秦 樺 安 晨 徐 健 段夢(mèng)蘭 葉天源 李 華

（1．中國(guó)石油大學(xué)（北京）海洋工程研究院 北京 102249； 2．重慶前衛(wèi)海洋石油工程設(shè)備有限責(zé)任公司 重慶 401121；3．重慶前衛(wèi)科技集團(tuán) 重慶 401121）

水下采油樹(shù)油管懸掛器K形金屬密封環(huán)密封性能模擬分析＊

秦 樺1安 晨1徐 健1段夢(mèng)蘭1葉天源2李 華3

（1．中國(guó)石油大學(xué)（北京）海洋工程研究院 北京 102249； 2．重慶前衛(wèi)海洋石油工程設(shè)備有限責(zé)任公司 重慶 401121；3．重慶前衛(wèi)科技集團(tuán) 重慶 401121）

水下采油樹(shù)油管懸掛器的密封性能直接關(guān)系到水下采油樹(shù)工作的可靠性，密封一旦失效，將會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)通道中的原油及生產(chǎn)過(guò)程中注入的化學(xué)試劑發(fā)生泄漏，造成環(huán)境污染。本文利用ABAQUS軟件建立了真實(shí)工況下（最大水深1 500 m，壓力等級(jí)69 MPa，溫度等級(jí)180℃）水下采油樹(shù)油管懸掛器K形金屬密封環(huán)的有限元模型，分析了不同初始過(guò)盈量、工作壓力和工作溫度對(duì)金屬密封環(huán)最大Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力的影響。分析結(jié)果表明，K形金屬密封環(huán)的最大Mises應(yīng)力和兩側(cè)的最大接觸應(yīng)力隨著工作壓力的增加而增加，最大Mises應(yīng)力和外側(cè)的最大接觸應(yīng)力隨著過(guò)盈量的增大而減小，內(nèi)側(cè)的最大接觸應(yīng)力則隨著過(guò)盈量的增大而增大，而工作溫度對(duì)其影響不大。在不同工作溫度和過(guò)盈量一定的條件下，當(dāng)工作壓強(qiáng)小于40 MPa時(shí)，K形金屬密封環(huán)兩側(cè)的最大接觸應(yīng)力均超過(guò)介質(zhì)壓力的2～3倍，而當(dāng)工作壓強(qiáng)大于40 MPa時(shí)，K形金屬密封環(huán)外側(cè)的最大接觸應(yīng)力超過(guò)介質(zhì)壓力的10倍，因此K形金屬密封環(huán)在各種工況下均能滿足密封準(zhǔn)則，能對(duì)油管掛形成良好的密封。本文研究結(jié)果對(duì)水下采油樹(shù)油管懸掛器的密封設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

水下采油樹(shù)；油管懸掛器；K形金屬密封環(huán)；密封性能；有限元分析；過(guò)盈量；工作壓強(qiáng)；工作溫度；Mises應(yīng)力；接觸應(yīng)力

水下采油樹(shù)密封是水下采油樹(shù)工作中的關(guān)鍵問(wèn)題，也是水下采油樹(shù)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。水下采油樹(shù)密封包括油管懸掛器與樹(shù)體之間的密封、樹(shù)體與頂部裝置之間的密封等，其主要密封形式有VX鋼圈密封、K形金屬密封等。水下采油樹(shù)油管懸掛器與樹(shù)體之間的密封直接關(guān)系到水下采油樹(shù)工作的可靠性，密封一旦失效，將會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)通道中的原油及生產(chǎn)過(guò)程中注入的化學(xué)試劑發(fā)生泄漏，造成環(huán)境污染。為保證油管懸掛器密封的可靠性，一般采用耐高溫高壓的K形金屬密封，其兩側(cè)分別與樹(shù)體和油管懸掛器建立了過(guò)盈接觸而具有較好的預(yù)緊力和密封性能。Cao等［1］對(duì)水下井口金屬密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，提出了高安全性、高可靠性的密封設(shè)計(jì)。張凱 等［2］對(duì)比分析了Cameron、FMC等國(guó)外知名公司的水下油管懸掛器的技術(shù)，發(fā)現(xiàn)金屬密封在油管懸掛器等水下裝備中得到大量的使用。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于油管懸掛器采用金屬密封的研究較少。李振濤［3］對(duì)水下 MEC密封進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析，得出了較好的金屬密封判定準(zhǔn)則。張凱 等［4］對(duì)油管懸掛器密封進(jìn)行了有限元分析，探討了不同過(guò)盈量、工作壓力和工作溫度時(shí)的最大Mises應(yīng)力及接觸應(yīng)力等的變化規(guī)律。彭粲粲 等［5］對(duì)K形金屬密封環(huán)在預(yù)緊工況以及69 MPa介質(zhì)壓力的工作工況下進(jìn)行了有限元分析，得出了其裝配時(shí)最佳過(guò)盈量范圍及對(duì)應(yīng)的最大Mises應(yīng)力、最大接觸應(yīng)力的分布情況，但因其有限元分析并未考慮實(shí)際的安裝過(guò)程，因此分析結(jié)果存在一定缺陷。

