油套管特殊螺纹密封面微观泄漏机制研究

特殊螺纹金属对金属密封的可靠性不仅与主密封面的结构和油套管材料性能有关,而且与螺纹接头密封面表面粗糙度、泄漏介质特性等因素有关,其密封性能的研究是一项复杂而又难以解决的问题。在微观尺度下,分析特殊螺纹金属对金属气密封泄漏机制,并建立微观尺度下气体通过金属密封间隙泄漏速率的理论模型;在考虑密封表面粗糙度的情况下,建立特殊螺纹气体泄漏率的数学模型。以锥面对锥面密封为例,研究密封表面接触应力、表面粗糙度和密封面接触长度对特殊螺纹气体密封性能的影响。计算结果表明:随密封面接触应力的增大和密封面有效接触长度的增加,气体泄漏率均呈幂率指数规律降低;随密封面粗糙度的增加,气体泄漏率随之增大。     

表面粗糙度对油套管特殊螺纹密封面性能的影响

以往对油套管特殊螺纹密封的数值模拟都是在光滑平面的基础上展开的，不能真实反映油管连接时载荷接触状况。运用蒙特卡洛法建立考虑粗糙度的油管密封面接触模型，分析表面粗糙度、接头母扣球面半径、内压载荷对油管密封面性能的影响。结果表明：同一过盈量下，密封面粗糙度越小，平均接触压力越小；母扣球面半径越大，密封面接触长度越长，贴合度越高；随着内压的增加，由于公扣密封接触面上的微凸体与锥面的接触次数逐渐增多，并且在相互接触的情况下，其弹性变形程度逐渐降低，而塑性变形增大，此时因接触长度增大，密封表面具有较好的密封性能。     

油套管特殊螺纹密封性能数值仿真研究

油套管特殊螺纹主要通过金属对金属的径向过盈主密封结构保证油套管连接的气密封性能。针对特殊螺纹密封性能开展数值模拟评价研究,并提出优化特殊螺纹气密封结构的方法。首先建立了特殊螺纹锥面对锥面密封结构的数值仿真模型,研究了等锥面密封结构和非等锥面的密封面上接触应力分布关系,研究发现,若采用非等锥线性密封结构的密封接头,能够有效改善特殊螺纹密封面上接触不协调现象,改善密封面上接触应力的分布;其次,建立了特殊螺纹球面对锥面密封结构的数值仿真模型,引入密封接触能理论,研究了不同椭圆度下的球面密封结构密封面上接触应力分布关系,并给出特殊螺纹球面密封椭圆度的最佳取值范围。研究结果可以为提高特殊螺纹抗泄漏能力提供理论依据,为特殊螺纹密封结构的研发提供思路借鉴。     

基于等效泄漏间隙的不同密封结构泄漏率分析

对于不同的密封垫片,由于其截面形状的不同,现有方法难以对其密封性能进行准确对比。基于ANSYS中建立的密封结构有限元模型,能够计算出接触表面上的接触压力。将接触压力转化为等效泄漏间隙,通过雷诺方程计算出接触面上的流体压力分布,进而计算出密封面上的泄漏率。通过对比不同预紧力下,单峰和双峰截面密封垫片的密封性能,对密封垫的设计提供指导。计算结果表明,低预紧力下,单峰截面垫片的密封效果好;高预紧力下,双峰截面垫片的密封效果好。     

复合载荷作用下特殊螺纹套管接头性能分析

针对在复合载荷工况下石油套管易失效和易泄漏的问题,对复合载荷作用下套管特殊螺纹接头的应力水平和接触压力沿密封面的分布规律进行了研究。依据材料性能和套管接头的结构特点,对特殊螺纹套管接头进行了简化;运用ANSYS软件建立了套管接头的有限元模型,包括网格划分、加载和约束,然后利用ANSYS接触分析功能模块计算得到了特殊螺纹套管接头在上扣过盈配合、轴向拉力、内压以及复合载荷下的应力云图和接触压力云图,着重研究了套管在不同荷载作用下的连接性能和密封性能。研究结果表明:复合载荷中的各个单一载荷对套管接头的性能影响是不同的;轴向拉伸荷载对扭矩台肩和主密封密封性能影响较大,内部压力的增大能够提高接头的密封性能。     

油封唇口静态接触特性的有限元分析

为研究油封唇口和轴表面的静态接触特性,利用Ansys有限元分析软件建立油封二维轴对称有限元模型,获得油封唇口的应力和变形,分析安装过盈量、橡胶弹性模量和油封内径对密封唇口接触压力、接触宽度和径向力等接触特性参数的影响。结果表明,随着安装过盈量增加,唇口接触压力的非对称分布特点越显著,最大接触压力先增加后减少,接触宽度先缓慢增加后快速增加,径向力呈近似线性增加的变化规律;过盈量一定时,随着橡胶弹性模量提高,唇口接触特性参数增大;随着油封内径增大,唇口接触特性参数减小。     

