水下采油树油管悬挂器密封性能分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国石油大学(华东)机电工程学院 作者:张凯

  以水下采油树油管悬挂器密封结构为研究对象,建立金属密封圈凸缘处的接触面为半圆形接触面(密封Ⅰ)和倾斜接触面(密封Ⅱ) 2 种形式的力学模型,利用ABAQUS 软件建立其有限元模型,分析过盈量、压力和温度对金属密封圈最大Mises 应力和最大接触应力的影响及不同过盈量时接触应力在接触宽度上的分布。结果表明:密封Ⅰ的最大Mises 应力和最大接触应力都随着过盈量、工作压力和温度的增加而增加,而密封Ⅱ的最大Mises 应力和最大接触应力呈现不同的变化趋势; 密封Ⅰ能够提供较大的接触应力,具有很强的密封能力,但密封宽度相对较小; 一定的过盈量时,密封Ⅱ能达到较大接触宽度,保证良好的密封性能。

  水下采油树油管悬挂器密封结构的关键功能是密封采油树或套管头与油管悬挂器之间的环形空隙。油管悬挂器的密封性能直接关系到水下井口采油树系统的可靠性,若发生密封失效,则会导致原油和作业过程注入的化学试剂的泄漏,引发严重的环境污染。随着海洋石油开发向高温高压油井的推进,水下采油树油管悬挂器密封结构的设计研究显得尤为重要。

  目前,国内外学者对水下石油装备密封技术有了一定的研究,Kelly 和THeiss分析了水下井口头采油树系统的密封机制以及不同类型的选择,为密封方案设计提供了指导。Adam 和Gariepy研究了金属密封的相关特性,并对比分析了金属密封和弹性体密封的特点。Cao 等对水下井口金属密封结构进行了设计与分析。李振涛对水下油管悬挂器MEC 密封进行了设计与性能分析。张怡等人对隔水管Y 形密封圈及副主管线双弹性体密封圈进行了有限元分析。然而针对水下采油树油管悬挂器金属密封性能的研究却很少。

  本文作者以水下采油树油管悬挂器密封为研究对象,采用ABAQUS 软件对油管悬挂器密封进行有限元分析,研究油管悬挂器的密封性能,探讨不同过盈量、工作压力和温度时的最大Mises 应力及接触应力等的变化规律,为水下采油树油管悬挂器密封结构的参数设计提供参考。

  1、油管悬挂器密封结构

  水下井口采油树系统的密封形式多为弹性体密封或金属密封,这些密封能够满足一般环境的密封要求。随着水下石油开发温度和压力等级的逐步增加,对水下采油树油管悬挂器密封提出了更高的要求。为保证油管悬挂器的密封性能,同时提高其密封的可靠性,可采用金属密封为主密封,双弹性体密封为辅密封的双重密封系统,如图1 所示。

水下采油树油管悬挂器密封性能分析

图1 油管悬挂器密封结构示意图

  金属密封在被压缩后产生很大的接触应力,从而起到密封作用; 金属密封的开口向下,在井内压力的作用下,会增大其接触应力,从而提高密封能力。双弹性体密封由4 个O 形圈组成,主要是在金属密封失效后作为备用密封,目前国内外学者已对其进行了大量研究,因此本文作者只对金属主密封进行分析。

  4、结论

  (1) 密封圈凸缘处的接触面形式为半圆形接触面( 密封Ⅰ) 和倾斜接触面( 密封Ⅱ) 的2 种金属密封的Mises 应力呈现对称分布,易发生失效的位置位于密封圈两边凸缘的接触面。

  (2) 在温度和过盈量一定的条件下,密封Ⅰ和密封Ⅱ的接触应力随压力的增大而增大,且其值远大于工作压力,可见这种开口向下的密封结构在高压条件下有良好的密封效果。

  (3) 在压力和过盈量一定的条件下,密封Ⅰ和密封Ⅱ接触应力随着温度的升高而增大,表明该金属密封适用于高温的环境。但最大Mises 应力随着温度的升高而增大,因此过高的温度可能造成金属密封的失效。

  (4) 密封Ⅰ接触应力在接触宽度上的分布呈塔尖状分布,能提供较大接触应力,但其接触宽度较小; 密封Ⅱ在过盈量为0.2 mm 时,能达到较大接触宽度,尽管接触应力较小,但已大于工作压力,满足密封要求。

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