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1、金屬O型圈高溫密封性能研究 金屬O型圈高溫密封性能研究 2016/02/14 《潤滑與密封雜志》2015年第十二期 摘要: 為研究海上稠油熱采工具密封用金屬O型圈的高溫密封性能，建立金屬O型圈密封軸對(duì)稱有限元分析模型，計(jì)算其高溫條件下接觸壓力與剪切應(yīng)力變化規(guī)律，分析金屬O型圈高溫密封影響因素，并利用試驗(yàn)驗(yàn)證理論研究結(jié)果。研究表明，溫度變化顯著影響金屬O型圈的強(qiáng)度和密封性能，金屬密封圈最大接觸應(yīng)力和剪切應(yīng)力隨工作壓力的增加呈非線性增大，密封圈密封性提高，強(qiáng)度下降

2、;初始?jí)嚎s率在12%～16%范圍內(nèi)時(shí)，金屬O型圈的高溫密封性能最好，能滿足350℃下稠油熱采工具密封要求。理論研究結(jié)果通過試驗(yàn)得到有效驗(yàn)證。 關(guān)鍵詞: 稠油熱采;井下工具;金屬密封圈;高溫密封 海上油氣田常規(guī)井下工具一般采用O型橡膠圈密封，該密封結(jié)構(gòu)可選擇丁晴橡膠、聚四氟乙烯和全氟醚等橡膠材料作為基材，實(shí)現(xiàn)對(duì)油、水、空氣及各種化學(xué)介質(zhì)有效的封堵［1］，但其存在致命的缺陷，即橡膠材料在高溫條件下易迅速老化并失效。海上稠油熱采作業(yè)井下工具耐溫要求達(dá)到350℃以上［2］，O型橡膠圈難以滿足要求，由此導(dǎo)致的高溫密封失效對(duì)生產(chǎn)作業(yè)的安全性危害極大。目前海上稠油熱采井下工具的自主研發(fā)尚處

3、于起步階段，對(duì)涉及的高溫密封結(jié)構(gòu)的深入研究很少。金屬O型圈具有耐高溫、耐腐蝕和氣密性好的優(yōu)點(diǎn)，特別適于高溫、高壓及高真空密封環(huán)境［3］，可作為O型橡膠圈的替代密封結(jié)構(gòu)用于稠油熱采工具開發(fā)。本文作者在分析金屬O型圈密封原理的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件建立金屬O型圈接觸密封有限元模型，考慮高溫效應(yīng)進(jìn)行密封結(jié)構(gòu)熱力耦合分析，研究金屬O型圈的高溫密封性能與強(qiáng)度是否滿足要求，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證理論研究成果，相關(guān)方法和結(jié)論可為金屬O型圈高溫密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析提供參考。 1金屬O型圈密封原理分析 金屬O型圈結(jié)構(gòu)主要有3種類型，如圖1所示。其中，a型為非自緊O型圈，用在較低壓力場合，可密封真空介質(zhì)及有

4、腐蝕性的液體或氣體介質(zhì)。b型為充氣O型圈，在密閉的O型圈內(nèi)充惰性氣體，可增加其回彈能力，用于高溫場合。O型圈的充氣方法，一般是在管子焊接之前，將固態(tài)二氧化碳或偶氮二異丁腈放入管內(nèi)，焊接后再使之汽化成氣體，或者直接充高壓惰性氣體。c型為自緊O型圈，在其內(nèi)側(cè)鉆有若干小孔，由于管內(nèi)壓力隨介質(zhì)壓力的增高而增高，O型圈具有自緊性，用于高壓及超高壓場合［4］。金屬O型圈的密封原理是通過接觸面施加預(yù)緊力，使其產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膹椥宰冃?，在金屬圈回彈力的作用下形成金屬與金屬接觸密封。工作壓力增大時(shí)金屬接觸表面可產(chǎn)生較大接觸應(yīng)力，導(dǎo)致金屬圈表面發(fā)生微屈服變形添補(bǔ)密封面的高低不平以保證密封效果。 2金屬O型圈密封接

