材料及循環(huán)內(nèi)壓對(duì)VX鋼圈密封性能的影響

孟文波 黃 熠 劉書杰 劉和興 李 磊 黃 亮 唐咸弟

1. 中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司, 廣東 湛江 524000;2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)深水鉆采技術(shù)公司, 廣東 湛江 524000

0 前言

水下生產(chǎn)設(shè)施的國(guó)產(chǎn)化是中國(guó)深海油氣勘探開發(fā)的重大戰(zhàn)略之一,而水下井口連接器作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)中關(guān)鍵的連接設(shè)備[1-4]研究意義重大。VX密封圈作為關(guān)鍵密封件,既要承受水下井口連接器內(nèi)部高溫高壓的流體,又要承受工作水深的壓力,因此,其密封性能的設(shè)計(jì)要求較高[5-8]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已針對(duì)水下井口連接器進(jìn)行了多方面的研究工作。Teodoriu C等人[9]分析了API標(biāo)準(zhǔn)連接器VX鋼圈的密封性能,并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。羅曉蘭等人[10]通過對(duì)預(yù)緊和生產(chǎn)工況下的VX鋼圈進(jìn)行受力分析,得到了最大和最小預(yù)留軸向密封間隙計(jì)算公式。程子云等人[11]通過三維有限元分析了水下井口連接器在多種工況下的連接性能。陳曉芳等人[12]建立了預(yù)緊和生產(chǎn)工況下的VX鋼圈接觸應(yīng)力的理論模型,并通過有限元進(jìn)行了驗(yàn)證。王立權(quán)等人[13]建立了金屬密封接觸理論模型,使用有限元分析了金屬密封圈的密封性能。唐洋等人[14]對(duì)現(xiàn)有水下生產(chǎn)系統(tǒng)各類連接器及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析,為實(shí)現(xiàn)水下井口連接器的國(guó)產(chǎn)化提供了建議和發(fā)展方向。曾威等人[15]認(rèn)為使用密封接觸強(qiáng)度作為金屬對(duì)金屬密封性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)更準(zhǔn)確。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水下井口連接器的研究工作取得了許多成果,但研究還不夠完善,具體表現(xiàn)在:大多數(shù)學(xué)者都是通過二維軸對(duì)稱模型進(jìn)行研究,不能真實(shí)反映水下井口連接器的密封性能;缺少密封圈材料屬性和循環(huán)內(nèi)壓對(duì)其密封性能的影響研究。針對(duì)以上的不足,通過ABAQUS軟件建立水下井口連接器有限元三維模型,分析其在預(yù)緊和生產(chǎn)工況下的VX鋼圈密封性能,研究VX密封圈材料屬性和循環(huán)內(nèi)壓對(duì)密封性能的影響,以期為水下井口連接器的國(guó)產(chǎn)化提供理論依據(jù)。

1 水下井口連接器工作原理

水下井口連接器作為連接水下高壓井口與水下采油樹、防止井內(nèi)高溫高壓流體泄漏的關(guān)鍵設(shè)備,面臨極其惡劣的受載,其密封性能要求較高。水下井口連接器結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 水下井口連接器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of subsea wellhead connector

預(yù)緊時(shí),通過鎖緊液壓使驅(qū)動(dòng)環(huán)產(chǎn)生微量的向下位移,通過驅(qū)動(dòng)環(huán)的斜面擠壓鎖塊,使其與水下高壓井口的嚙合面嚙合,實(shí)現(xiàn)鎖緊。解鎖時(shí),在液壓作用下驅(qū)動(dòng)環(huán)向上運(yùn)動(dòng),釋放鎖塊,通過鎖塊之間的彈簧片使鎖塊與水下高壓井口的嚙合面分離,實(shí)現(xiàn)解鎖[16]。

2 水下井口連接器有限元分析

2.1 有限元三維模型的建立

因建立水下井口連接器—水下井口系統(tǒng)的二維軸對(duì)稱模型不能準(zhǔn)確得出力學(xué)分析結(jié)果,因此，首先通過Pro/E軟件建立三維模型,再導(dǎo)入ABAQUS軟件建立三維有限元模型。建模時(shí)忽略次要部件,將連接器計(jì)算模型簡(jiǎn)化為連接器本體、VX鋼圈、鎖塊、驅(qū)動(dòng)環(huán)和水下井口組成的集合[17],簡(jiǎn)化模型見圖2。

