基于Abaqus的井下U形金屬密封環(huán)性能研究*

何東升 代 輝 謝小路 李 川 王 波

(西南石油大學機電工程學院 四川成都 610500)

智能完井技術是一項新興的油藏油田生產管理技術，主要利用在井下的傳感器，對井下的各項參數進行實時監(jiān)控，并通過地面平臺對井下開采進行合理地控制，以提高油田的采收率，降低生產成本[1]。智能完井的核心技術是通過井下流量控制閥(ICV)對井下油層進行調控，ICV的密封性對整個智能完井系統(tǒng)至關重要。在井下高溫、高壓、強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]。

國內外從20世紀70年代開始針對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，K形環(huán)具有良好的自緊性[4-6]。目前國內對U形金屬環(huán)的研究比較少。毛劍峰等[7]對U形密封環(huán)在汽輪機進氣閥門上的應用做了研究，主要分析溫度和壓力對密封環(huán)的接觸面積、接觸應力和蠕變現(xiàn)象的影響。李玉婷等[8]對U形金屬密封環(huán)在火箭發(fā)動機上的應用進行了研究，分析了密封環(huán)厚度、腿部厚度和圓弧半徑等結構參數對密封環(huán)的Mises應力和接觸應力的影響。

井下流量控制閥通常是在高溫高壓、強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)在石油礦場機械方面的應用，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油液壓力作用便可形成密封[9-11]。運用 Abaqus軟件建立了U形金屬密封環(huán)的有限元軸對稱模型，計算了在預緊工況和井下工作條件下U形金屬環(huán)所受的Mises應力和接觸壓力的分布情況，分析了初始壓縮量、厚度、井下壓力對密封性能的影響，并得出了最佳參數范圍，對U形金屬密封環(huán)在石油礦場機械方面的設計和應用具有一定的指導意義。

1 U形金屬密封環(huán)密封機制及材料選擇

流量控制閥密封的關鍵是過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)境適應性和對絕大多數化學品的不敏感性，因此設計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密封，采用過盈配合，通過施加載荷擠壓套筒使其變形與管筒內壁接觸，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)截面結構示意圖，U形環(huán)截面結構參數見表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)截面結構參數 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的性能參數如表2所示。

表2 GH4169的性能參數

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形金屬密封結構是軸對稱模型，綜合考慮精度與計算效率的要求，進行有限元分析時將模型簡化為平面軸對稱。對徑向密封模型進行有限元網格劃分時，對各部件采用標注化網格劃分技術，單元類型選擇4節(jié)點雙線性軸對稱減縮積分單元CAX4R劃分網格[13]。文中重點研究的是U形密封圈與滑套間的接觸壓力，并對密封圈的受力進行分析，因此在進行劃分網格時，對U形金屬密封圈的網格劃分較細，單元格大小為0.15 mm，而外閥體與過流套管的單元格大小為0.3 mm。網格劃分如圖3所示。

圖3 網格劃分

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

2.2 預緊條件下的有限元分析

預緊條件下，U形環(huán)左側受到了滑套的擠壓，壓緊力通過0.2 mm的初始壓縮量來實現(xiàn)，結果如圖4所示。在預緊條件下，U形環(huán)左側接觸處受到了較大的壓力，中部受到的壓力較小，腿部圓弧過渡處和底部內側較大區(qū)域范圍Mises應力在1 000 MPa左右，接近金屬材料的屈服極限。

圖4 預緊條件分析結果(MPa)

2.3 模擬井下工況下的有限元分析

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

圖5 模擬井下工況分析結果(MPa)

3 操作參數對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對密封效果至關重要。在U形金屬密封圈的結構參數中，密封環(huán)厚度的選取較為關鍵：取值過小，則應力值較大，可能超過屈服極限而導致變形失效；選取過大，接觸壓力可能太小，達不到密封要求。在U形密封圈的工作參數中，由于加工誤差的存在，使得初始壓縮量對密封效果的影響非常重要；ICV在井下3 000 m深處工作，井下壓力對能否保證密封性能尤為關鍵。綜上所述，文中選取初始壓縮量、井下壓力和密封環(huán)厚度展開分析。

