水龍頭高壓盤根密封失效分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2016-08-26 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要: 盤根密封是水龍頭的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其性能直接影響水龍頭的壽命和鉆井速度。通過(guò)對(duì)國(guó)民油井公司的一種高壓水龍頭與現(xiàn)有水龍頭密封結(jié)構(gòu)的對(duì)比,綜合分析了密封的破壞原因。按其工作原理,利用ANSYS 有限元工程分析軟件分析了密封圈接觸壓力,指出了采用高壓潤(rùn)滑油隔離泥漿的合理依據(jù)。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)水龍頭在高壓下密封壽命極短這一問(wèn)題,提出了改進(jìn)措施與方法,對(duì)于國(guó)內(nèi)高壓水龍頭設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞: 水龍頭; 盤根裝置; 高壓; 磨料磨損; 動(dòng)密封

石油鉆井中的水龍頭上部通過(guò)鵝頸管與水龍帶、泥漿泵相連接,下部連接旋轉(zhuǎn)中心管,向旋轉(zhuǎn)著的鉆柱內(nèi)引輸高壓鉆井液。水龍頭盤根旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封是水龍頭設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),密封介質(zhì)為高壓、磨礪性強(qiáng)的鉆井液,盤根密封是轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)的動(dòng)密封。尤其是在高壓下,鉆井液盤根密封系統(tǒng)是水龍頭的最薄弱環(huán)節(jié),其密封性能直接影響水龍頭的壽命和鉆井速度。

1 水龍頭密封結(jié)構(gòu)

1. 1 現(xiàn)有水龍頭密封結(jié)構(gòu)與工作原理

國(guó)內(nèi)目前使用的水龍頭大多采用液壓自封式密封結(jié)構(gòu),如圖1 ,在泥漿壓力作用下 Y型密封圈唇部始終壓緊沖管外壁,基本可以滿足中深井工作要求。

圖 1 Y 型密封圈結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆井水龍頭盤根密封結(jié)構(gòu)如圖 2 ,與泥漿接觸的第1 級(jí)密封圈一側(cè)承受全部泥漿壓力,而背部則為大氣壓力,其他密封圈處于閑置狀態(tài),直到上一級(jí)密封圈失效,下一級(jí)密封圈就如同第1 級(jí)密封圈一樣作用。

圖 2 傳統(tǒng)盤根密封結(jié)構(gòu)

密封盤根與下密封盒一起隨中心管旋轉(zhuǎn),沖管工作時(shí)不旋轉(zhuǎn),但允許略有軸向竄動(dòng),沖管磨損均勻。

1. 2 水龍頭失效分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況,傳統(tǒng)水龍頭基本上能滿足6 000 m 以下的鉆井要求。但是,隨著泥漿壓力增高,傳統(tǒng)水龍頭壽命急劇減少,當(dāng)壓力升高到 35MPa時(shí),沖管和盤根只能滿負(fù)荷工作 100 h ,當(dāng)泵壓急劇升高時(shí),通常只能維持50h。而當(dāng)前鉆井技術(shù)要求的泥漿壓力非常高,因此,許多傳統(tǒng)水龍頭裝置已經(jīng)達(dá)不到使用要求。

分析其失效原因,主要是泥漿壓力增大,磨損加劇,導(dǎo)致壽命減少; 另一方面是盤根轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和離心力較大而引起的附加振動(dòng)。

摩爾認(rèn)為,兩表面在相對(duì)滑動(dòng)時(shí),橡膠的磨損有3 種形式, 即磨料磨損、疲勞磨損、卷筒形成磨損。

水龍頭的密封介質(zhì)是磨礪性強(qiáng)的鉆井液,磨粒磨損是盤根密封磨損的主要原因。根據(jù)拉賓諾維奇( Rabinowicz) 提出的磨料磨損簡(jiǎn)化模型,可以粗略解釋來(lái)說(shuō)明磨損率大小的相對(duì)變化。假設(shè)n 個(gè)具有頂角為 2θ的硬圓錐微凸體,在法向載荷F 的作用下,在σ sy為軟材料的屈服應(yīng)力軟表面上的滑動(dòng)距離為L(zhǎng) ,則在軟表面上除去的材料體積WV 為

