何東升 代 輝 謝小路 李 川 王 波

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 四川成都 610500)

智能完井技術(shù)是一項(xiàng)新興的油藏油田生產(chǎn)管理技術(shù)，主要利用在井下的傳感器，對(duì)井下的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過(guò)地面平臺(tái)對(duì)井下開(kāi)采進(jìn)行合理地控制，以提高油田的采收率，降低生產(chǎn)成本[1]。智能完井的核心技術(shù)是通過(guò)井下流量控制閥(ICV)對(duì)井下油層進(jìn)行調(diào)控，ICV的密封性對(duì)整個(gè)智能完井系統(tǒng)至關(guān)重要。在井下高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕的惡劣工作條件下，非金屬密封難以滿足使用壽命耐久性的要求，金屬密封具有更高的可靠性和耐久性，可以極大地提高ICV密封性能，保證密封效果[2]。

國(guó)內(nèi)外從20世紀(jì)70年代開(kāi)始針對(duì)金屬密封做了一系列研究。目前工業(yè)上常用的金屬密封的形式主要有 O 形環(huán)、C 形環(huán)、U形環(huán)、W 形環(huán)、K形環(huán)、金屬墊片、三角墊密封等[3]。O 形環(huán)氣密性好，C形環(huán)擁有良好的回彈性，U形環(huán)具有較大的變形范圍，W形環(huán)吸振能力強(qiáng)，K形環(huán)具有良好的自緊性[4-6]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)U形金屬環(huán)的研究比較少。毛劍峰等[7]對(duì)U形密封環(huán)在汽輪機(jī)進(jìn)氣閥門上的應(yīng)用做了研究，主要分析溫度和壓力對(duì)密封環(huán)的接觸面積、接觸應(yīng)力和蠕變現(xiàn)象的影響。李玉婷等[8]對(duì)U形金屬密封環(huán)在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行了研究，分析了密封環(huán)厚度、腿部厚度和圓弧半徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封環(huán)的Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力的影響。

井下流量控制閥通常是在高溫高壓、強(qiáng)腐蝕和夾雜著油氣泥沙等惡劣工況下工作，常用的密封形式為端面密封。為了研究U形金屬環(huán)在石油礦場(chǎng)機(jī)械方面的應(yīng)用，本文作者提出了一種能適用于徑向密封的U形環(huán)，相對(duì)于端面密封需要彈簧或者外部施加力，徑向密封僅需要通過(guò)油液壓力作用便可形成密封[9-11]。運(yùn)用 Abaqus軟件建立了U形金屬密封環(huán)的有限元軸對(duì)稱模型，計(jì)算了在預(yù)緊工況和井下工作條件下U形金屬環(huán)所受的Mises應(yīng)力和接觸壓力的分布情況，分析了初始?jí)嚎s量、厚度、井下壓力對(duì)密封性能的影響，并得出了最佳參數(shù)范圍，對(duì)U形金屬密封環(huán)在石油礦場(chǎng)機(jī)械方面的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 U形金屬密封環(huán)密封機(jī)制及材料選擇

流量控制閥密封的關(guān)鍵是過(guò)流套筒與閥座之間的密封，通常采用的是彈性體與非彈性體的組合形式。金屬具有廣泛的環(huán)境適應(yīng)性和對(duì)絕大多數(shù)化學(xué)品的不敏感性，因此設(shè)計(jì)的流量控制閥密封采用金屬密封[12]。U 形金屬密封環(huán)與閥套之間的密封形式為動(dòng)密封，采用過(guò)盈配合，通過(guò)施加載荷擠壓套筒使其變形與管筒內(nèi)壁接觸，利用接觸壓力使金屬密封圈變形用以填充空隙，從而起到密封作用。圖1是文中提出的流量控制閥的徑向密封示意圖，圖2是U形金屬密封環(huán)截面結(jié)構(gòu)示意圖，U形環(huán)截面結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 流量控制閥徑向密封示意

