金属O型圈高温密封性能研究范文

《润滑与密封杂志》2015年第十二期

摘要:

为研究海上稠油热采工具密封用金属O型圈的高温密封性能，建立金属O型圈密封轴对称有限元分析模型，计算其高温条件下接触压力与剪切应力变化规律，分析金属O型圈高温密封影响因素，并利用试验验证理论研究结果。研究表明，温度变化显著影响金属O型圈的强度和密封性能，金属密封圈最大接触应力和剪切应力随工作压力的增加呈非线性增大，密封圈密封性提高，强度下降;初始压缩率在12%～16%范围内时，金属O型圈的高温密封性能最好，能满足350℃下稠油热采工具密封要求。理论研究结果通过试验得到有效验证。

关键词:

稠油热采;井下工具;金属密封圈;高温密封

海上油气田常规井下工具一般采用O型橡胶圈密封，该密封结构可选择丁晴橡胶、聚四氟乙烯和全氟醚等橡胶材料作为基材，实现对油、水、空气及各种化学介质有效的封堵［1］，但其存在致命的缺陷，即橡胶材料在高温条件下易迅速老化并失效。海上稠油热采作业井下工具耐温要求达到350℃以上［2］，O型橡胶圈难以满足要求，由此导致的高温密封失效对生产作业的安全性危害极大。目前海上稠油热采井下工具的自主研发尚处于起步阶段，对涉及的高温密封结构的深入研究很少。金属O型圈具有耐高温、耐腐蚀和气密性好的优点，特别适于高温、高压及高真空密封环境［3］，可作为O型橡胶圈的替代密封结构用于稠油热采工具开发。本文作者在分析金属O型圈密封原理的基础上，利用有限元软件建立金属O型圈接触密封有限元模型，考虑高温效应进行密封结构热力耦合分析，研究金属O型圈的高温密封性能与强度是否满足要求，并通过试验验证理论研究成果，相关方法和结论可为金属O型圈高温密封结构设计与性能分析提供参考。

1金属O型圈密封原理分析

金属O型圈结构主要有3种类型，如图1所示。其中，a型为非自紧O型圈，用在较低压力场合，可密封真空介质及有腐蚀性的液体或气体介质。b型为充气O型圈，在密闭的O型圈内充惰性气体，可增加其回弹能力，用于高温场合。O型圈的充气方法，一般是在管子焊接之前，将固态二氧化碳或偶氮二异丁腈放入管内，焊接后再使之汽化成气体，或者直接充高压惰性气体。c型为自紧O型圈，在其内侧钻有若干小孔，由于管内压力随介质压力的增高而增高，O型圈具有自紧性，用于高压及超高压场合［4］。金属O型圈的密封原理是通过接触面施加预紧力，使其产生适当的弹性变形，在金属圈回弹力的作用下形成金属与金属接触密封。工作压力增大时金属接触表面可产生较大接触应力，导致金属圈表面发生微屈服变形添补密封面的高低不平以保证密封效果。

2金属O型圈密封接触有限元分析

2.1接触分析有限元模型建立金属O型圈材料为1Cr18Ni9Ti，20、350℃时屈服强度分别为200、151MPa，其表面镀银材料20、350℃时屈服强度分别为80、60MPa。对金属O型圈密封接触进行有限元分析，鉴于其几何形状、材料和边界条件特点，将整体结构简化为二维轴对称平面有限元模型，密封结构采用二维四节点实体单元PLANE182。模型中的接触对设为面面刚柔接触，接触单元选为CONTAT172，目标单元选为TARGE169［5－6］，为减小渗透，设置接触单元CONT-AT172的法向接触刚度因子为1。由于金属O型密封圈大多用于静密封环境，可将温度场看作是均匀分布的，在分析应力时，将温度考虑到结构分析中，实现两者的耦合［7－8］，金属O型圈接触密封有限元模型如图2所示。将密封结构的钢件部分作为金属O型圈的边界约束，载荷分三步施加:第一步，沿着金属O型圈的径向施加适当的位移约束，其数值等于金属O型圈的安装过盈量;第二步，在未与钢件接触的O型圈外表面及内侧施加工作压力;第三步，在结构分析中施加节点温度。

