梯形隔环和槽形胶筒组合式封隔器密封结构的优化设计

为了提高封隔器的密封性能,设计一种沿径向对称的梯形隔环和槽形胶筒组构成的新型密封结构,运用有限元分析方法模拟封隔器的工作状况,分析梯形隔环结构特性参数对封隔器密封性能影响,获得不同梯形隔环结构参数下封隔器胶筒组与套管壁间接触应力分布规律,并对新型密封结构进行优化。结果表明:新型密封结构选择梯形隔环中心线距离隔环端面距离10 mm、梯形隔环下底高9 mm、梯形隔环上底高8 mm,梯形隔环高度9 mm的特性参数时,其最大接触应力比常规密封结构提高了约84%。新型密封结构的胶筒组与套管壁的接触应力比常规封隔器有显著提高,提高封隔器的密封性能。     

深井长时效隔采封隔器的研制

针对油田深井中封隔器使用时效短、锚定能力差、无防倒灌等缺点,设计了适合深井使用的长时效隔采封隔器.长时效隔采封隔器采用压缩胶筒和扩张胶筒形成复合密封,利用圆柱双向卡瓦作为锚定零件.在长时效隔采封隔器管柱中配置滑套开关,可以有效保证长时效隔采封隔器的时效性和锚定强度,减小套损水对油层的影响.分析长时效隔采封隔器中胶筒的力学特性,并对扩张胶筒进行密封测试,得出对胶筒性能的影响参数.     

高温高压封隔器胶筒密封结构设计

随着深井、超深井的开发，封隔器坐封后将长时间承受高温高压、腐蚀等极为复杂的工况。设计一种封隔器胶筒密封结构，该密封结构根据功能特性选取不同的材料，使封隔器能够满足井下高温高压等较为复杂的工况要求。根据实际的井下极端工况条件，对设计的封隔器进行坐封、密封测试，利用商用软件ABAQUS对胶筒在给定工况下的力学行为进行分析。结果表明：设计的封隔器能够在0.2 MN坐封力、204 ℃温度和70 MPa密封压力下稳定工作；在给定的70 MPa压差下，封隔器胶筒橡胶应力水平未达到材料的屈服点，能够保证封隔器的耐久性和可靠性；橡胶胶筒能够产生大于70 MPa压差的接触应力，保证封隔器能承受70 MPa压差。     

压裂封隔器密封系统流体穿透仿真研究

当压裂封隔器坐封成功后,胶筒与井壁表面仍存在微小泄漏间隙,原油、天然气、钻井液等介质在足够大的压差下会穿过间隙形成泄漏,导致封隔器的密封失效。为了从动态的角度研究封隔器胶筒密封失效的本质,建立封隔器流体穿透模型,通过高温下橡胶试样单轴拉伸试验数据与Mooney-Rivlin本构模型进行拟合,获得准确的橡胶超弹性本构模型参数。采用浸入边界法,模拟高压流体穿透封隔器导致封隔器密封失效的整个过程,并通过高温高压胶筒泄漏试验来验证该过程的正确性与准确性。仿真结果表明:封隔器胶筒失效的原因在于过高压力的流体穿透了胶筒与井壁(或套管壁)的接触面,形成了泄漏通道;当第一个密封胶筒失效时,泄漏临界液压值为77. 70 MPa,而高温高压试验井中测得的封隔器胶筒泄漏临界液压值为82. 39 MPa,试验与仿真之间误差值不超过10%,证明了模拟的流体穿透封隔器过程是准确的。     

封隔器胶筒高温高压密封性能检测试验研究

设计研制一种封隔器胶筒密封性能试验装置。该装置可模拟油井下350℃高温、20 MPa高压恶劣工况,能够模拟封隔器胶筒坐封过程,能够对封隔器胶筒的密封性能进行检测。借助试验装置对不同形式的胶筒进行环空密闭试验,测试了不同形式封隔器胶筒在不同介质下环空腔内压力变化规律,得到了试验后胶筒的形变状态、腐蚀破损情况,检验了各形式胶筒在高温高压工况下的密封性能,为封隔器胶筒的设计和改进提供可靠的试验依据。     

