曾 威,2 宋 紅 解 歡3 魏柳興2 任 濤

(1.西安石油大學機械工程學院 陜西西安 710075；2.南陽二機石油裝備集團股份有限公司河南南陽 473006；3.西京學院機械工程學院 陜西西安 710123)

水下井口連接器是連接井口與采油樹的關鍵設備，其密封能力直接影響采油樹的工作穩(wěn)定性與可靠性[1-2]。VX鋼圈是井口連接器的關鍵密封件，分析其密封特性能夠準確地獲得連接器的密封能力。TEODORIU和BADICIOIU[3]采用試驗和理論相結合的方式對API標準連接器VX鋼圈的密封性能進行了分析。為提高深水大直徑連接器的密封能力，李志剛等[4]建立密封鋼圈的彈性力學模型，揭示了其金屬密封機制，并通過分析其受力形式獲得了該密封結構的密封比壓，但是并沒有對其密封特性進行分析。唐文獻等[5]建立水下井口連接器密封結構的有限元模型，以密封面接觸應力為評價指標，分析了其在預緊、生產(chǎn)、完井與修井工況下的密封性能。運飛宏等[6]基于赫茲接觸理論建立了連接器透鏡式密封結構的接觸力學模型，得到了連接器密封面最大接觸應力、接觸寬度與預緊力之間的關系。陳曉芳等[7]設計了一種具有VX鋼圈-雙錐面金屬密封結構的水下臥式采油樹連接器，并以接觸應力為評價指標，對其密封性能進行分析。

上述研究工作對連接器密封結構在不同工況下的密封特性進行了分析，獲得了其密封性能的變化規(guī)律，能夠為提高水下連接器的密封能力提供相應的參考。但是，在密封性能分析過程中，上述文獻均以密封面的接觸應力為評價指標，當接觸壓力值大于工質(zhì)壓力值即認為該密封結構可靠。而密封性能不但受密封面接觸壓力大小的影響，而且還受接觸應力在整個有效接觸長度上的分布情況影響[8]，僅僅以接觸應力值的大小作為密封性能評價指標，一定程度上影響密封性能分析的準確性。基于此，本文作者考慮密封面有效接觸長度對密封性能的影響，以密封接觸強度為密封性能評價指標，以水下井口連接器VX鋼圈為對象，采用有限元方法，分析在不同預緊力、工質(zhì)載荷和結構參數(shù)下VX鋼圈密封強度的變化規(guī)律，為水下連接器密封結構的應用、設計和優(yōu)化提供詳細的參考數(shù)據(jù)。

1 密封接觸強度

與單一的密封面接觸壓力大小相比，密封接觸強度是一種更加廣義的評價指標，可以同時考慮密封面接觸應力大小及其分布狀況對密封性能的影響，其基本定義為接觸壓力在整個密封有效接觸長度上的積分[9]，計算公式為

(1)

式中:fs為密封接觸強度；σs為密封面接觸壓力值；Lss為密封面有效接觸長度。

在密封性能評價過程中，需要確定實現(xiàn)可靠密封需要的最小接觸強度，MURTAGIAN等[9]以金屬-金屬密封形式為對象，采用數(shù)值模擬和實物試驗的方法確定了其表征方法，如式(2)所示：

(2)

式中：ωs為加權密封接觸強度；n為相關性指數(shù)，存在密封劑時，n=1.2，不存在密封劑時，n=1.4。

對于水下連接器，其工作介質(zhì)溫度較高，密封結構中密封劑對密封性能的影響較小，因此取相關性指數(shù)n=1.4。

2 密封結構及密封特性分析模型

2.1 連接器密封結構

臥式采油樹井口連接器是連接采油樹本體與水下井口的關鍵設備，其采用VX鋼圈密封采油樹本體與井口頭的間隙，從而防止井口頭內(nèi)的高壓工質(zhì)泄漏，且避免海水進入管道內(nèi)部。其基本結構如圖1所示。

圖1 水下采油樹井口連接器

VX鋼圈的工況主要包括預緊工況和工作工況兩個階段。在預緊階段，VX鋼圈在預緊力的作用下發(fā)生徑向形變，VX密封圈與密封槽為過盈配合，在預緊力作用下，過盈量使得VX密封圈發(fā)生徑向壓縮，產(chǎn)生的回彈力使得密封圈與密封槽能緊密貼合，形成初步密封；在工作階段，如圖1(b)所示，管內(nèi)高壓工質(zhì)在密封圈上產(chǎn)生徑向作用力，進一步增大密封面上的壓緊力，密封圈材料發(fā)生塑性變形，使得密封更加可靠，最終形成自緊式密封。其中，VX鋼圈是連接器的關鍵結構，文中以設計壓力為34.5 MPa的與水下井口50.8 cm套管頭配套的水下采油樹井口連接器的VX密封鋼圈為例，其具體結構及尺寸參數(shù)如圖2所示。圖中，α為密封面錐度參數(shù)，b為密封面寬度參數(shù)，B為鋼圈徑向尺寸參數(shù)，h為鋼圈厚度尺寸，Dm為外徑參數(shù)，Di為內(nèi)徑參數(shù)。