圖2 U形金屬密封環(huán)截面示意

表1 U形環(huán)截面結(jié)構(gòu)參數(shù) 單位:mm

U形金屬密封環(huán)選用鎳基高溫合金GH4169。GH4169合金在-253～700 ℃溫度范圍內(nèi)具有良好的抗氧化、抗疲勞、耐腐蝕性，并具有良好的穩(wěn)定性以及加工性能，廣泛地運(yùn)用于航天、核能、擠壓模具以及石油工業(yè)中[8]。常溫下GH4169的性能參數(shù)如表2所示。

表2 GH4169的性能參數(shù)

2 有限元模型的建立與分析

2.1 有限元模型的建立

由于U形金屬密封結(jié)構(gòu)是軸對(duì)稱模型，綜合考慮精度與計(jì)算效率的要求，進(jìn)行有限元分析時(shí)將模型簡(jiǎn)化為平面軸對(duì)稱。對(duì)徑向密封模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)各部件采用標(biāo)注化網(wǎng)格劃分技術(shù)，單元類型選擇4節(jié)點(diǎn)雙線性軸對(duì)稱減縮積分單元CAX4R劃分網(wǎng)格[13]。文中重點(diǎn)研究的是U形密封圈與滑套間的接觸壓力，并對(duì)密封圈的受力進(jìn)行分析，因此在進(jìn)行劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)U形金屬密封圈的網(wǎng)格劃分較細(xì)，單元格大小為0.15 mm，而外閥體與過(guò)流套管的單元格大小為0.3 mm。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

邊界條件施加情況:在流量控制閥工作過(guò)程中，過(guò)流滑套在y方向朝下運(yùn)動(dòng)，因此在z方向沒(méi)有位移，在z方向上的所有節(jié)點(diǎn)自由度均被約束， U形金屬密封圈承受x反向擠壓， 在z方向也沒(méi)有位移，在z方向的所有節(jié)點(diǎn)自由度也被約束，閥體在工作中沒(méi)有位移，采用全約束。以上約束方式能較準(zhǔn)確地模擬在井下工作時(shí)U形金屬密封環(huán)的受力情況。在模擬過(guò)程中設(shè)置2個(gè)分析步：第一步過(guò)流滑套向下位移，直到其下端與U形圈底部對(duì)齊；第二步給密封圈內(nèi)壁施加30 MPa的壓力，模擬井下3 000 m時(shí)的壓差環(huán)境。通過(guò)上述步驟模擬過(guò)流閥套與U形圈接觸，研究密封圈在井下的密封情況。

2.2 預(yù)緊條件下的有限元分析

預(yù)緊條件下，U形環(huán)左側(cè)受到了滑套的擠壓，壓緊力通過(guò)0.2 mm的初始?jí)嚎s量來(lái)實(shí)現(xiàn)，結(jié)果如圖4所示。在預(yù)緊條件下，U形環(huán)左側(cè)接觸處受到了較大的壓力，中部受到的壓力較小，腿部圓弧過(guò)渡處和底部?jī)?nèi)側(cè)較大區(qū)域范圍Mises應(yīng)力在1 000 MPa左右，接近金屬材料的屈服極限。

圖4 預(yù)緊條件分析結(jié)果(MPa)

2.3 模擬井下工況下的有限元分析

在井下實(shí)際工況中，U形環(huán)不僅受到預(yù)緊力的作用，內(nèi)部還承受了液壓油30 MPa的壓力，Mises應(yīng)力分布如圖5所示。通過(guò)云圖可以觀察出，此時(shí)應(yīng)力分布發(fā)生了變化。由于壓差的作用使U形環(huán)產(chǎn)生了一定的回彈，最大應(yīng)力值相對(duì)于預(yù)緊力作用降低了，小于材料的屈服極限，材料不會(huì)發(fā)生屈服 。證明U形環(huán)能夠適應(yīng)井下復(fù)雜的工況條件，具備井下工作的能力。

