封隔器胶筒结构改进及优势分析

2013-09-07徐兴平

石油矿场机械 2013年1期

张辛，徐兴平，王雷

（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛266580）①

封隔器胶筒是通过轴向压缩力紧贴在封隔器套管壁上起密封作用，其密封性能直接制约使用性能。胶筒与套管接触所产生的接触应力是胶筒承受工作压差的必要条件［1］。胶筒的形状优化设计影响着其密封性能［2］，是设计者密切关注的问题。不少学者已经对其实物的力学试验［3］、有限元数值模拟［4］、封隔器与管柱之间的力学关系［5］等进行了大量研究，对封隔器的结构优化以及接触应力的分布关系得出了初步的结论［6］。研究接触应力与胶筒外形及结构参数之间的关系，对理论上认清胶筒的密封机理和胶筒密封的可靠性具有重要意义［7－8］。笔者对常用的封隔器胶筒的结构进行了改进，把三胶筒结构简化为双胶筒，对工作过程进行有限元分析，对其受力过程中接触应力的变化［9］和分布规律进行了详细研究，并与常规结构进行比较分析，结果表明改进型结构具有显著的优势。

1 有限元模型的建立

常用的封隔器上串有3个胶筒［10］，分为上、中、下3个胶筒结构尺寸相同和上下胶筒为长胶筒、中胶筒为短胶筒2种结构形式［11］。通过对传统三胶筒结构的研究发现，起主要密封作用的是上胶筒。为了节省材料，降低制造工艺难度，笔者对传统三胶筒结构进行简化，将封隔器结构改进为双胶筒结构。

由于封隔器的本体和胶筒为柱和筒结构形式，利用轴对称条件［12］对其简化，胶筒的结构和有限元网格划分如图1所示。上、下2个胶筒长度均为80 mm，橡胶材料，外层包络1层紫铜，紫铜厚度为2 mm，胶筒采用50°倾角，直边长8mm，斜边长11 mm，直边与斜边比为0.73。

图1 改进型封隔器结构及网格划分

封隔器在进行有限元分析时，有3种不同性能的材料：胶筒为橡胶材料，属高度非线性复合材料［13］；外包络紫铜；隔环、中心管、套管为金属材料。

胶筒需要用单轴拉伸、等双轴拉伸、剪切试验得到的橡胶材料试验数据进行超弹性材料曲线拟合，进而选择合适的超弹性材料模型。本文采用超弹性材料模型——Mooney Rivlin模型［14］计算，根据经验公式确定模型参数：超弹性材料 Mooney Rivlin常数C10＝1.87，C01＝0.47；密度为1 500kg／m3。Abaqus中默认超弹性材料不可压缩，默认泊松比为0.475［15］。

紫铜材料密度为7 830kg／m3，弹性模量1.19×105MPa，泊松比0.36。金属材料密度7 850kg／m3，弹性模量2.06×105MPa，泊松比0.3。

胶筒采用4节点CAX4RH单元划分网格，中心管、套管和隔环采用CAX4R划分网格。

考虑接触时的摩擦因数，橡胶自接触以及橡胶与隔环、橡胶与套管之间的接触摩擦因数取为0.3，隔环与中心套管之间的摩擦因数定为0.1。

约束条件：模型最下面隔环、中心管下端、套管下端节点施加竖直方向的约束；套管外层施加水平方向的约束。

施加载荷：最上面刚性隔环上施加坐封力，为均布压力作用。

2 有限元软件模拟及结果分析

橡胶属于高度非线性复合材料，在连续介质力学中将橡胶材料称作超弹性材料，因此用非线性有限元分析软件Abaqus进行非线性分析［16］；计算时取工作压力为5、10、15、20、25、30MPa，采用逐步加载的方式进行迭代计算［17］。胶筒变形及Von Mises应力云图如图2～3所示。

由分析结果可知：随着轴向载荷增大，轴向压缩量也增大，开始时压缩量增大较明显，随后压缩量增大变缓，胶筒变形趋于稳定；随着坐封力的增大，胶筒与套管接触长度逐渐增加。胶筒外表柱面部分径向变形受限制，胶筒内表面变形如外表一样向外鼓，当载荷增加时胶筒被压扁并在最后压实。但由于结构限制，只有上胶筒能够被压实。在工作压力为30 MPa时，上胶筒基本完全压实，胶筒上端出现轻微肩突，但未发生胶筒割裂现象，肩突在允许范围之内。

图2 封隔器胶筒应力云图

图3 胶筒接触应力分布

由图2～3可知：工作压力为30MPa时，上胶筒最大接触应力为25.5MPa，下胶筒最大接触应力为5.4MPa，上胶筒的接触应力为下胶筒的4倍多，因此上胶筒起主要坐封作用。

3 改进型封隔器较常规封隔器的优势分析

3.1 结构

改进型封隔器与常规封隔器在结构模型上的区别在于：改进型封隔器为上、下2个胶筒，且橡胶外面包络1层厚2mm的紫铜。两胶筒较之于三胶筒一方面节省了材料，另一方面因为上下胶筒为同结构胶筒，而减少了制造工艺，同时也使封隔器结构简单，装配简化。

3.2 密封性能

封隔器密封性能的好坏，关键在于胶筒与套管内径之间接触应力的大小。在同样的坐封力下，接触应力越大，密封性能越好。

施加工作压力5～30MPa时，分别对两者接触应力进行比较，如图4所示。

通过比较发现：在轴向距离较小时，常规胶筒的接触应力略大于改进型胶筒，这是因为紫铜材料的硬度大于橡胶；当轴向距离增大，紫铜随着橡胶被压缩直到被压实紧贴在套管内壁，接触应力就远大于常规胶筒，密封性能也就更好。

图4 2种封隔器上胶筒接触应力分布

改进型封隔器工作压力为25MPa时，上胶筒的最大接触应力超过20MPa，而常规的封隔器在相同的条件下，接触应力≤14MPa；工作压力为30 MPa时，常规封隔器只有18MPa的接触应力，而改进型封隔器的接触应力可以达到25MPa，因此改进型封隔器有一定的可行性。

3.3 不等长双胶筒封隔器的设计分析

对于改进型的双胶筒的封隔器，当2个胶筒不等长，上胶筒采用原设计长度80mm，下胶筒采用70mm。施加工作压力5、10、15、16MPa时，胶筒应力云图如图5所示。由图5可知：所设计的这种封隔器最多只能承受16MPa的轴向力，没有等长度胶筒所承受的力大，但却比其压缩得好。在10 MPa的轴向力下，上胶筒已经完全压实，到15MPa时，下胶筒基本已经压实。

图5 不等长胶筒应力云图

改进型封隔器胶筒接触应力分布如图6所示，可知：这种上、下胶筒不等长的改进型封隔器在16 MPa的轴向压力下，其接触应力已高达28MPa，比胶筒等长度时大很多，密封性能也较之更好。因为此种结构的封隔器所承受的轴向压力最多只有16 MPa，如果工作条件限制在16MPa以内，采用这种结构密封更好一些；但如果轴向力要求较高，则应该选用等长度的双胶筒型封隔器，其密封性能也很可靠，而且加工更简单一些。