圖2 VX鋼圈密封結構參數(shù)

2.2 VX鋼圈密封特性分析模型

根據(jù)采油樹井口連接器結構與VX鋼圈密封結構尺寸，在Abaqus中建立幾何模型，并使用CAX4R單元進行網(wǎng)格劃分[10]。連接器轂座和VX鋼圈的材料分別為低合金Gr-Mo和Inconel625。其中，低合金Gr-Mo材料的彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。Inconel625的彈性模量為205 GPa，泊松比為0.308。因為VX鋼圈在工作過程中會發(fā)生塑性形變，需要考慮其塑性特點，其對應的應力-應變曲線如圖3所示。

圖3 VX鋼圈材料應力應變曲線

根據(jù)連接器實際工況條件，分析過程中限制水下井口底部所有節(jié)點的軸向位移。在預緊工況下，軸向預緊力W作用在采油樹管口上，使得VX鋼圈密封面發(fā)生塑性變形，實現(xiàn)初步密封；工作工況下，在井口、VX密封圈與采油樹體內(nèi)徑施加均勻分布的工質(zhì)壓力p，設置密封圈與密封槽間的摩擦因數(shù)為0.15[11]。連接器與采油樹體和井口管接頭的連接為綁定約束。最終，獲得如圖4所示的有限元模型。

圖4 井口連接器密封特性分析有限元模型

3 不同參數(shù)對連接器VX鋼圈密封特性的影響

影響VX鋼圈密封性能的主要參數(shù)包括安裝階段的預緊力、工質(zhì)壓力和結構參數(shù)[7]。因此，在分析過程中，以密封接觸強度ωs為指標，分別以預緊力、工質(zhì)壓力和結構參數(shù)為變量，分析井口連接器VX鋼圈密封特性。為體現(xiàn)使用密封接觸強度為密封性能指標的優(yōu)勢，文中以密封接觸應力最大值為密封性能指標作為對比，以連接器在靜壓試驗條件下3 h內(nèi)密封壓力下降率的倒數(shù)為參考指標，分析VX鋼圈的密封特性。

3.1 預緊力的影響

安裝過程中，井口連接器需要通過預緊力使得VX鋼圈密封面發(fā)生塑性變形，實現(xiàn)初步密封，其計算公式如式(3)所示。

(3)

式中:q0為預緊時接觸面壓力(MPa)，為實現(xiàn)可靠密封，其最小值為密封比壓；ρ為密封鋼圈與密封槽間的摩擦角，鋼與鋼接觸時ρ=8.5°[7]。根據(jù)連接器實際工況條件，利用公式(3)計算得到預緊力的取值范圍為526 kN≤W≤1 853 kN。采用圖4構建的密封特性分析有限元模型，結合如式(3)所示的密封接觸強度計算公式，對VX鋼圈密封特性進行分析。圖5所示為工質(zhì)壓力為36.7 MPa，預緊力為1 850 kN時，VX鋼圈密封面接觸應力及接觸面積。

圖6所示為工質(zhì)壓力為36.7 MPa時，不同預緊力作用下各密封性能指標變化曲線。

由圖6可知：當工質(zhì)壓力不變，隨著預緊力的增加，VX鋼圈密封性能持續(xù)增加；當預緊力小于900 kN時，鋼圈密封性能遞增速率較高；當預緊力大于900 kN后，鋼圈密封性能呈近似線性增長，但遞增速率相對較低。與圖6(a)中密封面接觸應力最大值的變化趨勢相比，圖6(b)中鋼圈密封面接觸強度的變化趨勢與試驗獲得的密封壓力下降率的倒數(shù)變化趨勢更加接近。

圖5 工質(zhì)壓力36.7 MPa下VX鋼圈 密封面接觸壓力和接觸面積

圖6 工質(zhì)壓力為36.7 MPa時不同預緊力下VX鋼圈密封性能

從以上結果可知，預緊力是影響VX鋼圈密封性能的重要因素，且密封接觸強度能夠更好地體現(xiàn)VX鋼圈密封性能隨預緊力變化的實際趨勢。因此在考慮連接器鎖緊結構強度的基礎上，要合理提高連接器的預緊力，以提高VX鋼圈密封性能。

3.2 工質(zhì)壓力的影響

圖7所示是預緊力為1 850 kN，不同工質(zhì)壓力下各密封性能指標變化曲線。

圖7 預緊力為1 850 kN時不同工質(zhì)壓力下VX鋼圈密封性能

由圖7可知：當預緊力保持不變時，隨著工質(zhì)壓力的增加，VX鋼圈密封性能持續(xù)增加；在圖7(a)中，接觸應力值在工質(zhì)壓力為2 MPa之前先下降，當工質(zhì)壓力值超過2 MPa后，接觸應力值隨工質(zhì)壓力的增加而呈近似線性增長；在圖7(b)中，在工質(zhì)壓力小于20 MPa之前，密封接觸強度的增長率較低，而工質(zhì)壓力超過20 MPa后，密封接觸強度呈近似線性趨勢增長，且增長速率較高；與圖7(a)相比，圖7(b)中密封強度的增長趨勢與試驗獲得的密封壓力下降率的倒數(shù)變化趨勢更加接近。