圖5 模擬井下工況分析結(jié)果(MPa)

3 操作參數(shù)對(duì)U形密封環(huán)密封性能的影響

鑒于井下惡劣的工況，影響金屬密封效果的因素較多，其中U金屬密封圈的性能參數(shù)對(duì)密封效果至關(guān)重要。在U形金屬密封圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)中，密封環(huán)厚度的選取較為關(guān)鍵：取值過(guò)小，則應(yīng)力值較大，可能超過(guò)屈服極限而導(dǎo)致變形失效；選取過(guò)大，接觸壓力可能太小，達(dá)不到密封要求。在U形密封圈的工作參數(shù)中，由于加工誤差的存在，使得初始?jí)嚎s量對(duì)密封效果的影響非常重要；ICV在井下3 000 m深處工作，井下壓力對(duì)能否保證密封性能尤為關(guān)鍵。綜上所述，文中選取初始?jí)嚎s量、井下壓力和密封環(huán)厚度展開(kāi)分析。

3.1 密封性能判斷方法

目前對(duì)金屬密封性能的研究，主要考慮的是接觸面的接觸應(yīng)力，當(dāng)接觸應(yīng)力大于墊片系數(shù)與介質(zhì)壓力的乘積時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)密封。秦樺等人[14]對(duì)井下1 500 m深處、壓力69 MPa、溫度180 ℃的水下采油樹(shù)油管懸掛器K形金屬密封環(huán)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)得出結(jié)論：當(dāng)工作壓力壓力小于40 MPa時(shí)，K形金屬密封環(huán)的最大接觸壓力超過(guò)介質(zhì)壓力的3倍；當(dāng)工作壓力大于40 MPa時(shí)，最大接觸壓力超過(guò)介質(zhì)壓力的10倍。文中根據(jù)ICV在井下的實(shí)際工況，選取接觸壓力大于介質(zhì)壓力10倍作為判斷依據(jù)。

3.2 工作參數(shù)對(duì)密封性能的影響3.2.1 初始?jí)嚎s量對(duì)密封性能的影響

由于加工誤差無(wú)可避免，所以密封接觸表面會(huì)存在一定的凹凸。在安裝U形金屬密封環(huán)時(shí)，若初始?jí)嚎s量不足，金屬環(huán)的變形不能填滿凹凸，會(huì)形成細(xì)小的過(guò)流通道，造成泄漏；若初始?jí)嚎s量過(guò)大，會(huì)引起接觸表面的塑性變形甚至是破壞，起不了密封作用。因此，有必要探究初始?jí)嚎s量對(duì)U形金屬密封環(huán)密封性能的影響。

如圖6所示，隨著初始?jí)嚎s量的增加，最大Mises應(yīng)力遞增，當(dāng)初始?jí)嚎s量達(dá)到0.41 mm時(shí)，最大Mises應(yīng)力接近材料的屈服極限1 030 MPa，在初始?jí)嚎s量大于0.41 mm后，最大Mises應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)材料的屈服極限，密封環(huán)失效；最大接觸壓力在初始?jí)嚎s量從0.36 mm增大到0.37 mm時(shí)逐漸增大，而在初始?jí)嚎s量增加到0.39 mm過(guò)程中，由于內(nèi)部壓力的作用，最大接觸壓力有所減小，隨后接觸壓力逐漸增加，最大值接近574 MPa。綜合考慮最大Mises應(yīng)力與接觸壓力的分布情況，初始?jí)嚎s量取0.4 mm時(shí)，既能保證初始密封，也可以防止產(chǎn)生塑性變形。