圖2 水下井口連接器簡(jiǎn)化模型圖Fig.2 Simplified model of subsea wellhead connector

水下井口連接器有限元三維模型截面見圖3,對(duì)于存在接觸的表面,例如VX鋼圈的上、下表面與水下井口和連接器本體，鎖塊與水下井口，驅(qū)動(dòng)環(huán)與鎖塊，鎖塊與連接器本體接觸的表面使用邊界種子來(lái)精細(xì)化網(wǎng)格,提高分析精度[18]。

圖3 水下井口連接器有限元模型圖Fig.3 Finite element model of subsea wellhead connector

2.2 材料屬性

VX鋼圈的材料為316L不銹鋼,連接器本體、驅(qū)動(dòng)環(huán)和水下井口的材料為4145合金鋼,鎖塊的材料為8630合金鋼,各材料的物理性能參數(shù)見表1。

表1 各材料物理性能參數(shù)表

2.3 載荷與邊界條件

預(yù)緊工況下,模型邊界條件設(shè)定為水下井口底面固定,對(duì)驅(qū)動(dòng)環(huán)施加軸向位移模擬安裝預(yù)緊過程。

生產(chǎn)工況下,模型邊界條件同預(yù)緊工況,內(nèi)部再施加0～155.25 MPa(工作內(nèi)壓為103.5 MPa,此處取1.5倍工作內(nèi)壓即155.25 MPa內(nèi)壓)壓強(qiáng)模擬不同內(nèi)壓。

兩種工況的分析中,在鎖塊與驅(qū)動(dòng)環(huán)、鎖塊與水下井口、VX鋼圈與連接器本體以及水下井口均設(shè)置了接觸對(duì),采用罰函數(shù)摩擦公式,取鋼與鋼接觸時(shí)的摩擦因數(shù)0.15[19]。

3 結(jié)果分析

3.1 預(yù)緊工況下密封性能分析

VX鋼圈在預(yù)緊工況下的接觸應(yīng)力云圖見圖4。

圖4 預(yù)緊工況下VX鋼圈接觸應(yīng)力云圖Fig.4 Contact stress cloud diagram of VX gasketunder preloaded condition

由圖4 可知,下表面最大接觸應(yīng)力為361.7 MPa,發(fā)生在密封圈下表面與水下井口的接觸部位,上表面最大接觸應(yīng)力為342.8 MPa,發(fā)生在密封圈上表面與連接器本體的接觸部位,二者均大于密封比壓[20]179.3 MPa,密封面接觸應(yīng)力滿足密封要求。

VX鋼圈上、下表面接觸部位局部放大圖見圖5～6。由圖5～6可看到,VX鋼圈接觸表面的接觸應(yīng)力在環(huán)向上的分布并不是均勻的,上表面接觸應(yīng)力分布基本呈規(guī)則的環(huán)狀帶,下表面接觸應(yīng)力分布存在著一定的波動(dòng)。

圖5 預(yù)緊工況下VX鋼圈上表面接觸應(yīng)力局部放大圖Fig.5 Magnified view of local contact stress on upper surfaceof gasket under preloaded condition

圖6 預(yù)緊工況下VX鋼圈下表面接觸應(yīng)力局部放大圖Fig.6 Magnified view of local contact stress on lowersurface of gasket under preloaded condition

提取VX鋼圈上、下表面接觸中心部位的環(huán)向接觸應(yīng)力分布結(jié)果,見圖7。VX鋼圈上表面接觸應(yīng)力的波動(dòng)幅度較小,基本穩(wěn)定在340 MPa左右；而下表面接觸應(yīng)力波動(dòng)幅度較大,最小值為344.8 MPa,最大值為361.7 MPa,波動(dòng)幅值為16.9 MPa。因此，下表面的接觸應(yīng)力均大于上表面接觸應(yīng)力,這是由于VX鋼圈下部受到水下井口的擠壓作用,從而使得接觸應(yīng)力增加。

圖7 預(yù)緊工況下VX鋼圈接觸應(yīng)力環(huán)向分布圖Fig.7 Circumferential distribution of VX gasket contactstress under preloaded condition

預(yù)緊時(shí)接觸應(yīng)力沿VX鋼圈密封表面的分布曲線見圖8～9。由圖8～9可看出,上、下密封面在軸向上的接觸應(yīng)力分布規(guī)律一致,并且上密封面有效接觸寬度為4.8 mm,下密封面有效接觸寬度為5 mm,均超過了最小值1.6 mm,接觸寬度滿足密封要求。

圖8 預(yù)緊工況下上密封面接觸寬度圖Fig.8 Contact width of upper sealing surface underpreloaded condition

圖9 預(yù)緊工況下下密封面接觸寬度圖Fig.9 Contact width of lower sealing surface underpreloaded condition