表面粗糙度对金属平垫泄漏率的影响

为探究金属垫片表面形貌对泄漏率的影响,通过三维形貌仪对不同表面粗糙度的Cu、Al和316L金属垫片进行局部扫描,构建出真实法兰垫片的微观接触模型。在此基础上,进行静力学和计算流体力学分析,通过对流体域设置不同的边界条件,考察不同介质压力下,表面粗糙度和接触压力对泄漏率的影响。仿真结果表明：3种材质的垫片均呈现表面粗糙度越大,则泄漏率越大的趋势;其中,Al垫片的泄漏率对表面粗糙度最为敏感,316L垫片的泄漏率受表面粗糙度的影响最小;当表面粗糙度一定时,施加的接触压力越大,泄漏率越低,但当接触压力达到一定值后,增大接触压力对降低泄漏率的影响将越来越小。     

CLS特殊螺纹接头气密结构研究及有限元分析

为保证石油套管接头在高温、高压和强腐蚀工作环境下的密封完整性,常采用金属对金属的密封方式。本文对比了两种不同的主密封结构形式——锥面-锥面和球面-锥面,通过有限元计算开展了分析工作,为CLS特殊螺纹的气密结构优化提供了新的方向。     

石油套管特殊螺纹接头密封结构设计方法

API标准石油套管螺纹接头由于结构设计缺陷,其密封性能不能满足高温高压的使用需要。提出锥面与圆弧面配合的特殊螺纹接头密封结构形式,采用具有辅助密封效果的倒钩抗扭矩台肩,通过优化选取密封面的锥度、长度及过盈量,严格控制密封面的接触压力,保证结构具有良好的密封性能。全尺寸评价实验结果表明,该接头的密封性能达到了使用要求,说明确定的特殊螺纹密封设计方法是可行的。     

超高压压裂管汇由壬接头预紧特性分析

针对超高压压裂管汇由壬接头安装预紧力不当导致结构破坏或密封泄漏的问题,以某公司研制的175 MPa超高压由壬接头为研究对象,利用ABAQUS建立由壬接触模型,采用有限单元法对该接头进行应力分析与强度评定以及密封性能判定。结果表明：预紧力大小对母由壬应力几乎没有影响,对公由壬、翼型螺母和三瓣挡圈应力有显著影响,且都呈现正相关性,影响程度从高到低依次为公由壬、翼型螺母、三瓣挡圈和母由壬;额定工况下预紧力超过250 kN时,公由壬轴肩圆角处应力超过其材料许用应力,结构静强度不满足要求可能会发生结构破坏;预紧力小于150 kN时,不足以抵抗内压作用,公由壬和母由壬球头锥面密封结构分离;在能够确保球头锥面密封性和结构安全性的150~250 kN预紧力范围内,氢化丁腈橡胶（HNBR）密封圈表面接触应力始终大于实时流体工作压力,密封圈密封性能良好。推荐安装预紧力范围为150~250 kN,在该范围内密封圈结构的静强度以及密封性均能满足要求。     

表面粗糙度对矩形动密封特性的影响

基于耦合了密封圈的弹性变形、流体动力分析和过盈接触的密封性能数值计算流程,利用Matlab 软件编程实现矩形动密封特性的数值计算,得到矩形密封圈的油膜厚度、泄漏量及摩擦力等密封性能参数,分析表面粗糙度对矩形密封圈的润滑状态和泄漏量的影响。结果表明：往复运动速度一定时,随着密封圈粗糙度的增加,密封偶合面的润滑状态由流体润滑转变为润滑润滑状态,密封的泄漏量也呈几何式增加,说明粗糙度对密封圈的工作寿命和密封性能有较大的影响;往复运动速度也是影响矩形密封圈密封性能的关键工作参数之一,密封压力一定时,随着粗糙度的增加,不发生泄漏的临界速度降低。     

水下柔性连接器的O形圈球面密封性能分析

水下柔性连接器可解决水下油气管道在连接时因管道角度偏离而无法成功对接的问题。水下连接器的密封结构以球面上的O形圈为主，为了验证连接器密封结构在水下的密封性能，通过对O形圈材料本构方程的计算分析，得到O形圈橡胶材料的重要材料参数；从von Mises应力、接触压力、不同接触面的接触宽度等方面，分析不同介质压力对O形圈密封性能的影响。结果表明：水下柔性连接器密封结构在不同工作状态下均能够保持良好的密封性能，且介质压力越大，O形圈与球形结构上的密封槽之间的接触应力就越大，连接器密封性能有所提升。通过压力试验验证了O形圈球形结构应用在水下是可靠的。     

井下V形金属密封环密封性能研究

提出一种适用于井下复杂环境的V形金属密封环,利用压力密封装置模拟40 MPa压差工作环境,研究V形金属密封环在井下流量控制阀中的密封性能。将V形环的力学模型分解为圆筒过盈配合与悬臂梁力学模型进行理论分析,得出密封接触面的应力计算公式,并利用ABAQUS进行仿真验证。建立V形环两种密封面(曲面与平面)的轴对称模型,分析密封环在40 MPa压差下,不同过盈量与倾角对密封性能的影响,并对比2种结构的性能。结果表明,在满足密封性能的前提下,平面密封结构的过盈量取值范围更广,并且在相同结构参数时的接触应力大于曲面密封。确定平面密封结构过盈量与倾角的取值范围,为井下流量控制阀中V形金属密封环的设计提供了参考,应力计算公式也为密封环的设计提供了一个初步的接触面应力。     

