隔水管接头密封国有限元分析.pdf

石油机械
2011年第39卷第11期
CHINA PETROLEUM MACHINERY
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设计计算
隔水管接头密封圏有限元分析
张怡王荣耀2陈国明2辋少栋2王少平1张新平
1.中海油能源发展股份有限公司2.中国石油大学(华东)海洋油气
装备与安全技术研究中心3.中海石油(中国)有眼公司深圳分公司
摘要针对海洋石油开采不断向超深水发展,隔水管长度增加导致钻井液压力急剧增大的问
题,对隔水管接头密封展开研究。以隔水管接头主管和辅助管线密封圈为研究对象,利用大型有
限元分析软件 ABAQUS建立其密封有限元模型,对密封圈在不同工作压カ下的变形与受力情況进
行了分析研究。结果表明,随着工作压力的増加,主管和辅助管线密封圈的接触应力都相应增加,
辅助管线密封的应力峰区位置随工作压力的变化而变化;随着工作压力的增加,密封圈的最大剪
切应力增大。分析结果可为隔水管接头密封圈的优化设计提供参考。
关键词隔水管密封圈接头有限元分析
性体密封圈的内圈均为橡胶材料,双弹性体密封圈
0引言
的外圈一般为比橡胶稍硬的高分子聚合物。橡胶材
料的应力应变关系极为复杂,非线性特征明显。
接头密封一直是隔水管设计和分析的重点。接 ABAQUS超弹性本构模型主要包括 Arruda- Boyce
头密封失效直接影响隔水管系统迮接的可靠性,一 Marlow、 Mooney- Rivlin、Neo- Hookean、 Yeoh、Og
且失效,就会使钴井作业停止,増加钴井时间和成den、 Polynomial、 Reduced polynomial以及 Vander
本,同时隔水管钴井液泄漏还会污染海洋环境。Wals模型等。其中, Mooney-rivlin模型适合于模
随着海洋石油开采不断向超深水发展,隔水管长度拟中小应变的橡胶材料力学行为45。在该模型中,
的增加导致钻井液压力急剧增大,隔水管接头密封通过附加体积约東能量项,得到修正应变能函数,
设计与分析越来越受到作业人员的重视。国外利用该修正的函数将原来的体积约東变分问题转化
Montgomery?对隔水管接头节流压井管线密封及失为无条件变分问题,其修正应变能函数形式为:
效形式展开了研究;Cary?提出了隔水管接头密封
失效的修复方案;陈国定等进行了0形密封圈
W=∑C(1-3)(4
∑
的有限元分析。虽然在其他领域针对密封有限元分
析有较多的研究,但专门针对隔水管接头的密封有式中W一应变能;
限元分析却极少。笔者以隔水管接头主管和辅助管
、-一材料常数;
线密封圈为研究对象,进行隔水管接头的密封有限
1、2、3一变形张量的第一、第二和第
元分析,研究隔水管接头的密封性能,探讨工作压三不变量,当材料为不可压缩材料时,l3=0
力对接头密封的影响。
为便于处理不可压缩材料的变形问题,笔者采
用2参数 Mooney- Rivlin模型进行分析,其应变能
1有限元分析模型
函数形式为
1.1密封圈材料有限元模型
式中Co、Co- Rivlin系数,与材料的应变能
隔水管接头主管Y形密封圈和辅助管线双弹偏量部分有关。
*基金项目:海洋石油总公同2009年度科研项目(C/ KJF NFYJ004-2009)。
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1.2隔水管接头密封几何模型
1.3隔水管接头密封有限元模型
隔水管接头密封的形式如图1所示,上、下法
由于载荷利和结构的对称性,密封圈问题属于轴
兰之间嵌有密封衬套,在衬套和法兰之间设置密封对称问题,所以可以把对密封圈的研究由三维问题
圈防止钻井液泄漏。通常在密封衬套的上、下端各变成二维问题。建立计算模型时,选取密封衬套
设置2对密封,并将密封圈的开口侧朝向需要承受法兰体和密封圈进行研究。建模过程中,由于密封
钻液压力的一侧2。密封衬套的外部末端直径衬套和法兰体的刚度是橡胶的几万倍,所以不考虑
较小,中心直径较大,因此装配很方便,相对于法其变形,作为刚体考虑。为了进一步简化模型,刚
兰体容易更换,将容易损坏的结构如密封圏沟槽设体均用线代表平面。建模过程中省略了部分密封衬
置在衬套上,当密封沟槽损坏时只需更换衬套。套和法兰材料,这并不影响计算分析,因为密封圈
的失效主要发生在接触面上。对于静密封,当工作
压力超过32MPa时,应考虑在低压侧设置密封挡
圈。Y形圈和双弹性体密封圈的有限元模型分别如
图3和图4所示(辅助管线密封圈因为非线性程度
大,为加快其收敛,将挡圈视为刚体)。
图1隔水管接头主管密封示意图
Y形密封圈是隔水管接头主管常用的一种密封
圈形式。Y形密封圈依靠其张开的唇边贴于密封副
耦合面。无内压时,仅仅因唇尖的变形而产生很小
的接触应力。在密封的情况下,与密封介质接触的
图3主管Y形密封圈有限元模型
每一点上均有与介质压力相等的法向压力,接触应
力增加。当内压再升高时,接触应力的分布形式和
大小进一步改变,唇部与密封面配合更紧密,所以
密封性更好,这就是Y形圈的自封作用。
节流和压井管线采用双弹性体密封圈来实现密
封,是U形密封圈内嵌入1个0形圈而形成的
特殊的密封圈。这种密封圈使用弹性模量大、摩擦
因数小的高分子聚合物作为密封圈外圈材料,在外
图4辅助管线双弹性体密封圈有限元模型
圈中间嵌人橡胶材质的O形密封圈,靠0形圈被
分析中橡胶材质采用近似不可压缩弹性材料的
挤压的弹性势能来保持密封所需要的接触应力。在 Mooney- Rirlin 7模型,和材料的应变能偏量部分有关
内压的作用下,0形圈产生较大的压缩变形,提供的2个材料常数C。利和Co分别为1.514和0.473。
给外密封圈足够的密封接触应力,并对外密封圈的主管Y形圈密封模型包含3类接触:密封圈和法
磨损起补偿作用,图2为隔水管辅助管线密封示兰内表面之间的接触;密封圏和密封沟槽的侧面之
意图。
间的接触;密封圈和密封沟槽底祁的接触。辅助管
外接头和内接头外端
线密封模型包含4类接触:密封圈外圈和法兰内表
之间的配合间隙
铬化硼系化合物涂层
面之间的接触;密封圈外圈和密封沟槽侧面之间的
接触;密封圈外圈和内圈之间的接触。在有限元模
型中,为了得到较好的网格,对密封圈进行了剖
分,单元全部采用四节点四边形单元,而密封衬套
自由状态下的
密封圈剖面
和法兰则不划分网格。
在实际分析中,为改善求解的收敛性,在加载
内端
真实压力之前施加一很小的压力来加快收敛。分析
图2隔水管辅助管线密封示意图
过程建立4个载荷步。初始载荷步建立接触和边界