目前國(guó)外對(duì)水下采油樹(shù)油管懸掛器的密封實(shí)行專利保護(hù)和技術(shù)封鎖，因此開(kāi)展油管懸掛器的密封研究對(duì)實(shí)現(xiàn)水下采油樹(shù)的國(guó)產(chǎn)化具有重要意義。針對(duì)液體的金屬密封還沒(méi)有統(tǒng)一的判據(jù)［6－10］，本文采用文獻(xiàn)［3］建議的標(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)密封面的接觸應(yīng)力大于密封介質(zhì)（原油）壓力的3倍時(shí)在理論上能形成良好的密封性能，利用ABAQUS軟件對(duì)油管懸掛器K形金屬密封性能進(jìn)行有限元分析，針對(duì)所研究的水下采油樹(shù)工作最大水深1 500 m、壓力等級(jí)69 MPa、溫度等級(jí)180℃的設(shè)計(jì)條件，根據(jù)ISO13628－4和API 17D等相應(yīng)規(guī)范，研究不同初始過(guò)盈量、工作壓力和工作溫度對(duì)應(yīng)的最大接觸應(yīng)力及Mises應(yīng)力等的變化規(guī)律，從而判斷K形金屬密封環(huán)的密封性能，為水下采油樹(shù)油管懸掛器密封結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 油管懸掛器密封結(jié)構(gòu)

水下采油樹(shù)按其油管懸掛器的安裝方式可分為臥式采油樹(shù)和立式采油樹(shù)［11］，本文以臥式采油樹(shù)為研究對(duì)象，其相關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括樹(shù)體、油管懸掛器、密封環(huán)等。原油從井口頭流入，經(jīng)油管懸掛器，從油管懸掛器出油口流出。K形金屬密封環(huán)分布于油管懸掛器出油口上下兩側(cè)，防止原油泄漏。圖1中右側(cè)放大圖為K形金屬密封環(huán)初始過(guò)盈量為0．2 mm時(shí)密封部分結(jié)構(gòu)圖和K形金屬密封環(huán)的細(xì)節(jié)圖。

圖1 水下臥式采油樹(shù)結(jié)構(gòu)Fig．1 Structure of subsea horizontal christmas tree

2 K形金屬密封環(huán)有限元模型建立及參數(shù)選取

2．1 有限元模型的建立

K形金屬密封環(huán)與油管懸掛器之間采用過(guò)盈配合的安裝形式，過(guò)盈配合的實(shí)現(xiàn)方式有熱／冷裝法和機(jī)械壓裝法，本文使用ABAQUS軟件對(duì)K形金屬密封環(huán)的機(jī)械過(guò)盈壓裝法裝配過(guò)程進(jìn)行模擬分析，分析過(guò)程如圖2所示。從圖2可以看出，安裝過(guò)程中有2次機(jī)械過(guò)盈裝配：一是推動(dòng)K形金屬密封環(huán)與油管懸掛器在過(guò)盈情況下沿著油管懸掛器的外表面向上運(yùn)動(dòng)，直至與上部擋環(huán)接觸；二是推動(dòng)采油樹(shù)本體沿著K形金屬密封環(huán)外側(cè)表面向上過(guò)盈裝配到一定位置。這2個(gè)過(guò)程符合實(shí)際安裝工況，而文獻(xiàn)［5］未考慮到這一點(diǎn)?？紤]到油管懸掛器與樹(shù)體之間的環(huán)空間隙尺寸比K形金屬密封環(huán)的最大徑向尺寸小0．3 mm，即兩側(cè)過(guò)盈量之和為0．3 mm，因此本文研究K形金屬密封環(huán)和油管懸掛器之間的初始過(guò)盈量為0．1～0．3 mm。

