螺紋孔損壞對2FZ35-70閘板防噴器側(cè)門密封性能的影響

俞嘉敏，王小梅，趙琪月，于佩航，郭萌夢，徐 強(qiáng)，李 超

（1.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，四川 廣漢 618300；2.四川科特檢測技術(shù)有限公司，四川 廣漢 618300；3.四川宏大安全技術(shù)服務(wù)有限公司，四川 廣漢 618300）

1 研究背景

在石油天然氣鉆井施工中，為安全鉆過高壓油、氣層并避免發(fā)生鉆井井噴失控事故，需要在鉆井的井口上安裝一套鉆井井控設(shè)備[1]。防噴器的密封性能主要是螺栓組通過預(yù)緊扭矩產(chǎn)生螺栓預(yù)緊力，使得密封結(jié)構(gòu)之間相互壓緊，從而使得密封連接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生密封。防噴器的密封性是防噴器正常工作的重要指標(biāo)，而在使用過程中防噴器結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的各種缺陷，如磨損、腐蝕、螺紋孔損壞等，可能對防噴器密封性能產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重的將會造成井噴事故[2]。因此，研究缺陷對防噴器密封性能的影響是非常必要的。

國內(nèi)外學(xué)者針對閘板防噴器的密封性能開展了相關(guān)研究，趙磊等[3]分析了閘板防噴器側(cè)門密封的主要失效方式，主要是由于在高壓作用下，側(cè)門容易彎曲變形，側(cè)門螺栓因彈性變形拉上，導(dǎo)致密封接觸應(yīng)力松弛。趙凱來等[4]從旋轉(zhuǎn)動密封的密封機(jī)理出發(fā)，分析了旋轉(zhuǎn)防噴器密封失效原因，為旋轉(zhuǎn)防噴器旋轉(zhuǎn)動密封的優(yōu)化設(shè)計提供參考。許宏奇[5]針對國內(nèi)閘板防噴器側(cè)門密封不可靠的問題，提出了側(cè)門變形的簡化計算模型和計算方法，設(shè)計了2種新型密封結(jié)構(gòu)。肖力彤等[6]對防噴器側(cè)門進(jìn)行了承載能力分析，考慮了材料的彈塑性特性，分析了側(cè)門密封圈應(yīng)力應(yīng)變情況，為防噴器側(cè)門失效原因提供理論基礎(chǔ)。祝效華等[7]應(yīng)用有限元模型分析了連續(xù)管作業(yè)工況下多種風(fēng)載對防噴器法蘭連接密封性能和螺栓強(qiáng)度的影響。

本文針對雙閘板防噴器結(jié)構(gòu)，通過建立防噴器側(cè)門密封三維有限元分析模型，考慮了防噴器運行期間的工作載荷，利用ANSYS軟件對側(cè)門密封部位的密封性能進(jìn)行了分析，獲得了不同數(shù)目螺紋孔損傷密封部位接觸壓力的分布特性。研究成果對于保障防噴器的安全運行具有積極意義。

2 側(cè)門密封結(jié)構(gòu)有限元模型

2.1 幾何結(jié)構(gòu)及有限元模型

殼體與側(cè)門連接螺紋孔有嚴(yán)重?fù)p壞可以等效為連接螺栓不受力，即無螺栓連接的情況，考慮預(yù)留的安全裕量，本文通過不同數(shù)目螺栓失效的方式來進(jìn)行有限元仿真計算。

建立了2FZ35-70閘板防噴器側(cè)門密封部位有限元模型，模型中考慮的結(jié)構(gòu)包括側(cè)門、殼體、螺栓、橡膠密封圈。螺栓組通過預(yù)緊扭矩產(chǎn)生螺栓預(yù)緊力，使得殼體與側(cè)門之間相互壓緊，側(cè)門和殼體上環(huán)槽隨之對橡膠墊圈產(chǎn)生壓緊力，從而使得側(cè)門密封連接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生密封。模型采用Solid186單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格自由度為79.5萬。采用接觸單元對側(cè)門密封、殼體環(huán)槽-橡膠墊圈、側(cè)門-橡膠墊圈、側(cè)門-螺栓等接觸區(qū)域建立接觸關(guān)系，同時在螺栓組的橫斷面上采用螺栓預(yù)緊單元建立螺栓預(yù)緊力。該有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