從上述分析結果可推斷，當工質(zhì)壓力小于20 MPa時，工質(zhì)壓力對VX鋼圈密封性能的影響相對較小，而當工質(zhì)壓力超過20 MPa后，工質(zhì)壓力對VX鋼圈密封性能影響程度增加，這也間接表明VX鋼圈密封結構能夠很好地適應高壓工況環(huán)境；同時，密封接觸強度能夠更好地模擬密封性能隨工質(zhì)壓力變化的趨勢。

3.3 結構參數(shù)的影響

影響VX密封圈密封性能的結構參數(shù)為鋼圈錐度和密封接觸面寬度[7]，如圖2中α和b所示。因此，以α和b為變量，并以變量當前值為中心，上下浮動50%作為上下界，分析VX鋼圈的密封特性。圖8所示是預緊力為1 850 kN，工質(zhì)壓力為36.7 MPa，密封接觸面寬度為30 mm時，VX鋼圈的密封性能指標隨鋼圈錐度的變化曲線。

圖8 不同鋼圈錐度下VX鋼圈密封性能

由圖8可知：當連接器的安裝與工況環(huán)境不變時，VX鋼圈密封性能隨著鋼圈錐度α的增加而逐步提高；且遞增趨勢呈現(xiàn)較為明顯的3個階段：當錐度小于15.5°時，密封性能遞增趨勢較低；當錐度在15.5°～23.5°間時，密封性遞增速率較高；當錐度超過23.5°后，密封性能遞增速率再次降低。對比圖8(a)和(b)，接觸應力和接觸強度增長趨勢均與試驗獲得的密封壓力下降率的倒數(shù)變化趨勢接近。

根據(jù)上述分析結果可知，當密封錐度為23.5°時，VX鋼圈具有最優(yōu)的密封性能，接觸應力和接觸強度均能夠較好地模擬VX鋼圈密封性能隨鋼圈錐度變化的趨勢。

圖9所示是預緊力為1 850 kN，工質(zhì)壓力為36.7 MPa，鋼圈錐度為23°時，VX鋼圈的密封性能指標隨鋼圈錐度的變化曲線。

由圖9可知：在連接器安裝與工況環(huán)境不變的條件下，VX鋼圈密封性能隨著密封面接觸寬度b的增加而遞增；在圖9(a)中，VX鋼圈密封面接觸應力值隨密封面寬度的增加而遞增，但是遞增速率并不高，而且與試驗獲得的密封壓力下降率的倒數(shù)變化趨勢存在較為明顯的差異；在圖9(b)中，VX鋼圈密封接觸強度隨密封面寬度的增加而遞增，其變化趨勢雖然與試驗獲得的密封壓力下降率的倒數(shù)變化趨勢也存在一定的差異，但是與接觸應力的變化趨勢相比，其一致性相對較高。

圖9 不同密封面寬度下VX鋼圈密封性能

根據(jù)上述分析結果可知，當密封面寬度小于30 mm時，其對VX鋼圈的密封性能影響較大；而當密封面寬度超過30 mm后，其對VX鋼圈密封性能的影響不再明顯，即該型VX鋼圈的最優(yōu)密封面寬度為30 mm。同時，與接觸應力相比，接觸強度能夠更好地模擬VX鋼圈密封性能隨密封面寬度的變化趨勢。

4 結論

(1)連接器安裝過程中的預緊力是影響VX鋼圈密封性能的重要因素，在保證連接器安裝過程中鎖緊結構的安全性時，要盡量提高預緊力，以提高VX鋼圈的密封性能。

(2)工質(zhì)壓力是影響VX鋼圈的密封性能的另外一個重要因素，當工質(zhì)壓力超過20 MPa后，VX鋼圈密封性受工質(zhì)壓力影響較大，這也間接地表明VX鋼圈能夠較好地適應高壓工況環(huán)境。

(3) VX鋼圈密封錐度是影響其密封性能的重要參數(shù)，當錐度α=23.5°時，鋼圈的密封性能最優(yōu)；VX鋼圈密封面寬度b對密封性能有一定影響，且當b=30 mm時，鋼圈密封性能最優(yōu)。

(4)與接觸應力相比，密封接觸強度能夠更好地模擬VX鋼圈密封性能隨預緊力、工質(zhì)壓力和結構參數(shù)變化的趨勢，即在連接器VX鋼圈密封特性分析過程中，應該優(yōu)先選擇密封接觸強度作為密封性能評價指標，可以為金屬-金屬密封特性分析中評價指標的選擇提供支撐證據(jù)。