圖2 水下臥式采油數(shù)K形金屬密封環(huán)安裝分析過(guò)程Fig．2 Analysis process of K－type metal sealing ring installation in subsea horizontal christmas tree

考慮到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，為簡(jiǎn)化分析，在ABAQUS模型中使用二維軸對(duì)稱模型，主要研究對(duì)象為K形金屬密封環(huán)，網(wǎng)格尺寸取0．1 mm，油管懸掛器和采油樹(shù)樹(shù)體網(wǎng)格尺寸取1 mm，上部擋塊網(wǎng)格尺寸取0．5 mm，所有部件均使用非協(xié)調(diào)軸對(duì)稱單元CAX4I來(lái)劃分。K形金屬密封環(huán)網(wǎng)格劃分及載荷施加情況如圖3所示。

圖3 水下臥式采油樹(shù)K形金屬密封環(huán)網(wǎng)格模型和載荷模型Fig．3 Meshing and loading models of K－type metal sealing ring in subsea horizontal christmas tree

該模型中，油管懸掛器完全固定，通過(guò)控制K形金屬密封環(huán)豎直方向的位移將其過(guò)盈安裝到油管懸掛器上，因此只釋放其豎直方向的自由度。通過(guò)控制采油樹(shù)樹(shù)體豎直方向的位移將其過(guò)盈安裝到K形金屬密封環(huán)上，同樣只釋放其豎直方向的自由度，而且上部擋環(huán)也是完全固定。安裝過(guò)程中，上部擋環(huán)、油管懸掛器和樹(shù)體分別約束K形金屬密封環(huán)豎直方向和水平方向的運(yùn)動(dòng)。在安裝工況下，采用位移加載方式控制K形金屬密封環(huán)向上運(yùn)動(dòng)并過(guò)盈裝配到油管懸掛器上；同樣，采用位移加載方式控制樹(shù)體向上運(yùn)動(dòng)與K形金屬密封環(huán)建立過(guò)盈接觸。在工作工況下，為分析不同溫度和壓強(qiáng)下K形金屬密封環(huán)的密封性能，在K形金屬密封環(huán)下部端面和下唇內(nèi)側(cè)施加10～69 MPa的工作壓強(qiáng)和20～180℃的工作溫度。

2．2 材料特性參數(shù)選取

由于K形金屬密封環(huán)工作環(huán)境特殊，需要選用工作溫度范圍較大、屈服強(qiáng)度高、塑性較好并具有一定耐腐蝕性能的金屬材料，才能滿足其工作要求。本文中K形金屬密封環(huán)選用鎳基高溫合金Inconel718材料，而油管懸掛器、樹(shù)體等零件選用高強(qiáng)度鋼Q345，分析中只考慮了K形金屬密封環(huán)的熱力學(xué)膨脹。不同部件的材料特性參數(shù)選取結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 水下臥式采油樹(shù)K形金屬密封環(huán)及相關(guān)零件材料特性Table 1 Material properties of K－type metal sealing ring and relevant parts in subsea horizontal christmas tree

2．3 接觸分析參數(shù)選取

接觸問(wèn)題是復(fù)雜的狀態(tài)非線性問(wèn)題，接觸面之間的相互作用包含接觸面間的法向作用和接觸面間的切向作用。對(duì)于法向作用，ABAQUS中接觸壓力和間隙的默認(rèn)關(guān)系是“硬接觸”，即只有當(dāng)2個(gè)表面之間的間隙變?yōu)?時(shí)才會(huì)施加約束。對(duì)于切向作用，ABAQUS中常用的摩擦模型為庫(kù)侖摩擦和罰函數(shù)模型等。由于使用庫(kù)侖模型模擬理想的摩擦行為可能會(huì)不收斂，因此在建模時(shí)使用允許粘結(jié)的接觸面之間發(fā)生小量相對(duì)運(yùn)動(dòng)的罰摩擦公式，其中罰函數(shù)模型允許接觸面有“彈性滑移”，這里使用罰函數(shù)的摩擦模型，定義摩擦因數(shù)為0．15。