特殊螺纹接头主密封优化研究

以特殊螺纹接头为研究对象,采用有限元分析的方法,分析常规锥面/锥面密封结构、变锥面密封结构以及逆向台肩3种结构主密封面上接触压力分布规律,并在此基础上提出一种改进型密封结构。有限元分析结果表明:锥面/锥面密封结构主密封面上接触压力分布不均,有效接触长度很短;变锥面密封结构和逆向台肩能够在一定程度上改善接触压力分布,但密封结构参数对接触压力分布影响很大;改进型密封结构综合了上述结构的优点,主密封面上接触压力呈现U型分布,并且在拉伸载荷作用下有着更高的稳定性。     

基于流固耦合的橡胶O形圈老化对密封性能的影响研究

橡胶O形圈在高温受压的环境下易发生老化并产生泄漏,而最大接触压力和永久压缩变形不足以判定密封系统的密封性能。为了更加精准研究橡胶O形圈在高温受压情况下的老化对密封性能的影响,通过实验获取橡胶O形圈老化后的泄漏率和性能数据,构建有限元仿真模型,获取不同老化时间下的密封面接触压力,结合流固耦合模型计算出理论泄漏率。通过对比不同老化时间后的橡胶O形圈的实验泄漏率和密封面接触压力评估其密封性能。对比数值模型得到的结果和实验结果,发现理论模型与实际情况一致性较好,验证了该理论模型可为橡胶O形圈的老化行为分析、预测提供指导。     

密封结构中粗糙表面特征对其气密性的影响

基于Gauss分布函数和指数自相关函数关系建立三维粗糙表面的数学模型,获得密封面的数值粗糙表面。进而在三维数值粗糙表面的基础上,采用流动数值分析方法,对金属垫片密封结构的气密性进行了研究,分析表面粗糙度、应力以及材料力学特性等相关参数对泄露率的影响。为构建泄漏率表达式,引入流量因子表征现有模型泄漏率与平行圆板模型的差异,流量因子是膜厚比的函数。该工作实现了静接触密封结构泄漏特性定量评估的数值分析方法,对各种硬密封结构的高精度设计有着重要指导意义。     

双唇Y形拉杆密封的密封性能研究*

建立双唇Y形拉杆封的混合润滑模型,并进行流体力学、接触力学、变形力学分析。利用MatLab软件实现对模型的求解,得到密封区域的流量、膜厚和接触压力分布,并分析不同密封件粗糙度对轴向往复双唇Y形密封圈的摩擦力矩、泄漏量的影响。结果表明:在双唇Y形往复密封中,两唇在密封过程中均处于混合润滑状态,且第一内唇处的膜厚大于第二内唇处;第二内唇静态接触压力近似于对称分布,且第二内唇最大接触压力大于第一内唇最大接触压力,表明第二内唇作为密封的第二道防线可以保证良好的密封效果;密封件粗糙度是影响矩形密封性能的重要因素,随表面粗糙度的增加,直线往复密封的摩擦力和泄漏量增大,存在一个临界粗糙度使泄漏方向改变。     

某超高压管接头结构参数对接触密封性能的影响分析

超高压液压管接头的研制开发已成为液压系统超高压化进程中亟需解决的问题。介绍了一种新型超高压管接头结构形式,在此基础上利用ANSYS建立了管接头组件的有限元模型,研究了70 MPa 工作压力下,结构参数如锥面角、球头半径、外倾角对管接头接触密封性能的影响。研究结果表明:锥面角对密封区域的接触点中心位置、接触带宽影响较大,球头半径主要影响密封区域的接触带宽度,而外倾角对密封区域的接触应力影响较大。研究结果对于管接头的结构尺度优化具有指导意义,同时为超高压管接头组件的研发提供了技术支撑。     

旋转组合密封圈表面结构对密封性能的影响

为研究旋转组合密封圈表面结构对密封性能的影响规律,对方圈表面分别加工单槽和双槽等不同表面结构,利用ABAQUS仿真分析不同表面结构的旋转组合密封圈在完成过盈安装与流体加载后的应力及接触压力分布,并研究油槽宽度变化对组合密封性能的影响。仿真结果表明:在过盈安装与流体加载情况下,O形圈的最大von Mises应力均有所减少,而带槽密封圈最大von Mises应力都出现增长,且过盈安装状态下应力增幅较大;带槽密封圈接触面被油槽分为多段,每段接触压力曲线相似,而接触压力均有不同程度的增大;方圈最大von Mises应力值在过盈安装状态下随着宽度增加而增大,在流体加载状态下随着宽度增加有不同程度的减小。方圈表面增加油槽有利于在动密封面上形成多个动压润滑区域,对增强密封性能、改善润滑条件具有一定作用,但增加油槽后会增大方圈应力,增加疲劳损坏风险。