2.2金属O型圈高温密封分析关于金属密封圈的失效准则，目前采用的是若接触面的最大应力小于表面密封材料的屈服强度，则密封失效。金属O型密封圈在初装状态(t=20℃，p=0)和工作状态(t=350℃，p=20MPa)下的等效应力和接触应力分布如图3所示。可以看出，初装状态密封圈最大等效应力位于金属O型圈内侧，等效应力最大值为368MPa，大于材料屈服强度，说明金属材料已发生塑性变形;初装状态最大接触应力位于金属O型圈径向受挤压位置，由于没有施加内部压力，密封圈未受挤压侧接触应力很小，接触应力最大值为121MPa，大于金属银的屈服强度，密封性能满足要求。工作状态密封圈最大等效应力位于金属O型圈内侧，等效应力最大值为314MPa，大于材料屈服强度;金属材料塑性变形量增大，工作状态承受工作压力侧的接触应力显著增加，接触应力最大值增大为137MPa，密封性能显著提高。

3金属O型圈密封性能影响因素分析

重点考虑金属密封结构与温度之间的热力耦合效应，研究工作压力、初始压缩率和温度等不同参数变化对金属O型圈密封性能的影响。

3.1工作压力对金属O型圈密封性影响不同工作压力下(初始压缩率为12.5%，温度350℃)密封圈最大应力的变化规律如图4所示。可以看出，密封圈最大等效应力为314MPa，最大接触应力为137MPa，最大剪切应力为147MPa。最大等效应力随着工作压力的增加基本保持不变，工作压力对密封圈等效应力的影响很小。最大接触应力和最大剪切应力随工作压力的增加而增大，密封圈密封性提高，强度下降，由于高温的影响，其接触应力和剪切应力变化规律呈非线性增大。当工作压力小于4MPa时，密封圈接触应力小于金属银材料的屈服强度，密封圈有可能发生微漏现象;工作压力大于4MPa时，密封圈密封性能满足要求。

3.2初始压缩率对金属O型圈密封性影响金属O型圈装配过程中，需要足够的压缩量以保证接触密封，不同初始压缩率下(工作压力10MPa，温度350℃)密封圈最大应力变化规律如图5所示。可以看出，密封圈最大等效应力为388MPa，最大接触应力为105.2MPa，最大剪切应力为147MPa。随着初始压缩率的增加，密封圈最大等效应力和最大剪切应力增大，密封圈强度下降;初始压缩率在12%～16%范围内时，最大接触应力有峰值，此时金属圈密封性最好。当初始压缩率大于21%时，金属圈塑性变形明显增加，回弹力减小，密封性能显著下降，此时金属圈无法满足高温密封要求。3.3温度对金属O型圈密封性能的影响不同温度下(工作压力p=0，初始压缩率12.5%)的最大等效应力、最大接触应力和最大剪切应力变化规律如图6所示。可以看出，金属O型密封圈最大等效应力为368MPa，最大接触应力为121MPa，最大剪切应力为117MPa。随着温度增加，最大等效应力、接触应力和剪切应力变化先显著下降后保持稳定，即密封圈密封性能先下降后变化较小。4金属O型圈高温密封试验自制试验工装进行金属O型圈高温密封试压试验。试验包括:常温试压，方法为在压力20MPa下测试10min，检验金属O型圈常温密封性能;高温试压，方法为将安装金属O型圈的工装放入高温加热箱，加热到350℃后保温60min，然后在不同压力下检验金属O型圈高温密封性能。试验后的工装和金属O型圈实物照片如图7所示，可知，试验后的O型密封圈发生了塑性变形，与圆柱面接触的地方出现了微小的平面。试验过程中，压缩率为15%的金属O型圈加热到350℃后一直试压到20MPa未发生泄漏，O型圈密封性能满足设计要求。而金属圈压缩率为22%时，加压到15MPa后，继续加压压力不再升高同时高温箱上部通风口有明显的浓烟冒出，说明此时发生明显泄漏，即金属O型密封圈最大密封压力只能达到15MPa。不同压缩率下金属O型圈高温密封试验数据见表1。试验表明，当金属O型圈压缩率过大时将发生明显的塑性变形，其密封性能显著下降，试验结果有效验证了理论研究结果。