在側(cè)門密封連接結(jié)構(gòu)中，由于油壓作用會對側(cè)門產(chǎn)生相對于殼體的拉扯力，為模擬這種拉扯效果，需要對側(cè)門內(nèi)側(cè)面橡膠圈內(nèi)區(qū)域施加70 MPa（額定工作壓力）的壓力，壓力施加區(qū)域如圖2所示。

圖2 內(nèi)壓施加區(qū)域

2.2 材料參數(shù)及本構(gòu)模型

閘板防噴器中側(cè)門與殼體結(jié)構(gòu)的材料本構(gòu)模型選用線彈性模型；橡膠圈的材質(zhì)是丁腈橡膠，結(jié)構(gòu)本構(gòu)模型選取Ogden一階本構(gòu)模型。

閘板防噴器中側(cè)門和殼體的材質(zhì)都為25CrNiMo，材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

2.3 螺栓預(yù)緊力

根據(jù)GB/T 22513—2013規(guī)定，側(cè)門密封連接結(jié)構(gòu)中的M80螺栓擰緊力矩為21.878 kN·m，由式（1）可求出單個螺栓的預(yù)緊力為1 367.38 kN。

式（1）中：P0為預(yù)緊力，kN；T為擰緊力矩，kN·m；k為擰緊力矩系數(shù)，取0.2；d為螺紋的公稱直徑，mm。

3 有限元計算結(jié)果及分析

3.1 強(qiáng)度分析

不同個數(shù)螺紋孔損壞側(cè)門密封連接部位結(jié)構(gòu)及螺栓組等效應(yīng)力分布如圖3、圖4所示，當(dāng)損壞螺紋孔個數(shù)為0個和1個時，最大等效應(yīng)力發(fā)生在側(cè)門與螺栓接觸的拐角部位，大小分別為569 MPa、554 MPa，側(cè)門結(jié)構(gòu)中超過側(cè)門材料屈服強(qiáng)度（438 MPa）的區(qū)域僅為與螺栓孔拐角點狀區(qū)域如圖3（a）和圖3（b）所示，這些點狀區(qū)域材料的屈服不會造成結(jié)構(gòu)的破壞；側(cè)門密封連接部位結(jié)構(gòu)螺栓組結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力分布如圖4（a）和圖（b）所示，最大等效應(yīng)力分別為834 MPa、863 MPa，螺栓組中結(jié)構(gòu)中超過螺栓屈服應(yīng)力（795 MPa）的區(qū)域僅為其中一顆螺栓的底部極小區(qū)域內(nèi)，此小區(qū)域內(nèi)的材料屈服不會造成螺栓破壞。

當(dāng)損壞螺紋孔個數(shù)為2個時，最大等效應(yīng)力發(fā)生在側(cè)門與螺栓接觸的拐角部位，大小為875 MPa，側(cè)門結(jié)構(gòu)中超過側(cè)門材料屈服強(qiáng)度（438 MPa）的區(qū)域為螺栓孔拐角片狀區(qū)域，如圖3（c）所示，側(cè)門超過屈服強(qiáng)度區(qū)域較大，側(cè)門有破壞風(fēng)險；側(cè)門密封連接部位結(jié)構(gòu)螺栓組結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力分布如圖4（c）所示，最大等效應(yīng)力為1 587 MPa，螺栓組中結(jié)構(gòu)中超過螺栓屈服應(yīng)力（795 MPa）的區(qū)域為某些螺栓上的片狀區(qū)域，這些超過屈服強(qiáng)度的片狀區(qū)域使得螺栓存在被破壞風(fēng)險。

圖3 不同螺紋孔損壞個數(shù)側(cè)門結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析應(yīng)力云圖

圖4 不同螺紋孔損壞個數(shù)螺栓結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析應(yīng)力云圖

