密封失效分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2013-06-16 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

石油鉆井中的水龍頭上部通過鵝頸管與水龍帶、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)動密封是水龍頭設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié),密封介質(zhì)為高壓、磨礪性強的鉆井液,盤根密封是轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)的動密封。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。

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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),直到上一級密封圈失效,下一級密封圈就如同第1級密封圈一樣作用。

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

    1.2水龍頭失效分析

根據(jù)現(xiàn)場使用情況,傳統(tǒng)水龍頭基本上能滿足6000 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,沖管和盤根只能滿負(fù)荷工作100 h,當(dāng)泵壓急劇升高時,通常只能維持50 h。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)動慣童和離心力較大而引起的附加振動。

摩爾認(rèn)為,兩表面在相對滑動時,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)提出的磨料磨損簡化模型,可以粗略解釋來說明磨損率大小的相劉一變化。假設(shè)n個具有頂角為2θ的硬圓錐微凸體,在法向載荷F的作用下,在σs為軟材料的屈服應(yīng)力軟表面上的滑動距離為L,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,分析模型簡化為軸對稱模型,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TARGE169配對組成。分析中采用的橡膠材料模型為近似不可壓縮彈性材料的Mooney-Rirlin模型,與材料的應(yīng)變能偏童部分有關(guān)的2個材料常數(shù)C1和C2分別為1. 87和0. 47。圖3是泥漿壓力為15MPa下的密封圈Von Mises應(yīng)力和接觸壓力分布云圖。

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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。

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綜上分析,動密封不能單純依靠密封結(jié)合面之問的問隙來實現(xiàn)密封,因為問間隙愈緊密,對偶表面相對運動時的摩擦阻力就愈大,磨損快,使密封很快失效。因此動密封作用原理的要點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滑膜等。

2 新型液壓密封結(jié)構(gòu)

National Oilwell和 Kalsi Engineering公司設(shè)計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)的相對一徑向位置,沖管與下盤根盒的徑向間隙通常在0. 5~0. 6 mm之間,以保持沖管相對于中心管完全靜止;上盤根為動密封,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。

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

    2.2原理

該沖管盤根密封系統(tǒng)通過給密封圈低壓力側(cè)提供增壓潤滑油來降低有效壓差,提高密封壽命。高壓潤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)定每個密封圈都承受相同的壓差。潤滑油的壓力一般都低于泥漿壓力,防止?jié)櫥蛪毫^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個密封圈的背壓實際上高于泥漿壓力。如圖6,密封圈設(shè)計為“漂浮”在油上,很像汽車車輪在濕路上打滑;少量的潤滑油從密封圈滲出來,保證鉆井泥漿液不和密封面接觸;沖管盤根實際上是通過潤滑油的“適量泄露”來延長壽命的。

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高壓潤滑油是由一套液壓裝置提供的,如圖7。潤滑油壓力源來自泥漿壓力,通過液壓缸分配各級潤滑油壓力。每個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。

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密封圈采用Kaki Engineering公司開發(fā)的流體動壓圈密封結(jié)構(gòu)(彈性橡膠流體動壓徑向密封圈),該結(jié)構(gòu)有流體動壓潤滑和阻止磨粒侵入作用2個主要特點。利用流體動壓效應(yīng),在動密封面之間形成一層能避免2個相對運動表面直接接觸的動壓油膜,從而降低密封圈運行時的磨損和摩擦熱。

    2.3 特點

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滑油,沖洗泥漿,凈化介質(zhì)。工作時,通過潤滑油適量的、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密封面之間。

b)Kaki密封圈Kaki密封圈主要有流體動壓潤滑和阻止磨粒侵入2個作用。

3 結(jié)論與建議

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

3)動壓圈密封結(jié)構(gòu)利用動壓效應(yīng)能有效潤滑。

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。

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