5、觸有限元分析 2.1接觸分析有限元模型建立金屬O型圈材料為1Cr18Ni9Ti，20、350℃時(shí)屈服強(qiáng)度分別為200、151MPa，其表面鍍銀材料20、350℃時(shí)屈服強(qiáng)度分別為80、60MPa。對(duì)金屬O型圈密封接觸進(jìn)行有限元分析，鑒于其幾何形狀、材料和邊界條件特點(diǎn)，將整體結(jié)構(gòu)簡化為二維軸對(duì)稱平面有限元模型，密封結(jié)構(gòu)采用二維四節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元PLANE182。模型中的接觸對(duì)設(shè)為面面剛?cè)峤佑|，接觸單元選為CONTAT172，目標(biāo)單元選為TAＲGE169［5－6］，為減小滲透，設(shè)置接觸單元CONT-AT172的法向接觸剛度因子為1。由于金屬O型密封圈大多用于靜密封環(huán)境，可將溫度場看作是均勻分布的，

6、在分析應(yīng)力時(shí)，將溫度考慮到結(jié)構(gòu)分析中，實(shí)現(xiàn)兩者的耦合［7－8］，金屬O型圈接觸密封有限元模型如圖2所示。將密封結(jié)構(gòu)的鋼件部分作為金屬O型圈的邊界約束，載荷分三步施加:第一步，沿著金屬O型圈的徑向施加適當(dāng)?shù)奈灰萍s束，其數(shù)值等于金屬O型圈的安裝過盈量;第二步，在未與鋼件接觸的O型圈外表面及內(nèi)側(cè)施加工作壓力;第三步，在結(jié)構(gòu)分析中施加節(jié)點(diǎn)溫度。 2.2金屬O型圈高溫密封分析關(guān)于金屬密封圈的失效準(zhǔn)則，目前采用的是若接觸面的最大應(yīng)力小于表面密封材料的屈服強(qiáng)度，則密封失效。金屬O型密封圈在初裝狀態(tài)(t=20℃，p=0)和工作狀態(tài)(t=350℃，p=20MPa)下的等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力分布如圖3所示?？梢?/p>

7、看出，初裝狀態(tài)密封圈最大等效應(yīng)力位于金屬O型圈內(nèi)側(cè)，等效應(yīng)力最大值為368MPa，大于材料屈服強(qiáng)度，說明金屬材料已發(fā)生塑性變形;初裝狀態(tài)最大接觸應(yīng)力位于金屬O型圈徑向受擠壓位置，由于沒有施加內(nèi)部壓力，密封圈未受擠壓側(cè)接觸應(yīng)力很小，接觸應(yīng)力最大值為121MPa，大于金屬銀的屈服強(qiáng)度，密封性能滿足要求。工作狀態(tài)密封圈最大等效應(yīng)力位于金屬O型圈內(nèi)側(cè)，等效應(yīng)力最大值為314MPa，大于材料屈服強(qiáng)度;金屬材料塑性變形量增大，工作狀態(tài)承受工作壓力側(cè)的接觸應(yīng)力顯著增加，接觸應(yīng)力最大值增大為137MPa，密封性能顯著提高。 3金屬O型圈密封性能影響因素分析 重點(diǎn)考慮金屬密封結(jié)構(gòu)與溫度之間的熱力耦合

8、效應(yīng)，研究工作壓力、初始?jí)嚎s率和溫度等不同參數(shù)變化對(duì)金屬O型圈密封性能的影響。 3.1工作壓力對(duì)金屬O型圈密封性影響不同工作壓力下(初始?jí)嚎s率為12.5%，溫度350℃)密封圈最大應(yīng)力的變化規(guī)律如圖4所示。可以看出，密封圈最大等效應(yīng)力為314MPa，最大接觸應(yīng)力為137MPa，最大剪切應(yīng)力為147MPa。最大等效應(yīng)力隨著工作壓力的增加基本保持不變，工作壓力對(duì)密封圈等效應(yīng)力的影響很小。最大接觸應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力隨工作壓力的增加而增大，密封圈密封性提高，強(qiáng)度下降，由于高溫的影響，其接觸應(yīng)力和剪切應(yīng)力變化規(guī)律呈非線性增大。當(dāng)工作壓力小于4MPa時(shí)，密封圈接觸應(yīng)力小于金屬銀材料的屈服強(qiáng)度，密封圈

9、有可能發(fā)生微漏現(xiàn)象;工作壓力大于4MPa時(shí)，密封圈密封性能滿足要求。 3.2初始?jí)嚎s率對(duì)金屬O型圈密封性影響金屬O型圈裝配過程中，需要足夠的壓縮量以保證接觸密封，不同初始?jí)嚎s率下(工作壓力10MPa，溫度350℃)密封圈最大應(yīng)力變化規(guī)律如圖5所示。可以看出，密封圈最大等效應(yīng)力為388MPa，最大接觸應(yīng)力為105.2MPa，最大剪切應(yīng)力為147MPa。隨著初始?jí)嚎s率的增加，密封圈最大等效應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力增大，密封圈強(qiáng)度下降;初始?jí)嚎s率在12%～16%范圍內(nèi)時(shí)，最大接觸應(yīng)力有峰值，此時(shí)金屬圈密封性最好。當(dāng)初始?jí)嚎s率大于21%時(shí)，金屬圈塑性變形明顯增加，回彈力減小，密封性能顯著下降，此時(shí)金屬