温度变化对压裂封隔器胶筒密封性能和疲劳寿命的影响研究

利用ABAQUS软件建立了封隔器胶筒的有限元模型,分析了密封载荷为58.15 MPa时,温度变化对胶筒与套管之间的接触应力的影响规律。考虑实际工况中井下作业温度变化的情况,分析了升温和降温两种变化情况下胶筒的整体密封性能。利用ABAQUS与FE-SAFE疲劳分析软件联立求解,分析温度变化对胶筒使用寿命的影响。研究结果表明,密封载荷不变时,作业温度稳定不变且为100℃左右时胶筒的密封性能最好;作业温度由低向高变化时,胶筒的整体密封性能随之提高,密封性能系数增大;反之,当作业温度由高向低变化时,胶筒的整体密封性能随之降低,密封性能系数减小。当作业初始温度50℃升至100℃时胶筒的整体密封性能达到最好,此时密封性能系数达到最大值4 564.7 MPa·mm;当作业初始温度100℃降温至50℃时胶筒的整体密封性能最差,此时密封性能系数达到最小值572.7 MPa·mm。温度变化幅度越小,胶筒的疲劳寿命波动范围越小;当温度变化幅度一定时,作业温度的升高可延长胶筒的疲劳寿命,当初始温度为100℃时,胶筒的疲劳寿命可达到最大值66.10 d。无论是升温还是降温,当温度变化幅度超过30℃时,均会导致胶筒失效。     

压缩式胶筒肩部突出变形试验研究

为了进一步提高封隔器的承压密封性能,利用专用试验装置研究胶筒在不同坐封力及工作压差下的肩部突出变形;对装有整体伞形保护环的胶筒进行轴向压缩试验,分析伞形保护环对胶筒突出变形的影响。结果表明:压缩式胶筒在承压过程中进一步被工作压差产生的轴向力压缩,导致胶筒肩部突出变形加剧,并伴随发生蠕动松弛现象,影响胶筒的密封性能;整体伞形保护环的设计与应用,有利于抑制胶筒肩部的突出变形,提高胶筒的密封性能。     

响应曲面法优化封隔器胶筒密封性能参数的研究

利用有限元分析软件建立某压缩式封隔器胶筒的二维模型,分析53.85 MPa轴向载荷作用下,胶筒的端面倾斜角、胶筒子厚度、筒高和摩擦因数对胶筒与套管之间最大接触应力的影响。结果表明:最大接触应力随端面角的增加呈W形分布,随子厚度的增加先增大后减小最后趋于稳定,随胶筒筒高的的增大而减小,随摩擦因数的增大先缓慢减小后急剧增大;端面角为45°,胶筒子厚度取9 mm,筒高介于80～120 mm,摩擦因数在0.1～0.3范围内时,研究的封隔器的胶筒与套管之间最大接触应力较高,胶筒的密封性能较好。基于有限元分析结果,设计响应曲面法实验,研究多因子不同水平下胶筒最大接触压力响应的变化情况。结果表明:对最大接触应力影响最大的因子是摩擦因数,最小的是筒高,交互项端面倾斜角和筒高、端面倾斜角和摩擦因数、胶筒子厚度和擦因数、筒高和摩擦因数对响应具有显著性影响;胶筒密封性能最佳的因子组合方案为端面倾斜角为48.2°、子厚度为9 mm、筒高为90 mm、摩擦因数为0.1。     

深水测试密闭环空压力变化下的封隔器胶筒性能分析

为探讨深水测试双封隔器由密闭环空压力变化引起的变形与强度问题,建立双封隔器胶筒结构的力学分析模型。根据工作过程中封隔器间密闭环空压力的变化,对胶筒的密封性能进行分析,得到各胶筒的应变量、等效应力以及接触应力的变化情况。分析采用胶筒不同圆形倒角参数时封隔器胶筒与套管的接触特性,研究胶筒倒角参数对封隔器密封性能的影响,得出封隔器的优化结构参数。结果显示：各胶筒的应变量、等效应力以及接触应力均随密闭环空压力的增大而增大,其中下胶筒的增大幅度最明显;各胶筒变形量随着胶筒倒角的增大无明显变化,但等效应力随着胶筒倒角的增大均减小,而随着胶筒倒角的增大上胶筒和中胶筒的接触应力均增大,下胶筒的接触应力先增大后减小。因此,一定程度上增大胶筒倒角有利于提升封隔器的密封性能,倒角半径为0.75 mm时为最优结构。     

水平井裸眼封隔器密封结构优化研究

针对水平井压缩式裸眼封隔器存在的密封性差、坐封力低、胶筒与井壁间存在间隙等问题,对其密封结构进行改进与优化,设计出一种凸球形隔环和凹球形胶筒组相结合的新型密封结构。运用 ABAQUS 软件模拟密封结构封隔器胶筒的坐封情况,获得胶筒组轴向接触压力的分布规律,并分析胶筒硬度和摩擦因数对接触压力的影响。结果表明：新型密封结构凸球形隔环在轴向压缩胶筒的同时也起径向压缩作用,提高了胶筒与井壁和中心管间的接触压力,增强了封隔器的密封性能;胶筒与井壁间的接触压力随着胶筒硬度和摩擦因数的增大而增大,但过大的摩擦因数会导致下胶筒接触压力明显减小,应选择硬度和摩擦因数合适的胶筒,从而保证封隔器的密封可靠性。     

