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隔水管接头密封圈的有限元分析

发布于:2020-05-26 20:23
有限元分析

       接头密封一直是隔水管设计和分析的重点。接头密封失效直接影响隔水管系统连接的可靠性,一旦失效,就会使钻井作业停止,增加钻井时间和成本,同时隔水管钻井液泄漏还会污染海洋环境。随着海洋石油开采不断向超深水发展,隔水管长度的增加导致钻井液压力急剧增大,隔水管接头密封设计与有限元分析越来越受到作业人员的重视。
       国外对隔水管接头节流压井管线密封及失效形式展开了研究,提出了隔水管接头密封失效的修复方案,陈国定等进行了密封圈的有限元分析。虽然在其他领域针对密封有限元分析有较多的研究,但专门针对隔水管接头的密封有限元分析却极少。笔者以隔水管接头主管和辅助管线密封圈为研究对象,进行隔水管接头的密封有限元分析,研究隔水管接头的密封性能,探讨工作压力对接头密封的影响。隔水管接头主管Y形密封圈和辅助管线双弹性体密封圈的内圈均为橡胶材料,双弹性体密封圈的外圈一般为比橡胶稍硬的高分子聚合物。橡胶材料的应力应变关系极为复杂,非线性特征明显。Abaqus超弹性本构模型,Mooneylivlin模型适合于模拟中小应变的橡胶材料力学行为。在该模型中,通过附加体积约束能量项,得到修正应变能函数,利用该修正的函数将原来的体积约束变分问题转化为无条件变分问题。
       上、下法兰之间嵌有密封衬套,在衬套和法兰之间设置密封圈防止钻井液泄漏。通常在密封衬套的上、下端各设置2对密封,并将密封圈的开口侧朝向需要承受钻井液压力的一侧。密封衬套的外部末端直径较小,中心直径较大,因此装配很方便,相对于法兰体容易更换,将容易损坏的结构如密封圈沟槽设置在衬套上,当密封沟槽损坏时只需更换衬套。
       Y形密封圈是隔水管接头主管常用的一种密封圈形式。Y形密封圈依靠其张开的唇边贴于密封副藕合面。无内压时,仅仅因唇尖的变形而产生很小的接触应力。在密封的情况下,与密封介质接触的每一点上均有与介质压力相等的法向压力,接触应力增加。当内压再升高时,接触应力的分布形式和大小进一步改变,唇部与密封面配合更紧密,所以密封性更好,这就是Y形圈的自封作用。
       节流和压井管线采用双弹性体密封圈来实现密封,是U形密封圈内嵌入1个。形圈而形成的特殊的密封圈。这种密封圈使用弹性模量大、摩擦因数小的高分子聚合物作为密封圈外圈材料,在外圈中间嵌入橡胶材质的U形密封圈,靠U形圈被挤压的弹性势能来保持密封所需要的接触应力。在内压的作用下,U形圈产生较大的压缩变形,提供给外密封圈足够的密封接触应力,并对外密封圈的磨损起补偿作用。
       由于载荷和结构的对称性,密封圈问题属于轴对称问题,所以可以把对密封圈的研究由三维问题变成二维问题。建立计算模型时,选取密封衬套、法兰体和密封圈进行研究。建模过程中,由于密封衬套和法兰体的刚度是橡胶的几万倍,所以不考虑其变形,作为刚体考虑。为了进一步简化模型,刚体均用线代表平面。建模过程中省略了部分密封衬套和法兰材料,这并不影响计算分析,因为密封圈的失效主要发生在接触面上。对于静密封,当工作压力超过32 MPa时,应考虑在低压侧设置密封挡圈。
       分析中橡胶材质采用近似不可压缩弹性材料的Mooneylirlin模型,和材料的应变能偏量部分有关的2个材料常数C1和C,分别为1.514和0.473,Y形圈密封模型包含3类接触:密封圈和法兰内表面之间的接触;密封圈和密封沟槽的侧面之间的接触;密封圈和密封沟槽底部的接触。辅助管线密封模型包含4类接触:密封圈外圈和法兰内表面之间的接触,密封圈外圈和密封沟槽侧面之间的接触,密封圈外圈和内圈之间的接触。在有限元模型中,为了得到较好的网格,对密封圈进行了剖分,单元全部采用四节点四边形单元,而密封衬套和法兰则不划分网格。


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