3.1 密封性能判斷方法

目前對金屬密封性能的研究，主要考慮的是接觸面的接觸應力，當接觸應力大于墊片系數與介質壓力的乘積時，能夠實現(xiàn)密封。秦樺等人[14]對井下1 500 m深處、壓力69 MPa、溫度180 ℃的水下采油樹油管懸掛器K形金屬密封環(huán)進行了相關試驗，根據相關試驗得出結論：當工作壓力壓力小于40 MPa時，K形金屬密封環(huán)的最大接觸壓力超過介質壓力的3倍；當工作壓力大于40 MPa時，最大接觸壓力超過介質壓力的10倍。文中根據ICV在井下的實際工況，選取接觸壓力大于介質壓力10倍作為判斷依據。

3.2 工作參數對密封性能的影響3.2.1 初始壓縮量對密封性能的影響

由于加工誤差無可避免，所以密封接觸表面會存在一定的凹凸。在安裝U形金屬密封環(huán)時，若初始壓縮量不足，金屬環(huán)的變形不能填滿凹凸，會形成細小的過流通道，造成泄漏；若初始壓縮量過大，會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，有必要探究初始壓縮量對U形金屬密封環(huán)密封性能的影響。

如圖6所示，隨著初始壓縮量的增加，最大Mises應力遞增，當初始壓縮量達到0.41 mm時，最大Mises應力接近材料的屈服極限1 030 MPa，在初始壓縮量大于0.41 mm后，最大Mises應力已經超過材料的屈服極限，密封環(huán)失效；最大接觸壓力在初始壓縮量從0.36 mm增大到0.37 mm時逐漸增大，而在初始壓縮量增加到0.39 mm過程中，由于內部壓力的作用，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應力與接觸壓力的分布情況，初始壓縮量取0.4 mm時，既能保證初始密封，也可以防止產生塑性變形。

圖6 初始壓縮量對密封性能的影響

3.2.2 井下壓力對密封性能的影響

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用，有必要研究井下壓力對密封效果的影響。如圖7所示，選取的壓力范圍為0～40 MPa。當井下壓力從0逐漸增加到33 MPa時，最大Mises應力值為增長趨勢；井下壓力超過33 MPa時，最大Mises應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應力基本保持不變。井下壓力從0增大到28 MPa時，最大接觸壓力為線性增長，最大接觸壓力為545 MPa；井下壓力為28～33 MPa時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,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，能夠達到密封要求。

圖7 井下壓力對密封性能的影響

3.3 密封環(huán)厚度對密封性能的影響

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)厚度過小，則剛度會增大，接觸壓力會相應提高，密封環(huán)所承受的應力值也會相應增大，可能會超過材料屈服極限而導致變形，甚至引起破壞而導致失效；若密封環(huán)厚度過大，剛度會相應減小，同時最大應力值和接觸壓力也會降低，若接觸壓力過低，則達不到密封要求。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，最大Mises應力值為975 MPa，低于材料的屈服極限1 030 MPa,在此范圍內的厚度對Mises應力的影響不大，能夠滿足材料的強度要求。在選取的厚度范圍內，在預緊力和內部壓力的共同作用下，最大接觸壓力在3.6～4.1 mm范圍內先減小，隨后接觸壓力與厚度呈正相關。綜合材料強度影響與密封實際效果，并考慮經濟效應等因素，厚度選取3.7 mm較為合理。

圖8 密封環(huán)厚度對密封性能的影響

4 結論

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

(2)隨著U形金屬密封圈初始壓縮量的增加，最大Mises應力遞增，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應力值先增加，超過材料的屈服極限之后基本保持不變，最大接觸壓力波動增加；隨密封環(huán)厚度增加，最大Mises應力先增大后減小，最大接觸壓力先減小后增大。當初始壓縮量為0.4 mm、厚度為3.7 mm時U形金屬密封圈性能最佳。

(3)設計的U形環(huán)在井下3 000 m、工作壓力為30 MPa時能夠實現(xiàn)緊密密封，對U形金屬密封環(huán)在石油礦場機械方面的應用具有一定的指導意義。