钻井泵活塞缸套密封系统密封性能流-固耦合分析*

现有的关于钻井泵活塞皮碗受力情况的相关研究,大多忽略了钻井泵工作过程中活塞缸套与钻井液的流-固耦合作用,得出的结论与实际的受力特性有一定的差别。为研究活塞皮碗的受力情况,通过建立活塞缸套的有限元模型,采用流-固耦合方法来模拟活塞缸套受力特性,同时探讨皮碗过盈量以及唇角尺寸对其密封性能的影响。仿真结果表明：缸套与皮碗接触面之间受力变化规律与缸套内压力变化规律相似;在最大工作压力作用下,缸套内表面和垫圈表面与皮碗接触部位等效应力都较大,但相较于缸套和垫圈,皮碗是活塞密封中最易失效的部件;皮碗的应力主要集中在活塞皮碗的唇部及根部与垫圈接触处,而这也是皮碗易发生失效的2个部位;当皮碗过盈量大于1.0 mm,唇角大于15°时,皮碗唇部会产生向心效应,进而影响皮碗的密封性能。     

旋转控制头密封胶芯性能三维有限元分析与结构优化

为提升带压起下钻过程中旋转控制头胶芯密封性能,基于虚功原理得到动态密封过程的有限元控制方程,并进行橡胶单轴压缩试验确立胶芯变形过程中的Yeoh本构模型;运用ABAQUS试验平台建立胶芯三维有限元模型,通过模拟起下钻过程中胶芯动态密封过程,得出密封面上受力分布规律;研究胶芯内锥角、外锥角、内径等结构参数对密封性能的影响....     

压缩式封隔器洗井活塞密封性能仿真研究

压缩式封隔器通过液压油驱动洗井活塞运动从而完成油层或水层间的隔离,活塞的有效密封是保证封隔器正常工作的前提。通过建立O形密封圈的非线性有限元分析模型,对配合外径为115.7 mm,厚度分别为5.3 mm和3.55 mm的两种O形圈进行了分析,通过密封圈接触面最大接触压力判据,得到两种结构密封圈的临界工作压力为8.4 MPa和7.6 MPa。依据Von Mises应力对密封圈进行仿真校核的结果表明所分析结果是正确的。所得研究成果可对O形密封圈的设计与使用提供理论依据,为提高封隔器的可靠性从而确保油气勘探开发的安全进行提供指导。     

基于Workbench的缩套式超高压缸体优化设计

某设备的缩套式超高压缸体存在内壁始终为应力最大位置,且缸体应力分布相当不均匀的问题。为满足缸体最大等效应力小于缸体材料的屈服极限,以内外缸体内壁剪应力相等为约束条件,结合过盈配合及设计要求,利用响应面法对缩套式超高压缸体进行优化设计。结果表明,缸体的过盈量从优化前的0.30 mm减小到优化后的0.2662 mm,降低了内外缸安装套合时的工作难度;内缸内壁到外缸内壁的等效应力的变化率从优化前的0.787 MPa/mm降为0.0568 MPa/mm,缸体的应力分布不均匀性较优化前有了较大的改观。     

Explicit finite element modelling of the impaction of metal press-fit acetabular components

Metal press-fit cups and shells are widely used in hip resurfacing and total hip replacement procedures. These acetabular components are inserted into a reamed acetabula cavity by either impacting their inner polar surface (shells) or outer rim (cups). Two-dimensional explicit dynamics axisymmetric finite element models were developed to simulate these impaction methods. Greater impact velocities were needed to insert the components when the interference fit was increased; a minimum velocity of 2 m/s was required to fully seat a component with a 2 mm interference between the bone and outer diameter. Changing the component material from cobalt-chromium to titanium alloy resulted in a reduction in the number of impacts on the pole to seat it from 14 to nine. Of greatest significance, it was found that locking a rigid cap to the cup or shell rim resulted in up to nine fewer impactions being necessary to seat it than impacting directly on the polar surface or using a cap free from the rim of the component, as is the case with many commercial resurfacing cup impaction devices currently used. This is important to impactor design and could make insertion easier and also reduce acetabula bone damage.     