3.2 位移分析

無螺紋孔損壞的側(cè)門密封連接結(jié)構(gòu)在70 MPa下的位移分布云圖如圖5（a）和圖6（a）所示，橡膠圈最大位移為1.0 mm；對含1個螺紋孔損壞，側(cè)門密封連接結(jié)構(gòu)在工作工況下的位移分布云圖如圖5（b）和圖6（b）所示，橡膠圈最大位移為1.0 mm。對含2個螺紋孔損壞的側(cè)門密封連接結(jié)構(gòu)在工作工況下的位移分布云圖如圖5（c）和圖6（c）所示，最大位移發(fā)生在外殼缺失2個螺栓的一角上最大位移為3.0 mm，橡膠圈最大位移為1.2 mm，此時側(cè)門和殼體已經(jīng)產(chǎn)生較為明顯的移動，無法保證側(cè)門密封連接結(jié)構(gòu)的完整性。

圖5 不同螺紋孔損壞個數(shù)側(cè)門結(jié)構(gòu)的位移分析應(yīng)力云圖

圖6 不同螺紋孔損壞個數(shù)側(cè)門結(jié)構(gòu)的墊環(huán)處位移分析應(yīng)力云圖

3.3 接觸壓力分析

對含0個、1個、2個連接螺紋孔損壞的側(cè)門密封有限元模型進(jìn)行非線性求解，計算了橡膠圈與側(cè)門之間的接觸壓力，如圖7所示，接觸區(qū)域最大接觸壓力分別2.24 MPa、2.17 MPa和1.71 MPa，接觸區(qū)域平均接觸壓力分別為0.32 MPa、0.28 MPa和0.1 MPa。橡膠圈與殼體之間的接觸壓力分布如圖8所示，接觸區(qū)域最大接觸壓力為2.31 MPa、2.22 MPa和1.73 MPa，接觸區(qū)域平均接觸壓力為0.41 MPa、0.36 MPa和0.14 MPa。

圖7 不同螺紋孔損壞個數(shù)側(cè)門結(jié)構(gòu)橡膠圈與側(cè)門之間的接觸壓力分布云圖

圖8 不同螺紋孔損壞個數(shù)側(cè)門結(jié)構(gòu)橡膠圈與殼體之間的接觸壓力分布云圖

如圖9所示，當(dāng)損傷螺孔數(shù)目為1個時，橡膠圈與側(cè)門之間的平均接觸壓力較無缺陷的情況略微下降12.5%，當(dāng)損傷螺紋孔數(shù)目達(dá)到2個時，最大接觸壓力才比無缺陷的情況更低，相比于無缺陷情況下降幅度達(dá)67.7%，整體平均接觸壓力隨著損傷螺紋孔數(shù)目的增加呈下降趨勢。如圖10所示，隨著結(jié)構(gòu)螺紋孔損壞的數(shù)目增加，橡膠圈與殼體之間的平均接觸壓力下降趨勢與橡膠圈與側(cè)門之間的平均接觸壓力趨勢類似，當(dāng)損傷螺孔數(shù)目為1個時，橡膠圈與殼體之間的平均接觸壓力較無缺陷的情況略微下降12.1%，當(dāng)損傷螺紋孔數(shù)目達(dá)到2個時，相比于無缺陷情況下降幅度達(dá)65.8%。綜上所述，當(dāng)有2個螺紋孔損壞時，殼體側(cè)門連接結(jié)構(gòu)中橡膠圈與殼體和側(cè)門一側(cè)接觸壓力下降明顯，且在失效螺栓一側(cè)存在較大區(qū)域橡膠接觸壓力明顯低于平均接觸壓力，將會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)密封失效。

圖9 橡膠圈與側(cè)門之間的平均接觸壓力

圖10 橡膠圈與殼體之間的平均接觸壓力

4 結(jié)論

綜合側(cè)門、螺栓等效應(yīng)力及橡膠圈接觸壓力分析結(jié)果，可以認(rèn)為2FZ35-70閘板防噴器側(cè)門密封存在2個連接螺紋孔損壞時，螺栓組和側(cè)門有破壞風(fēng)險，而且側(cè)門密封連接結(jié)構(gòu)密封性能不再滿足使用要求；考慮防噴器使用安全性，建議當(dāng)出現(xiàn)1個連接螺紋孔損壞時就進(jìn)行維修。