3.2 生產(chǎn)工況下密封性能分析

VX鋼圈表面發(fā)生塑性變形是形成有效密封的基礎(chǔ),對(duì)于生產(chǎn)工況,還需要接觸面的接觸應(yīng)力超過3倍介質(zhì)壓力,即接觸應(yīng)力大于465.75 MPa(3×155.25 MPa)。生產(chǎn)工況下VX鋼圈接觸應(yīng)力云圖見圖10,最大接觸應(yīng)力為519.1 MPa,發(fā)生在VX鋼圈下表面與水下井口的接觸部位,VX鋼圈上表面最大接觸應(yīng)力為504.8 MPa,發(fā)生在VX鋼圈上表面與水下井口連接器本體的接觸部位,二者均大于密封判定標(biāo)準(zhǔn) 465.75 MPa,密封面接觸應(yīng)力滿足密封要求。

圖10 生產(chǎn)工況下VX鋼圈接觸應(yīng)力云圖Fig.10 Contact stress cloud diagram of VX gasketunder working conditions

VX鋼圈上、下表面接觸部位局部放大圖見圖11～12。由圖11～12可看到,生產(chǎn)工況下VX鋼圈接觸表面的接觸應(yīng)力在環(huán)向上的分布雖不均勻,但上、下密封面接觸應(yīng)力值基本呈規(guī)則的環(huán)狀帶,波動(dòng)較小。

圖11 生產(chǎn)工況下VX鋼圈上表面接觸應(yīng)力局部放大圖Fig.11 Magnified view of contact stress on uppersurface of VX gasket under working conditions

圖12 生產(chǎn)工況下VX鋼圈下表面接觸應(yīng)力局部放大圖Fig.12 Magnified view of contact stress on lowersurface of VX gasket under working conditions

生產(chǎn)工況下VX鋼圈接觸應(yīng)力環(huán)向分布見圖13。由圖13可看出,上、下接觸表面的波動(dòng)幅度都較小,上表面接觸應(yīng)力基本穩(wěn)定在495 MPa左右,下表面接觸應(yīng)力基本穩(wěn)定在515 MPa左右。同時(shí),上表面的整體接觸應(yīng)力依然小于下表面的整體接觸應(yīng)力,這主要是因?yàn)閂X鋼圈在內(nèi)部壓力逐漸增大的過程中發(fā)生了翹曲變形。

圖13 生產(chǎn)工況下VX鋼圈接觸應(yīng)力環(huán)向分布圖Fig.13 Circumferential contact stress distribution ofVX gasket under working condition

生產(chǎn)時(shí)接觸應(yīng)力沿上、下密封表面的分布曲線見圖14～15。

圖14 生產(chǎn)工況下上密封面接觸寬度圖Fig.14 Contact width of upper sealing surface underworking condition

圖15 生產(chǎn)工況下下密封面接觸寬度圖Fig.15 Contact width of lower sealing surface underworking condition

由圖14～15可看出,生產(chǎn)工況下VX鋼圈上、下密封面在軸向上的接觸應(yīng)力分布規(guī)律一致,并且上密封面的有效接觸寬度為1.9 mm,下密封面有效接觸寬度為2.3 mm,均超過了最小值1.6 mm,接觸寬度滿足密封要求。

4 敏感性分析

4.1 材料屬性對(duì)密封性能的影響

為探究材料屬性對(duì)水下井口連接器密封性能的影響,通過添加真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù),分析了304不銹鋼、316L不銹鋼和Inconel625合金鋼3種材料在內(nèi)壓155.25 MPa時(shí)的接觸應(yīng)力分布規(guī)律,見圖16。

由圖16可知,304不銹鋼的最大接觸應(yīng)力為423.3 MPa,小于3倍介質(zhì)壓力465.75 MPa,因此可能會(huì)產(chǎn)生泄漏,不滿足密封要求。Inconel625合金鋼的下表面最大接觸應(yīng)力為555.2 MPa,上表面最大接觸應(yīng)力為512.7 MPa,均超過了3倍介質(zhì)壓力465.75 MPa,接觸應(yīng)力滿足密封要求。但I(xiàn)nconel625合金鋼上表面有效接觸寬度較小,接觸應(yīng)力超過介質(zhì)壓力465.75 MPa的部分僅有1.4 mm,不滿足最低密封寬度要求。

a)304不銹鋼材料a)304 stainless steel

對(duì)于316L不銹鋼,從3.2節(jié)的分析可知,在預(yù)緊和生產(chǎn)工況下其密封性能良好。因此綜合考慮以上因素,采用316L不銹鋼作為VX鋼圈的材料更能保證密封性能。