圖6 初始?jí)嚎s量對(duì)密封性能的影響

3.2.2 井下壓力對(duì)密封性能的影響

井下壓力是影響流量控制閥密封效果的重要因素。ICV在井下3 000 m時(shí)所受的壓力約30 MPa,為了研究U形金屬密封環(huán)在井下流量控制閥中的應(yīng)用，有必要研究井下壓力對(duì)密封效果的影響。如圖7所示，選取的壓力范圍為0～40 MPa。當(dāng)井下壓力從0逐漸增加到33 MPa時(shí)，最大Mises應(yīng)力值為增長(zhǎng)趨勢(shì)；井下壓力超過(guò)33 MPa時(shí)，最大Mises應(yīng)力接近材料的屈服極限1 030 MPa；此后隨著井下壓力的增加，最大Mises應(yīng)力基本保持不變。井下壓力從0增大到28 MPa時(shí)，最大接觸壓力為線性增長(zhǎng)，最大接觸壓力為545 MPa；井下壓力為28～33 MPa時(shí)最大接觸壓力類似曲線增加,最大接觸壓力為632 MPa；隨后最大接觸壓力繼續(xù)保持線性增長(zhǎng),最高接觸壓力為748 MPa。綜合以上分析可以得出，U形金屬密封環(huán)在井下壓力為30 MPa時(shí)，能夠達(dá)到密封要求。

圖7 井下壓力對(duì)密封性能的影響

3.3 密封環(huán)厚度對(duì)密封性能的影響

U形金屬密封環(huán)的厚度是影響井下密封的重要因素。若密封環(huán)厚度過(guò)小，則剛度會(huì)增大，接觸壓力會(huì)相應(yīng)提高，密封環(huán)所承受的應(yīng)力值也會(huì)相應(yīng)增大，可能會(huì)超過(guò)材料屈服極限而導(dǎo)致變形，甚至引起破壞而導(dǎo)致失效；若密封環(huán)厚度過(guò)大，剛度會(huì)相應(yīng)減小，同時(shí)最大應(yīng)力值和接觸壓力也會(huì)降低，若接觸壓力過(guò)低，則達(dá)不到密封要求。因此有必要研究U形金屬密封環(huán)的厚度對(duì)井下密封的影響。

如圖8所示，U形金屬密封環(huán)的厚度選取范圍為3.6～4.4 mm。厚度為4.05 mm時(shí)，最大Mises應(yīng)力值為975 MPa，低于材料的屈服極限1 030 MPa,在此范圍內(nèi)的厚度對(duì)Mises應(yīng)力的影響不大，能夠滿足材料的強(qiáng)度要求。在選取的厚度范圍內(nèi)，在預(yù)緊力和內(nèi)部壓力的共同作用下，最大接觸壓力在3.6～4.1 mm范圍內(nèi)先減小，隨后接觸壓力與厚度呈正相關(guān)。綜合材料強(qiáng)度影響與密封實(shí)際效果，并考慮經(jīng)濟(jì)效應(yīng)等因素，厚度選取3.7 mm較為合理。

圖8 密封環(huán)厚度對(duì)密封性能的影響

4 結(jié)論

(1)提出了一種能適用于井下復(fù)雜工況的U形金屬密封圈，基于井下流量控制閥的實(shí)際工作條件，將密封形式由端面密封改為徑向密封，能更好地實(shí)現(xiàn)緊密密封。

(2)隨著U形金屬密封圈初始?jí)嚎s量的增加，最大Mises應(yīng)力遞增，最大接觸壓力先增大后減小再增大；隨井下壓力增加，最大Mises應(yīng)力值先增加，超過(guò)材料的屈服極限之后基本保持不變，最大接觸壓力波動(dòng)增加；隨密封環(huán)厚度增加，最大Mises應(yīng)力先增大后減小，最大接觸壓力先減小后增大。當(dāng)初始?jí)嚎s量為0.4 mm、厚度為3.7 mm時(shí)U形金屬密封圈性能最佳。

(3)設(shè)計(jì)的U形環(huán)在井下3 000 m、工作壓力為30 MPa時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)緊密密封，對(duì)U形金屬密封環(huán)在石油礦場(chǎng)機(jī)械方面的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。