分析中，K形金屬密封環(huán)有3對(duì)接觸，即密封圈內(nèi)側(cè)與油管懸掛器外側(cè)接觸、密封圈外側(cè)與樹(shù)體內(nèi)側(cè)接觸以及密封圈上部與上部擋環(huán)接觸。模擬時(shí)分別將油管懸掛器右側(cè)表面、上部擋環(huán)下側(cè)表面和采油樹(shù)本體左側(cè)表面作為主面，K形金屬密封環(huán)相應(yīng)的接觸面作為從面。

3 K形金屬密封環(huán)密封性能分析

3．1 安裝前后密封性能分析

為確保K形金屬密封環(huán)在水下能夠正常工作，分別對(duì)其在安裝工況下（即不考慮工作溫度和工作壓力時(shí)）和工作工況下（取工作壓力30 MPa，工作溫度20℃）所受應(yīng)力情況進(jìn)行了計(jì)算分析。圖4a、b分別為安裝工況下和工作工況下K形金屬密封環(huán)與油管懸掛器之間的初始過(guò)盈量為0．2 mm時(shí)的Mises應(yīng)力圖和局部放大圖。由圖4a可看出，K形金屬密封環(huán)在2次過(guò)盈裝配后所受的最大 Mises應(yīng)力為426 MPa，最大 Mises應(yīng)力出現(xiàn)在K形金屬密封環(huán)內(nèi)側(cè)圓環(huán)處且上下基本一致。由圖4b可看出，在下側(cè)施加溫度和壓力載荷后，最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在K形金屬密封環(huán)下部?jī)?nèi)側(cè)處，最大值為501．2 MPa。由此可見(jiàn)，2種工況下K形金屬密封環(huán)所受的最大Mises應(yīng)力均小于材料的屈服極限，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5a、b分別為安裝工況下和工作工況下K形金屬密封環(huán)與油管懸掛器過(guò)盈量為0．2 mm時(shí)的內(nèi)外兩側(cè)輪廓上的接觸應(yīng)力分布圖。為了更好地說(shuō)明在安裝工況和工作工況下K形金屬密封環(huán)兩側(cè)的接觸應(yīng)力沿輪廓的分布規(guī)律，提取圖5數(shù)據(jù)結(jié)果，并將其進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖6所示。

圖4 2種工況下水下臥式采油樹(shù)K形密封環(huán)Mises應(yīng)力及局部放大Fig．4 Mises stress distribution and its partial magnification of K－type metal sealing ring in subsea horizontal christmas tree under two different conditions

圖5 2種工況下水下臥式采油樹(shù)K形金屬密封環(huán)兩側(cè)輪廓上的接觸應(yīng)力Fig．5 Contact stress distribution along the contour on both sides of K－type metal sealing ring in subsea horizontal christmas tree under two different conditions

圖6 2種工況下水下臥式采油樹(shù)K形密封環(huán)兩側(cè)的接觸應(yīng)力在輪廓上的分布Fig．6 Contact stress distribution of K－type metal sealing ring along the contour in subsea horizontal christmas tree under two different conditions