10、圈無法滿足高溫密封要求。3.3溫度對(duì)金屬O型圈密封性能的影響不同溫度下(工作壓力p=0，初始?jí)嚎s率12.5%)的最大等效應(yīng)力、最大接觸應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力變化規(guī)律如圖6所示?？梢钥闯觯饘貽型密封圈最大等效應(yīng)力為368MPa，最大接觸應(yīng)力為121MPa，最大剪切應(yīng)力為117MPa。隨著溫度增加，最大等效應(yīng)力、接觸應(yīng)力和剪切應(yīng)力變化先顯著下降后保持穩(wěn)定，即密封圈密封性能先下降后變化較小。4金屬O型圈高溫密封試驗(yàn)自制試驗(yàn)工裝進(jìn)行金屬O型圈高溫密封試壓試驗(yàn)。試驗(yàn)包括:常溫試壓，方法為在壓力20MPa下測(cè)試10min，檢驗(yàn)金屬O型圈常溫密封性能;高溫試壓，方法為將安裝金屬O型圈的工裝放入高溫加熱箱，加熱

11、到350℃后保溫60min，然后在不同壓力下檢驗(yàn)金屬O型圈高溫密封性能。試驗(yàn)后的工裝和金屬O型圈實(shí)物照片如圖7所示，可知，試驗(yàn)后的O型密封圈發(fā)生了塑性變形，與圓柱面接觸的地方出現(xiàn)了微小的平面。試驗(yàn)過程中，壓縮率為15%的金屬O型圈加熱到350℃后一直試壓到20MPa未發(fā)生泄漏，O型圈密封性能滿足設(shè)計(jì)要求。而金屬圈壓縮率為22%時(shí)，加壓到15MPa后，繼續(xù)加壓壓力不再升高同時(shí)高溫箱上部通風(fēng)口有明顯的濃煙冒出，說明此時(shí)發(fā)生明顯泄漏，即金屬O型密封圈最大密封壓力只能達(dá)到15MPa。不同壓縮率下金屬O型圈高溫密封試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。試驗(yàn)表明，當(dāng)金屬O型圈壓縮率過大時(shí)將發(fā)生明顯的塑性變形，其密封性能顯著下降

12、，試驗(yàn)結(jié)果有效驗(yàn)證了理論研究結(jié)果。 4結(jié)論 (1)由于高溫的影響，金屬密封圈最大接觸應(yīng)力和剪切應(yīng)力隨工作壓力的增加呈非線性增大，密封圈密封性提高，強(qiáng)度下降。當(dāng)工作壓力小于4MPa時(shí)，密封圈接觸應(yīng)力小于金屬銀材料的屈服強(qiáng)度，密封圈可能發(fā)生微漏現(xiàn)象;工作壓力大于4MPa時(shí)，密封圈密封性能滿足要求。(2)初始?jí)嚎s率在12%～16%范圍內(nèi)時(shí)，最大接觸應(yīng)力有峰值，此時(shí)金屬圈密封性最好。當(dāng)初始?jí)嚎s率大于21%時(shí)，金屬圈塑性變形明顯增加，回彈力減小，密封性能顯著下降，此時(shí)金屬圈無法滿足高溫密封要求。(3)隨著溫度增加，最大等效應(yīng)力、接觸應(yīng)力和剪切應(yīng)力變化先顯著下降后保持穩(wěn)定，即密封圈密封性能先下

13、降后變化較小。(4)高溫密封試驗(yàn)表明，15%壓縮率下的金屬圈350℃密封性能滿足稠油熱采工具密封要求，而金屬圈壓縮率過大時(shí)將發(fā)生明顯的塑性變形，其密封性能顯著下降。 參考文獻(xiàn) 楊立平，楊學(xué)貴，馬認(rèn)琦，等．油氣井防砂工具［M］．北京:石油工業(yè)出版社，2014． 裴群．石油熱采封隔器密封件的研制［J］．潤滑與密封，1992，17(3):27－31．PEIQ．Developmentofsealingsforpetroleumheatingrecoverysealer［J］．LubricationEngineering，1992，17(3):27－31． 張健．金屬空心O形圈密

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