可見,磨損量與法向載荷和滑動(dòng)距離基本上成正比利用ANSYS 有限元軟件,分析在不同泥漿壓力下Y 型密封圈抱緊盤根的接觸壓力,分析模型簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱模型,如圖 1。橡膠單元采用超彈性單元 HYPER56 , 模型中的接觸單元由接觸單元CONTA171 和目標(biāo)單元TA RG E169 配對(duì)組成。分析中采用的橡膠材料模型為近似不可壓縮彈性材料的Moo ney-Rirlin 模型,與材料的應(yīng)變能偏量部分有關(guān)的2 個(gè)材料常數(shù)C1 和C2 分別為1 . 87 和0 . 47

圖3 是泥漿壓力為 15 MPa 下的密封圈 Von Mises應(yīng)力和接觸壓力分布云圖。

圖 3 15 MPa下的密封圈 Von Mises 應(yīng)力和接觸壓力

不同泥漿壓力下的接觸壓力如表1 ,密封圈接觸壓力變化如圖4。由表 1 和圖 4 可見, Y 型密封圈接觸壓力高于泥漿壓力,滿足密封要求; 隨著泥漿壓力升高,Y 型密封圈抱緊盤根的接觸應(yīng)力相應(yīng)增高,其磨損速度加快,導(dǎo)致水龍頭的壽命極短。

綜上分析,動(dòng)密封不能單純依靠密封結(jié)合面之間的間隙來(lái)實(shí)現(xiàn)密封,因?yàn)殚g隙愈緊密,對(duì)偶表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力就愈大,磨損快,使密封很快失效。因此動(dòng)密封作用原理的要點(diǎn)是既要保持密封而又不產(chǎn)生較大摩擦磨損,包括減小密封兩側(cè)的壓力差、使結(jié)合面之間保持流體潤(rùn)滑膜等。

圖 4 密封圈接觸壓力

表 1 不同泥漿壓力下的接觸壓力

2 新型液壓密封結(jié)構(gòu)

National Oilw ell 和 Kal si Engineering 公司設(shè)計(jì)的沖管盤根密封系統(tǒng)即新型液壓密封結(jié)構(gòu),其設(shè)計(jì)壓力達(dá)到52. 5 MPa ,工作壽命為傳統(tǒng)水龍頭盤根密封的5 倍。

2. 1 結(jié)構(gòu)

如圖5 ,沖管與旋轉(zhuǎn)中心管剛性連接,上盤根盒與鵝頸管剛性連接; 下盤根為靜密封,卡環(huán)保持沖管與調(diào)整環(huán)的相對(duì)徑向位置,沖管與下盤根盒的徑向間隙通常在0. 5 ~ 0 . 6 mm 之間,以保持沖管相對(duì)于中心管完全靜止; 上盤根為動(dòng)密封,上盤根盒和隔環(huán)的間隙通常在0 . 3 ~ 0. 4 mm 之間,最好為0. 3 mm ,以允許一定的徑向偏差。

圖 5 國(guó)民油井公司的盤根密封結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)水龍頭相比,沖管隨中心管旋轉(zhuǎn),動(dòng)密封的盤根盒不轉(zhuǎn),沖管磨損比較均勻,避免了盤根轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大可能引起的附加振動(dòng)。

2. 2 原理

該沖管盤根密封系統(tǒng)通過(guò)給密封圈低壓力側(cè)提供增壓潤(rùn)滑油來(lái)降低有效壓差,提高密封壽命。高壓潤(rùn)滑油壓力是按泥漿比例預(yù)先確定的,其值在泥漿壓力與大氣壓之間,通常設(shè)定每個(gè)密封圈都承受相同的壓差。潤(rùn)滑油的壓力一般都低于泥漿壓力,防止?jié)櫥蛪毫^(guò)度而泄露。

由于泥漿液中含有固體顆粒,因此,與泥漿接觸的第1 個(gè)密封圈的背壓實(shí)際上高于泥漿壓力。如圖6 ,密封圈設(shè)計(jì)為“漂浮”在油上,很像汽車車輪在濕路上打滑; 少量的潤(rùn)滑油從密封圈滲出來(lái),保證鉆井泥漿液不和密封面接觸; 沖管盤根實(shí)際上是通過(guò)潤(rùn)滑油的“適量泄露”來(lái)延長(zhǎng)壽命的。