從圖6中可以看出，2種工況下K形金屬密封環(huán)兩側(cè)的接觸應(yīng)力沿輪廓的變化趨勢(shì)基本相同，不同工況下K環(huán)的外側(cè)接觸應(yīng)力曲線均在接觸部位達(dá)到最大，曲線呈現(xiàn)峰值效應(yīng)，其中工作工況下外側(cè)最大接觸應(yīng)力值為289 MPa，大于介質(zhì)壓力的3倍，滿足密封要求，這與K形金屬密封環(huán)與樹(shù)體之間只有較小的接觸面積有關(guān)。不同工況下K形金屬密封環(huán)的內(nèi)側(cè)接觸應(yīng)力曲線均在一定區(qū)域內(nèi)有數(shù)值，并在該區(qū)域中表現(xiàn)出了一定的保持性（其內(nèi)側(cè)接觸應(yīng)力保持在30～50 MPa，約為介質(zhì)壓力的1～2倍），這與K形金屬密封環(huán)內(nèi)側(cè)和油管懸掛器之間有較大的接觸面積有關(guān)。考慮到左側(cè)接觸面較大且在實(shí)際情況下原油泄漏只發(fā)生在K形金屬密封環(huán)外側(cè)，因此在工作工況下K形金屬密封環(huán)達(dá)到密封要求。從數(shù)值方面來(lái)看，不同工況下K形金屬密封環(huán)外側(cè)在接觸區(qū)域的最大接觸應(yīng)力的差別比較大，而不同工況下K形金屬密封環(huán)的內(nèi)側(cè)接觸應(yīng)力在接觸區(qū)域的差別則較小，這與K形金屬密封環(huán)外側(cè)上下唇變形較大有關(guān)。另外，圖6中4條曲線中間大部分區(qū)域與橫坐標(biāo)軸重合，表示K形金屬密封環(huán)上下接觸部位中間未接觸的部位無(wú)接觸應(yīng)力。

實(shí)際接觸面的密封效果好壞取決于最大接觸應(yīng)力，而且不同情況下接觸應(yīng)力沿輪廓分布規(guī)律基本相同，因此下面分析中只關(guān)注K形金屬密封環(huán)兩側(cè)接觸面上的最大接觸應(yīng)力，而不考慮其沿輪廓的分布。

3．2 初始過(guò)盈量對(duì)密封性能的影響

金屬密封過(guò)盈量對(duì)密封性能有很大的影響。環(huán)境溫度4℃、工作壓力10 MPa、工作溫度20℃條件下油管懸掛器在過(guò)盈量分別為0．10、0．15、0．20、0．25、0．30 mm時(shí)的最大 Mises應(yīng)力分布和最大接觸應(yīng)力曲線如圖7所示。K形金屬密封環(huán)與油管懸掛器之間的初始過(guò)盈量增大時(shí)，K形金屬密封環(huán)與樹(shù)體之間的初始過(guò)盈量則相應(yīng)減小。從圖7可以看出，K形金屬密封環(huán)內(nèi)側(cè)的最大接觸應(yīng)力隨著過(guò)盈量的增大而增大，基本大于介質(zhì)壓力的3倍，滿足密封要求；而K形金屬密封環(huán)外側(cè)的最大接觸應(yīng)力和最大Mises應(yīng)力隨過(guò)盈量的增大而減小，但其外側(cè)的最大接觸應(yīng)力始終大于介質(zhì)壓力10倍以上，滿足密封要求，而最大Mises應(yīng)力始終小于材料的屈服極限，滿足設(shè)計(jì)要求。分析認(rèn)為，造成上述情況的主要原因是K形金屬密封環(huán)的上下唇剛度較小，因此在樹(shù)體的安裝過(guò)程中容易導(dǎo)致K形金屬密封環(huán)外側(cè)有較大的應(yīng)力，而當(dāng)樹(shù)體與K形金屬密封環(huán)之間過(guò)盈量減小時(shí)則會(huì)減小其上下唇的變形，其受到的應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)的減小。

圖7 不同初始過(guò)盈量下水下臥式采油樹(shù)K形金屬密封環(huán)Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力Fig．7 Maximum contact stress and Mises stress curves of K－type metal sealing ring in subsea horizontal christmas tree under different initial magnitude of interferences

3．3 工作溫度對(duì)密封性能的影響

油管懸掛器的工作溫度受到內(nèi)部油液的影響會(huì)導(dǎo)致K形金屬密封環(huán)發(fā)生徑向膨脹，進(jìn)一步增大與油管懸掛器之間的過(guò)盈量，進(jìn)而增大接觸應(yīng)力和Mises應(yīng)力，因此有必要分析不同工作溫度下K形金屬密封環(huán)所受的應(yīng)力。圖8為K形金屬密封環(huán)在過(guò)盈量分別為0．1、0．2 mm時(shí)，環(huán)境溫度為4℃，工作壓力為10 MPa，工作溫度分別為20、60、100、140、180℃下的最大接觸應(yīng)力。