材料屬性對(duì)密封性能的影響主要體現(xiàn)在屈服強(qiáng)度上,屈服強(qiáng)度越小,在相同內(nèi)壓的作用下,就越容易發(fā)生塑性變形,導(dǎo)致VX鋼圈的接觸應(yīng)力有下降的趨勢(shì)。屈服強(qiáng)度若是過大則會(huì)導(dǎo)致發(fā)生的塑性變形不夠,使有效接觸寬度減小,降低密封性能。

4.2 循環(huán)內(nèi)壓對(duì)密封性能的影響

生產(chǎn)工況下,水下井口連接器的內(nèi)部主要受到循環(huán)內(nèi)壓的作用,即內(nèi)部介質(zhì)在0～155.25 MPa循環(huán)加壓。為研究循環(huán)內(nèi)壓對(duì)水下井口連接器密封性能的影響,對(duì)水下井口連接器內(nèi)部連續(xù)施加了15次的0～155.25 MPa 循環(huán)內(nèi)壓載荷。循環(huán)加壓前后下表面的最大接觸應(yīng)力的變化曲線見圖17～18。

圖17 循環(huán)加壓前預(yù)緊接觸應(yīng)力變化曲線圖Fig.17 Variation curve of preloaded contact stressbefore cyclic compression

圖18 循環(huán)加壓后生產(chǎn)接觸應(yīng)力變化曲線圖Fig.18 Variation curve of preloaded contact stressafter cyclic compression

由圖17可以看出,在第1次加壓后預(yù)緊接觸應(yīng)力由361.7 MPa下降到352.8 MPa,波動(dòng)幅度較大,這是因?yàn)樵诘?次加壓后,VX鋼圈已經(jīng)發(fā)生了塑性變形,泄壓后,VX鋼圈并未恢復(fù)原樣,導(dǎo)致下表面形成應(yīng)力重分布,接觸面積較預(yù)緊時(shí)有所增加,接觸應(yīng)力變小。隨著加壓次數(shù)的增加,預(yù)緊接觸應(yīng)力逐漸減小,且趨勢(shì)較為緩慢,在第9次加壓后,預(yù)緊接觸應(yīng)力穩(wěn)定在346.2 MPa。

由圖18可看出,在第1次加壓后生產(chǎn)接觸應(yīng)力由519.1 MPa下降到507.4 MPa,波動(dòng)幅度較大,這是因?yàn)樵诘?次加壓后,由于VX鋼圈未恢復(fù)原樣使得接觸面積增大,從而導(dǎo)致接觸應(yīng)力減小。隨著加壓次數(shù)的增加,生產(chǎn)接觸應(yīng)力在逐漸減小,第15次加壓后接觸應(yīng)力為504.1 MPa。因此,根據(jù)接觸應(yīng)力減小的趨勢(shì),預(yù)計(jì)在3 000次的0～155.25 MPa循環(huán)加壓后,密封面接觸應(yīng)力將小于判定標(biāo)準(zhǔn),此時(shí)密封將失效。

綜合圖17～18的分析,多次加壓過后,密封面接觸應(yīng)力在逐漸降低,特別是第1次加壓過后,接觸應(yīng)力大幅度降低,說(shuō)明VX鋼圈為一次性易損件,在多次使用后,其密封性能會(huì)降低,應(yīng)注意及時(shí)更換。

5 結(jié)論

1)通過對(duì)水下井口連接器進(jìn)行實(shí)際工況下的仿真模擬,分析了其在預(yù)緊和生產(chǎn)工況下VX鋼圈的密封性能,結(jié)果表明:兩種工況下,接觸應(yīng)力在環(huán)向分布上存在一定的波動(dòng),下表面接觸應(yīng)力值大于上表面接觸應(yīng)力值,水下井口連接器密封性能良好。

2)對(duì)不同材料VX鋼圈密封性能分析表明,316L不銹鋼更適合作為鋼圈的材料;材料屬性對(duì)密封性能的影響主要體現(xiàn)在屈服強(qiáng)度上,屈服強(qiáng)度越小,會(huì)導(dǎo)致VX鋼圈接觸應(yīng)力有下降的趨勢(shì)，屈服強(qiáng)度若是過大則會(huì)導(dǎo)致有效接觸寬度減小,降低密封性能。

3)在循環(huán)內(nèi)壓作用下,VX鋼圈密封性能會(huì)降低,應(yīng)盡量避免多次使用。