基于流體壓力滲透的壓裂泵V形組合柱塞密封性能分析

摘要：壓裂泵柱塞密封副長期在變載荷、往復(fù)摩擦及高壓、酸性壓裂液的環(huán)境下運行，是壓裂泵液力端最容易失效的部件之一。為研究過盈量、介質(zhì)壓力等對V形密封圈密封性能的影響，采用自動收縮配合模擬V形密封圈的裝配過程，基于流體壓力滲透模擬V形密封圈的實際流體壓力作業(yè)工況，建立了V形組合密封圈的有限元模型；分析了V形密封圈在準靜態(tài)和動態(tài)密封下的最大Mises應(yīng)力和接觸壓力的變化規(guī)律；提出了一種雙級壓差的柱塞密封結(jié)構(gòu)，并對該結(jié)構(gòu)進行了密封性能分析。結(jié)果表明，密封圈的最大接觸壓力都出現(xiàn)在靠近高壓流體側(cè)的V形密封圈處，最大應(yīng)力主要在V形密封圈與支撐環(huán)和壓環(huán)相接觸的唇部和肩部；V形密封圈與柱塞接觸一側(cè)更容易發(fā)生失效；采用雙級壓差柱塞密封能夠有效減小V形密封圈的Mises應(yīng)力、剪切應(yīng)力，以及與柱塞間的摩擦力，可延長壓裂泵柱塞密封的工作壽命，提高壓裂作業(yè)的可靠性和經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞：V形密封圈；過盈裝配；流體壓力滲透；結(jié)構(gòu)設(shè)計；密封性能

中圖分類號：TE934. 2 DOI： 10. 16579/j. issn. 1001. 9669. 2025. 04. 011

0 引言

隨著油田開發(fā)難度的持續(xù)增加，壓裂酸化技術(shù)已成為提升油氣田開采量及開發(fā)速度的重要手段［1-2］。壓裂泵是壓力酸化工藝中的重要設(shè)備之一，其工作運行的可靠性將直接影響壓裂酸化的正常施工［3］。V形組合柱塞密封副在變載荷、往復(fù)摩擦、高壓及酸性壓裂液的共同作用下，成為壓裂泵液力端最易發(fā)生失效的部件之一，密封失效將導(dǎo)致壓裂液泄漏并竄入壓裂泵動力端損壞其他組件，進而降低壓裂泵的使用壽命，影響壓裂酸化作業(yè)的正常實施［4-5］。V形密封圈是柱塞密封副的主要密封元件，由于其密封性能良好、可以多圈重疊使用、具有自封作用等特點，被廣泛應(yīng)用于柱塞密封中。

為了提高V形密封圈的密封性能，延長其使用壽命，研究人員通過理論分析、數(shù)值模擬和實驗等方法，對影響V形密封圈密封性能的因素進行了研究。朱維兵等［6-7］從理論和實驗兩方面分析了V形密封圈的軸向壓力分布，研究了V形密封圈結(jié)構(gòu)參數(shù)對接觸應(yīng)力的影響，對密封結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化。楊儉等［8］分析了柱塞在往復(fù)運動中的壓力分布、泄漏量的變化規(guī)律以及密封元件的變形對密封性能的影響。GANG等［9］1432研究了V形密封圈不同過盈量和唇邊高度對密封性能的影響，通過對密封圈的幾何參數(shù)進行優(yōu)化，提高了密封圈的密封能力和使用壽命。杜堅等［10］對V形組合密封進行了分析，研究了軸向壓緊力、密封圈個數(shù)及V形密封圈的結(jié)構(gòu)對組合密封圈密封性能的影響。ZHOU等［11］研究了鉆井泥漿泵柱塞密封在超高壓超深井條件下的密封失效原因，建立了V形密封圈的二維軸對稱有限元模型，分析了柱塞密封應(yīng)力、應(yīng)變和接觸壓力的分布規(guī)律，并提出了防止密封失效的基本方法。鄭杰文等［12］建立V形組合密封圈的有限元模型，通過仿真分析得知隨壓力的增加，工作中的液膜厚度隨之降低，泄漏量隨之增加。DU等［13］設(shè)計了一種新型三級密封結(jié)構(gòu)，探討了不同流體壓力和軸向預(yù)緊力對密封圈的接觸應(yīng)力和最大Mises的影響。秦瑤等［14］利用彈性力學理論，建立了V形填料密封的計算模型，并計算了壓緊力和內(nèi)外過盈量大小對軸向位移和內(nèi)外接觸面上的接觸應(yīng)力分布規(guī)律。吳長貴等［15］6利用Abaqus流體壓力滲透載荷的加載方法，對航空作動器VL密封圈進行了有限元仿真分析。

綜上所述，目前的研究只考慮了準靜態(tài)密封下V形密封圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)、軸向壓緊力等因素，沒有深入研究柱塞運動和介質(zhì)壓力變化對其密封性能的影響。介質(zhì)壓力會對密封圈產(chǎn)生擠壓變形，例如，膨脹和收縮，從而影響密封圈的尺寸和形狀。如果忽略介質(zhì)壓力變化對密封性能的影響，可能會誤判密封圈的性能和壽命，例如，一些密封圈在低壓條件下表現(xiàn)出色，但在高壓條件下可能失效。因此，考慮介質(zhì)壓力變化對密封性能的影響至關(guān)重要，在仿真中應(yīng)該將介質(zhì)壓力變化考慮在內(nèi)，以獲得更準確的仿真結(jié)果。本文利用自動收縮配合方式來模擬密封圈的裝配安裝過程，采用流體壓力滲透載荷的加載方式來模擬變化介質(zhì)壓力對密封圈的作用。結(jié)合這兩種方式對V形組合密封圈進行數(shù)值模擬，重點研究了V形密封圈在準靜態(tài)和動態(tài)密封下過盈量和工作介質(zhì)壓力對密封性能的影響。此外，針對目前超高壓壓裂泵柱塞密封的單級壓差承壓模式承受的壓差過大的問題，設(shè)計了一種雙級壓差式柱塞密封，并對該結(jié)構(gòu)進行密封性能和結(jié)構(gòu)強度分析。本文的研究工作對超高壓柱塞密封的性能的提高和壓裂泵工作可靠性的提升具有重要的參考價值。