圖8 不同工作溫度下水下臥式采油樹(shù)K形金屬密封環(huán)內(nèi)外側(cè)的最大接觸應(yīng)力（過(guò)盈量為0．1、0．2 mm）Fig．8 Maximum contact stress curves on both sides of K－type metal sealing ring in subsea horizontal christmas tree under different working temperatures（interference are 0．1 mm and 0．2 mm）

由圖8可知，隨著工作溫度的升高，K形金屬密封環(huán)內(nèi)外側(cè)的最大接觸應(yīng)力逐漸增大，但是增加幅度較小。當(dāng)過(guò)盈量為0．1 mm時(shí)，K形金屬密封環(huán)內(nèi)側(cè)的最大接觸應(yīng)力保持在45 MPa左右，外側(cè)的最大接觸應(yīng)力維持在225 MPa左右，樹(shù)體和K形金屬密封環(huán)之間的過(guò)盈量較大；當(dāng)過(guò)盈量為0．2 mm時(shí)，K形金屬密封環(huán)內(nèi)側(cè)的最大接觸應(yīng)力保持在45 MPa左右，外側(cè)的最大接觸應(yīng)力維持在136 MPa上下。圖8中的曲線說(shuō)明，相同過(guò)盈量下K形金屬密封環(huán)的最大接觸應(yīng)力隨溫度的升高而增大，但是影響較小，內(nèi)外側(cè)最大接觸應(yīng)力均超過(guò)介質(zhì)壓力的4倍，說(shuō)明無(wú)論溫度怎么變化，K形金屬密封環(huán)均有較好的密封性能。

3．4 工作壓力對(duì)密封性能的影響

在工作工況下，K形金屬密封圈底部受到的壓力最大為69 MPa。圖9為K形金屬密封環(huán)在過(guò)盈量分別為0．1、0．2 mm 時(shí)，工作溫度為20 ℃，環(huán)境溫度為4℃，工作壓力分別為10、20、30、40、50、60、69 MPa下的最大Mises應(yīng)力和內(nèi)外側(cè)最大接觸應(yīng)力。圖9可以看出，K形金屬密封環(huán)在不同過(guò)盈量時(shí)，不同工作壓強(qiáng)下Mises應(yīng)力和內(nèi)外側(cè)最大接觸應(yīng)力變化趨勢(shì)基本相同，具體表現(xiàn)為：K形金屬密封環(huán)最大Mises應(yīng)力隨著工作壓強(qiáng)的增大而增大，且小于材料的屈服應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)使用要求；K形金屬密封環(huán)內(nèi)外側(cè)的最大接觸應(yīng)力基本隨工作壓強(qiáng)的增大而呈線性增加，其中內(nèi)側(cè)最大接觸壓力約為介質(zhì)壓力的1～2倍，外側(cè)最大接觸壓力約為介質(zhì)壓力的8～10倍，但是由于實(shí)際情況下泄漏發(fā)生在K形金屬密封環(huán)外側(cè)，因此在工作工況下K形金屬密封環(huán)達(dá)到密封要求?？梢?jiàn)，K形金屬密封環(huán)在69 MPa壓力等級(jí)下具有良好的密封效果。

圖9 不同工作壓強(qiáng)下水下臥式采油樹(shù)K形金屬密封環(huán)Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力（過(guò)盈量為0．1、0．2 mm）Fig．9 Maximum contact stress and Mises stress curves of K－type metal sealing ring in subsea horizontal christmas tree under different working pressure（magnitude of interference are 0．1 mm and 0．2 mm）

4 結(jié)論

1）在工作壓力和溫度一定的條件下，隨著過(guò)盈量的增大，水下臥式采油樹(shù)K形金屬密封環(huán)Mises應(yīng)力和外側(cè)的最大接觸應(yīng)力逐漸減小，而內(nèi)側(cè)的最大接觸應(yīng)力逐漸增大。