高壓潤(rùn)滑油是由一套液壓裝置提供的,如圖7。潤(rùn)滑油壓力源來(lái)自泥漿壓力,通過(guò)液壓缸分配各級(jí)潤(rùn)滑油壓力。每個(gè)與密封圈背部腔室相連的管道都配有止回閥,防止密封盤根的泥漿壓力倒流回液壓缸。

圖 6 國(guó)民油井公司新型沖管密封結(jié)構(gòu)

密封圈采用 Kalsi Engineering 公司開發(fā)的流體動(dòng)壓圈密封結(jié)構(gòu)( 彈性橡膠流體動(dòng)壓徑向密封圈),該結(jié)構(gòu)有流體動(dòng)壓潤(rùn)滑和阻止磨粒侵入作用2個(gè)主要特點(diǎn)。利用流體動(dòng)壓效應(yīng),在動(dòng)密封面之間形成一層能避免 2個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面直接接觸的動(dòng)壓油膜,從而降低密封圈運(yùn)行時(shí)的磨損和摩擦熱[ 6 -7 ]。

圖 7 國(guó)民油井公司盤根液壓缸系統(tǒng)

2. 3 特點(diǎn)

a) 隔離密封系統(tǒng) 泥漿中含有大量固體顆粒,磨粒磨損是密封圈最主要的磨損形式。因此,該液壓沖管系統(tǒng)的密封首先采用隔離密封系統(tǒng),在與泥漿接觸的密封圈背部提供略高于泥漿壓力的潤(rùn)滑油,沖洗泥漿,凈化介質(zhì)。工作時(shí),通過(guò)潤(rùn)滑油適量的、有控制的泄露,使泥漿不和密封面接觸,以阻止泥漿磨粒侵入到動(dòng)密封面之間。

b) Kal si密封圈 Kalsi 密封圈主要有流體動(dòng)壓潤(rùn)滑和阻止磨粒侵入2 個(gè)作用。

3 結(jié)論與建議

1) Y 型密封圈接觸壓力高于泥漿壓力,滿足密封要求; 接觸壓力隨泥漿壓力增加而增大。

2) 采用高壓潤(rùn)滑油隔離系統(tǒng)沖洗泥漿,凈化介質(zhì); 在每一級(jí)密封圈背部提供高壓潤(rùn)滑油,減小有效壓差。

3) 動(dòng)壓圈密封結(jié)構(gòu)利用動(dòng)壓效應(yīng)能有效潤(rùn)滑。

4) 采用沖管旋轉(zhuǎn)、盤根密封靜止結(jié)構(gòu),減小旋轉(zhuǎn)離心力,消除潛在振動(dòng)。

參考文獻(xiàn):

[ 1] 魏孔財(cái),楊儒周。簡(jiǎn)論水龍頭盤根密封置的發(fā)展[ J]。石油礦場(chǎng)機(jī)械, 2005 , 34( 3): 103 -104。

[ 2] 海因茨 K 米勒, 伯納德 S 納烏。流體密封技術(shù)[ M] 。程傳慶, 譯. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002。

[ 3] 張嗣偉.橡膠磨損原理[ M] . 北京: 石油工業(yè)出版社,1998。

[ 4] Na tional Oilw ell. Drilling So lutio ns Supply Chain I nte-g ration [ EB] . 2000 Composite Catalog.

[ 5 ] A sw iv el seal assembly.a method for inc reasing the life o f a swivel seal and a swivel [ P] . Natio nal Oilwell.Euro pean patent application , No: 04252151 .8,2004 .10 .20。

[ 6] 陳家慶,徐林林, 許宏奇. 流體動(dòng)壓徑向密封及其在石油機(jī)械中的應(yīng)用[ J] 。石油礦場(chǎng)機(jī)械, 2002 , 30( 3): 53 -55。

[ 7] 陳家慶,張寶生, 趙艷玲. 流體動(dòng)壓徑向橡膠密封圈的密封特性研究[ J ]。石油礦場(chǎng)機(jī)械, 2004( 10): 6 -10。

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