封的組合結構，然而，橡膠密封結構的耐高溫、耐腐蝕性能差，密封系統容易老化失效。為提高芯軸式套管懸掛器密封系統的可靠性，通過對國內外密封的研究及應用情況調研^［13-18］，主要對上部密封系統進行分析，將橡膠密封結構改為錐形金屬密封，去除了上部橡膠的影響，保證懸掛器的壽命和密封性能，新型密封結構系統如圖1所示。

由圖1可知，芯軸式懸掛器主要由頂絲、密封錐、芯軸和四通組成。本結構密封部位的錐形密封圈分為上、下部為金屬密封面，通過頂絲壓緊錐形密封圈，使錐形密封圈的兩個錐面與芯軸和四通接觸面產生過盈配合，實現金屬密封。

2 芯軸式懸掛器有限元模型

2.1 模型幾何尺寸

圖1b為懸掛器錐面金屬密封環的結構尺寸參數，主要有密封內錐角α₁、密封外錐角α₂、上密封寬度b₁、下密封寬度b₂、上下密封間距C、密封錐最大寬度B、密封錐高度H。在初步的研究過程中發現：當密封外錐角一定時，其平均接觸壓力隨著內錐的斜角減小而增大，可知密封內錐角越小越容易實現密封；其余變量一定時，下密封錐的接觸壓力隨密封間距的增大而增大，但上密封錐的接觸壓力隨密封間距的增大而減小，因此應該對密封間距進行優化設計。為了方便加工，本文將密封錐設計為等錐度（α₁=α₂=3°），上下密封間距定為50 mm，具體參數如表1。

本文所研究的芯軸式懸掛器上部密封系統主要由芯軸、密封錐和四通構成。密封錐材料為316L軟金屬，其材料屬性如表2所示。

2.2 模型邊界條件

為了便于計算，根據幾何和載荷的對稱性，可將芯軸式懸掛器密封系統的受力問題簡化為二維軸對稱模型進行分析，模型主要由芯軸-錐形金屬密封件-四通三部分組成。對實體模型進行網格劃分，并在密封接觸區以加密網格的方式來提高計算的精度。圖2為懸掛器及其密封錐有限元力學模型，5個接觸密封面分別為p_c1、p_c2、p_c3、p_c4和p_c5，其中，在四通下端AB面施加全位移約束。F₁為施加在密封錐上端CD面的頂絲推力，F₂為施加在芯軸下端E處的套管懸重，由現場數據可知，塔里木山前區塊最大套管懸重為4 000 kN。

3 芯軸式懸掛器密封性能有限元分析

3.1 最大外載下懸掛器強度分析

根據現場數據，首先分析了密封錐在芯軸底部施加最大套管懸重4 000 kN和頂絲推力100 kN時的Von Mises應力分布，其中，等效Von Mises應力為：

式中：σ₁、σ₂、σ₃為3個方向上的主應力。

在最大載荷F₁、F₂作用下，懸掛器整體的Von Mises應力分布云如圖3所示。由圖3可知，芯軸內的最大Von Mises應力為599 MPa，發生在芯軸臺階內側，四通內最大的Von Mises應力為400 MPa，發生在四通臺階內側，根據ASME鍋爐和壓力容器在復雜應力下強度評定準則，選取安全系數S=1.5，則芯軸和四通材料的許用應力［σ］=σ_s/S＞σ。

3.2 頂絲推力對密封面接觸壓力的影響

當密封錐在安裝時，不受套管懸重的影響，密封面接觸壓力僅與頂絲推力有關。金屬密封受到上部推力作用后，產生很大的接觸壓力，從而起到密封作用。本文所研究的頂絲推力范圍在0～100 kN。圖4所示為不同頂絲推力下，密封接觸面上平均接觸壓力分布情況。由圖4可知，隨著頂絲推力的增加，接觸面p_c2、p_c3、p_c4、p_c5的平均接觸壓力也隨之增大，且均與頂絲推力呈線性相關。可以通過增大頂絲推力以提高最大接觸壓力來實現較好的預密封。同時可知，密封錐4個接觸面平均接觸應力有小到大依次是p_c4、p_c2、p_c5、p_c3，即在頂絲推力的作用下，下錐面的密封效果要優于上錐面。

圖5為不同頂絲推力下，外錐面接觸壓力與接觸路徑的關系，由圖5可知，上下外錐面上的接觸壓力隨接觸路徑均呈現U型。由于接觸面存在金屬密封，上外錐面和下外錐面接觸面中部的接觸壓力較小，而接觸面兩端的接觸壓力較大，說明上下外錐面都具備較好的密封性能。

圖6所示為不同頂絲推力，密封錐Von Mises應力分布云圖。由圖6可知，隨著頂絲推力的增加，密封錐最大Von Mises應力均出現在密封錐下內錐面p_c3上，而密封錐上產生的應力區域基本保持不變，說明錐形金屬密封環受力穩定，有利于實現長效密封。同時可知，當F₁=100 kN時，其最大Von Mises應力為139.8 MPa，小其于屈服強度310 MPa，滿足密封錐材料的密封強度準則。

因此，綜合考慮頂絲推力對密封面接觸壓力及Von Mises應力分布的影響，表明本文所設計的新型金屬密封結構具備良好的密封性能，且在頂絲推力為100 kN時，仍滿足強度準則。

3.3 套管懸重對密封面接觸壓力的影響

圖7所示為在頂絲推力一定時（F₁=100 kN），不同套管懸重下密封接觸面上平均接觸壓力分布。由圖7可知，隨著套管懸重的增加，接觸面的平均界相互壓力亦呈線性關系；其中，p_c2、p_c4的平均接觸壓力呈線性增大，而p_c3、p_c5的平均接觸壓力呈線性減小，即隨著套管懸重的增加，上密封錐兩接觸面的平均接觸壓力增大，而下密封錐兩接觸面的平均接觸壓力減小。這是因為工作狀態下，隨著套管懸重的增加，其引起的芯軸徑向位移也逐漸增大。上密封錐面的平均接觸壓力隨套管懸重的增大而增大，表明芯軸的徑向位移小于上密封錐面的徑向位移；相反，芯軸的徑向位移大于下密封錐面的徑向位移。

圖8a為不同套管懸重下，上外錐面p_c4接觸壓力與接觸路徑的關系。由圖8a可知，上外錐面p_c4的接觸壓力整體隨套管懸重的增加而增加，但在套管懸重由1 000 kN增加到2 000 kN時，其密封錐面下部反而出現減小趨勢，圖8b為不同套管懸重下，下外錐面p_c5接觸壓力與接觸路徑的關系，可知：下外錐面P_c5的接觸壓力隨套管懸重的增加而減小，但其縮減幅度并不明顯，有利于實現金屬密封。

4 結論

1） 為了解決橡膠密封老化或被腐蝕介質侵蝕而導致密封失效問題，設計了一種芯軸式套管全金屬密封懸掛器，并對其進行了強度校核。

2） 分析了在不同頂絲推力作用下，密封錐面接觸壓力的分布規律，其平均接觸壓力隨頂絲推力增大而增大，且上外錐面和下外錐面接觸面中部的接觸壓力較小，而接觸面兩端的接觸壓力較大，表明上下外錐面都具備較好的密封性能。

3） 分析了在不同套管懸重作用下，密封錐面接觸壓力的分布規律，當套管懸重引起的芯軸軸線位移小于密封錐的軸向位移時，其接觸壓力呈增大趨勢；當套管懸重引起的芯軸軸線位移大于密封錐的軸向位移時，其接觸壓力呈減小趨勢。

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