2）K形金屬密封環(huán)最大接觸應(yīng)力隨工作溫度變化不大，且不同溫度下K形金屬密封環(huán)兩側(cè)的最大接觸應(yīng)力均大于介質(zhì)壓力的3倍，因此能實(shí)現(xiàn)較好的密封。

3）在溫度和過(guò)盈量一定的條件下，K形金屬密封環(huán)最大接觸應(yīng)力隨工作壓力的增大而增大，K形金屬密封環(huán)內(nèi)側(cè)的最大接觸壓力約為介質(zhì)壓力的1～2倍，K形金屬密封環(huán)外側(cè)的最大接觸壓力約為介質(zhì)壓力的8～10倍，但是由于實(shí)際情況下泄漏發(fā)生在K形金屬密封環(huán)外側(cè)，因此K形金屬密封環(huán)在69 MPa壓力等級(jí)下具有良好的密封效果。

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Simulation analysis of sealing performance of the K－type metal sealing ring on subsea christmas tree tubing hanger

QIN Hua1AN Chen1XU Jian1DUAN Menglan1YE Tianyuan2LI Hua3
（1．Institute of Ocean Engineering Research，China University of Petroleum，Beijing102249，China；2．Chongqing Qianwei Offshore Petroleum Engineering ＆ Equipment Co．Ltd．，Chongqing401121，China；3．Chongqing Qianwei Science ＆ Technology Group，Chongqing401121，China）

The sealing performance of the K－type metal sealing ring on subsea christmas tree tubing hanger has great implications to the reliability of subsea christmas trees．Failures of the ring will lead to the leak－age of the crude oil in the production stream and the injected chemical reagents，causing environmental pollution．A finite element model for the performance of K－type metal sealing rings on subsea christmas tree tubing hanger under the practical working conditions（maximum water depth of 1 500 m，pressure grade of 69 MPa，temperature grade of 180℃）was developed with the software ABAQUS．Different initial interferences，working pressures and working temperatures are compared to analyze their influences on the maximum Mises stress and maximum contact stress of the ring．The results show that the maximum Mises stress and maximum contact stresses on both the outer and inner sides increases with the increase in the working pressure；but only the maximum contact stress on the inner side increases with the increase in the amount of interference，with the other two parameters decreases with it．The influence of working temperature on the stresses is insignificant．Under various working temperatures and a fixed amount of interference，when the working pressure is lower than40 MPa，the maximum contact stress on both sides of the ring is about two to three times of the medium pressure；when the working pressure is higher than 40 MPa，the maximum contact stress on the outer side of the ring is ten times of the medium pressure．Consequently the K－type metal sealing ring can meet the sealing requirements under different working conditions．The research result provides theoretical foundation for designing and fabricating K－type metal sealing rings on subsea christmas tree tubing hanger．

subsea christmas tree；tubing hanger；K－type metal sealing ring；sealing performance；finite element analysis；interferences；working pressure；working temperature；Mises stress；contact stress

TE952

A

秦樺，安晨，徐健，等．水下采油樹(shù)油管懸掛器 K形金屬密封環(huán)密封性能模擬分析［J］．中國(guó)海上油氣，2017，29（5）：141－148．

QIN Hua，AN Chen，XU Jian，et al．Simulation analysis of sealing performance of the K－type metal sealing ring on subsea christmas tree tubing hanger［J］．China Offshore Oil and Gas，2017，29（5）：141－148．

1673－1506（2017）05－0141－08

10．11935／j．issn．1673－1506．2017．05．020

＊國(guó)家發(fā)展改革委2013海洋工程裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)“水下采油樹(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化（編號(hào)：ZX20140095）”、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“基于深水功能艙的全智能新一代水下生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究（編號(hào)：2016YFC0303700）”部分研究成果。

秦樺，男，中國(guó)石油大學(xué)（北京）在讀碩士研究生，研究方向?yàn)楹Ｑ笫脱b備。地址：北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)中國(guó)石油大學(xué)（北京）（郵編：102249）。E－mail：qinhua0918＠163．com。

安晨，男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)楹Ｑ笫脱b備。地址：北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)中國(guó)石油大學(xué)（北京）（郵編：102249）。E－mail：anchen＠cup．edu．cn。

2016－11－30 改回日期：2017－05－08

（編輯：呂歡歡）