内外螺旋管道机器人性能分析和结构参数优化

数值比较了内外螺旋机器人、单节外螺旋机器人和双节外螺旋机器人的轴向推进力、管道壁所受最大压力、液体对机器人的承载力和液体对机器人周向阻力矩与其外壳转速的关系,分析了内螺旋转速和外螺旋转速的变化对机器人轴向推进力的影响以及机器人外螺旋槽结构参数(槽口宽a2、 槽底宽b2、倾角α2、螺旋槽槽深h2、螺纹升角Φ2和螺纹线数n2）对机器人轴向推进力的影响, 并运用正交试验优化方法优化了外螺旋槽结构参数组合。结果表明：内外螺旋机器人单位有效体积的推进力和液体对其的承载力最大;外螺旋参数的变化对机器人性能的影响远大于内螺旋参数的变化对机器人性能的影响;机器人外螺旋槽结构参数和机器人轴向推进力成非线性关系。在管道直径和机器人内外径确定的条件下,一组最优的外螺旋槽结构参数组合为：a2=1.25mm,b2=0.75mm,α2=70°,h2=0.8mm,Φ2=30°,n2=10。     

基于正交试验的纯水液压缸鼓形密封结构改进

为提高纯水介质下液压缸活塞用鼓形密封的性能,以ZY10000-20-40DB型掩护式液压支架的活塞密封为研究对象,利用Ansys有限元软件建立鼓形密封结构二维轴对称模型,通过正交试验的方法,分析活塞内外行程情况下,不同密封沟槽结构参数和密封圈结构参数的鼓形密封的密封性能以及破损特性,并对鼓形密封结构进行优化。结果表明：相比于密封圈结构参数,密封沟槽结构参数对密封性能的影响较小,沟槽内倒角的尺寸变化对密封性能没有影响;密封圈边长尺寸过大或过小都会引起应力的集中;最大von Mises应力和接触应力都随着密封圈外凸圆弧半径的增大而增大,随着密封圈内凹圆弧半径的增大而减小。优化后的鼓形密封的最大接触应力增大18%～20%,密封性能显著提升。     

水下设备密封胶筒截面形状的响应面优化

胶筒的密封性能对于封隔器等水下设备来说极为重要,而胶筒的截面形状是影响胶筒密封性能的重要因素之一。一般来说,胶筒的上端与下端受到的约束条件并不相同,并且在密封性能方面,胶筒上端接触压力更大,且胶筒的各个结构参数相互影响。因此建立综合考虑胶筒上端厚度与倒角角度的二维数值模型,以外筒内侧受到的应力为优化目标,引入防肩突变量作为防止肩突发生的约束条件,利用响应面优化方法结合多目标遗传算法,对胶筒的端面厚度和角度进行优化。结果表明：在有限元仿真中,防肩突变量可有效地反映出胶筒在挤压过程中是否出现的肩突情况;在优化过程中加入防肩突变量进行约束,可避免得到产生肩突的胶筒结构参数值。优化得到了胶筒上端厚度比下端厚度大的胶筒截面结构,其密封性能比传统的胶筒截面结构更有优势。提出的不对称胶筒截面形状对类似密封件的研究有重要的理论意义。     

封隔器胶筒的非正态分布变量对其可靠性灵敏度的影响

针对工程实际中涉及非正态分布变量的封隔器胶筒密封不可靠问题,建立胶筒力学可靠性模型,提出Edgeworth级数和四阶矩的机械可靠性灵敏度数值分析方法;对密封胶筒力学模型的随机变量进行可靠性灵敏度对比分析,得出结构参数对封隔器胶筒可靠性的影响规律。结果表明:服从正态分布的几何尺寸比非正态分布的工作压差、密封载荷对封隔器胶筒可靠性的影响更显著,而非正态随机变量中,工作压差对胶筒密封可靠性的影响大于密封载荷的影响;随机方差灵敏度的增加,都会使胶筒趋向不可靠,但不同结构变量方差灵敏度的变化对胶筒密封可靠性的影响不尽相同。通过实例胶筒的可靠性灵敏度设计计算,验证该方法的有效性和准确性,工程应用中该方法可作为封隔器胶筒结构参数定量设计和可靠性设计的依据。     

深海刚柔组合负压吸附装置的力学特性与吸附效果分析

柔性吸盘被广泛用于陆上气动负压系统中,但对于深海高压环境来说,柔性材料抵抗外界压力的能力较差,导致其过度变形,吸盘有效作用面积减少,吸附能力减弱甚至丧失。通过综合考虑柔性吸盘的良好密封特性及刚性吸盘有效作用面积不变的特性,设计了一种由柔性吸盘、刚性吸盘及卡箍组成的吸盘形式,通过有限元仿真分析了吸盘的密封性能和预紧力情况,确定了吸盘的尺寸和选型,并搭建了试验台,对吸盘的预紧力、密封性能和吸附力进行了试验。结果表明:吸盘在预紧力为390 N时完全变形,此时吸盘在外界环境压力11 MPa,吸盘内部压力1 MPa的情况下,15 min内吸盘内部压力没有发生变化,吸盘没有发生泄漏,且可以提供至少15000 N的吸附力。