4结论

(1)由于高温的影响，金属密封圈最大接触应力和剪切应力随工作压力的增加呈非线性增大，密封圈密封性提高，强度下降。当工作压力小于4MPa时，密封圈接触应力小于金属银材料的屈服强度，密封圈可能发生微漏现象;工作压力大于4MPa时，密封圈密封性能满足要求。(2)初始压缩率在12%～16%范围内时，最大接触应力有峰值，此时金属圈密封性最好。当初始压缩率大于21%时，金属圈塑性变形明显增加，回弹力减小，密封性能显著下降，此时金属圈无法满足高温密封要求。(3)随着温度增加，最大等效应力、接触应力和剪切应力变化先显著下降后保持稳定，即密封圈密封性能先下降后变化较小。(4)高温密封试验表明，15%压缩率下的金属圈350℃密封性能满足稠油热采工具密封要求，而金属圈压缩率过大时将发生明显的塑性变形，其密封性能显著下降。

参考文献

【1】杨立平，杨学贵，马认琦，等．油气井防砂工具［M］．北京:石油工业出版社，2014．

【2】裴群．石油热采封隔器密封件的研制［J］．润滑与密封，1992，17(3):27－31．PEIQ．Developmentofsealingsforpetroleumheatingrecoverysealer［J］．LubricationEngineering，1992，17(3):27－31．

【3】张健．金属空心O形圈密封结构设计［J］．石油化工设备，2005，34(1):32－34．ZHANGJ．SealingstructuredesignofhollowmetalO-ring［J］．Petro-ChemicalEquipment，2005，34(1):32－34．

【4】薛文熙，叶德成．O型金属密封圈［J］．航空工艺技术，1982(1):13－17．XUEWX，YEDC．MetalO-ringsealingstructure［J］．Aviationtechnology，1982(1):13－17．

【5】谭晶，杨卫民，丁玉梅，等．O形橡胶密封圈密封性能的有限元分析［J］．润滑与密封，2006，31(9):65－69．TANJ，YANGWM，DINGYM，etal．FiniteelementanalysisofthesealingperformanceofO-ringsealstructure［J］．Lubrica-tionEngineering，2006，31(9):65－69．

【6】左凯，鞠少栋，马认琦，等．海上完井防砂密封模块密封性能研究［J］．钻采工艺，2014，37(3):71－74．ZUOK，JUSD，MARQ，etal．Researchonsealingperform-anceofthesealingmoduleforsandcontroloperationofoffshoreheavyoilrecovery［J］．Drilling＆ProductionTechnology，2014，37(3):71－74．

【7】陈汇龙，刘彤，林清龙，等．基于ANYS接触式机械密封热力耦合的研究［J］．流体机械，2012，40(7):29－32．CHENHL，LIUT，LINQL，etal．CouplinganalysisofthermalstressoncontactingmechanicalsealsbasedonANSYS［J］．Flu-idMachinery，2012，40(7):29－32．

【8】吴昊．机械密封热力耦合变形及流场分析［D］．兰州:兰州理工大学石油化工学院，2014．

作者：鞠少栋 马认琦 郭树彬 刘传刚 洪秀玫 单位：中海油能源发展工程技术公司