泛塞封密封性能仿真

2016-01-18兰晓冬,周红军,丁辉等

船海工程 2015年5期

关键词：过盈量节流阀密封件

泛塞封密封性能仿真

兰晓冬，周红军，丁辉，丁静

(中海油能源发展装备技术有限公司机械设备技术服务中心，天津 300452)

摘要：考虑到历年的采油树节流阀维修中，因节流阀密封失效导致阀门泄露占总维修次数的50%，拟用密封性能更可靠的泛塞封代替节流阀原V形密封，利用仿真软件计算分析其密封性能，分析对比不同“过盈量”下的密封效果，选择出最佳“过盈量”。

关键词：节流阀；密封件；仿真；过盈量

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.030

中图分类号：U662.9

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2015)05-0109-04

收稿日期：2015-07-30

作者简介：第一兰晓冬(1989-)，男，硕士，工程师

Abstract:According to statistics of valve repairing in the Christmas tree, the valve leakage caused by valve seal failure accounted for 50% of the total number of repairing. The pan plug seal with more reliable sealing performance is attempted to replace the original V type seal. The sealing performance is analyzed by the simulation software. The sealing effects of different interference are compared with, so shat the best interference is chosen.

修回日期：2015-09-01

研究方向:海洋钻(修)机械设备的设计及管理

E-mail:lanxd@cnooc.com.cn

密封件是绝大多数机械设备上不可缺少的辅件，是保证现代工业高效、持久、安全和稳定运行必不可少的重要技术产品。在石油和石油化工工业中，有近90%的旋转设备采用机械密封[1]。在石油化学工业设备中，离心机泵占全部机泵的85%以上，而离心机维修工作量的70%左右都是针对密封问题[2]。

采油树是阀门和配件组成的总成，用于油气井的流体控制，为油气井产出流体及洗井液等提供出入口。2014年8月，公司接到某平台的海洋井口采油树故障维修委托书，对该口井采油树的节流阀进行维修。在井口采油树拆解过程中，发现失效原因是节流阀原密封损坏而导致阀门泄露。在历年的采油树节流阀维修中，由于节流阀密封失效导致阀门泄露占总维修次数的50%。为此，拟用密封性能更可靠的泛塞封代替节流阀原V形密封，降低密封圈失效维修频次。

1泛塞封简介

泛塞封是近10年间发展起来的一种新型密封方式，该类型的密封件结构与Y形圈类似，Y形圈沟槽内部无支撑件，而泛塞封则是以U形聚四氟乙烯材质为基体，并在沟槽内部装入特殊形状的高性能弹簧作为支撑件。当泛塞封密封件装入密封沟槽后，依靠泛塞封密封件的初始形变和弹簧支撑力提供初始接触应力，随着介质压力的升高，主要的密封力由介质压力提供，此时，弹簧支撑件仅提供辅助密封力，这样保证了泛塞封密封件从低压甚至零压到高压都具有非常优异的密封性能。

泛塞封既可以用于静密封，也可用于动密封。其密封原理图见图1.

图1　泛塞封密封原理

泛塞封的基体采用聚四氟乙烯或聚四氟乙烯的复合材料。聚四氟乙烯是四氟乙烯的聚合物，英文缩写为PTFE，商品名为“铁氟龙”，被美誉为“塑料之王”。

聚四氟乙烯具有一系列优异的物理化学性质[3]。

1)耐高低温。从-196～250 ℃均可保持良好的性能。

2)耐交变温差。具有现阶段塑料中最佳的老化寿命。

3)摩擦系数极小。是所有固体材料中摩擦系数最小的材质，可低至0.04。

4)不粘性。具有固体材料中最小的表面张力而不粘附任何物质。

5)耐腐蚀。具有非常稳定的化学性能，是世界上耐腐蚀性最佳的材料之一。除了会与熔融碱金属、氟化物和300 ℃以上的氢氧化钠反应之外，能承受所有强酸、强碱、强氧化剂、还原剂和各种有机溶剂的侵蚀，即使在王水中煮沸也不发生任何变化。

正是由于聚四氟乙烯具有很优异而稳定的物理化学性质，而被广泛的用于生产和生活的许多领域。目前，各类聚四氟乙烯制品已在化工、机械、电子、电器、军工、航天、环保和桥梁等国民经济领域中起到了举足轻重的作用[4]。

在聚四氟乙烯发现初期，一直被美国秘密用于军事工业，直到20世纪50年代才被应用于密封。和一般的螺旋密封件相比，这是一种很好的弹性密封材料[5]。随着聚四氟乙烯技术的发展，现已发明聚四氟乙烯的复合材料，以获得更好的物理化学性能，例如强度、硬度、抗蠕变性、抗冷流性等。用聚四氟乙烯材料做成的密封圈可用于介质压力高达200 MPa，线速度高达15 m/s的动密封和各种静密封中。

2泛塞封设计

密封件的设计应基于密封件的使用工况及与其配合的沟槽尺寸，采油树节流阀的使用工况如下：

1)工作压力。70 MPa，设计压力应为105 MPa。

2)工作温度范围。-29～121 ℃。

3)密封形式。动密封和静密封。

由于节流阀内部每个密封件的设计思路一致，故取其中一处为例进行分析，与其配合的沟槽尺寸见表1。

表1　密封沟槽尺寸　cm

为使密封件在受压时，密封件两侧密封件唇口受力均匀，密封件外形尺寸采用对称设计原则，即密封件的外形关于密封沟槽中心轴线对称。取密封件唇口与密封沟槽“过盈量”为0.2 mm，设计的密封件外形尺寸见图2。

图2　密封件外形尺寸

3泛塞封密封性能仿真

对设计的密封件，并不知道其密封性能，若设计出后直接加工再试验，则研发成本较大，故在设计完成之后，用仿真软件对其进行密封仿真,可大大降低研发成本。对于该密封件密封性能的仿真，采用ABAQUS仿真软件。ABAQUS软件的使用与其他仿真软件类似，均是按照建模、划分网格、施加边界条件、计算、后处理的步骤进行。

3.1模型建立

密封件安装在密封沟槽里属于轴对称的三维模型，为减小计算量，将三维模型简化为二维模型，且密封耦合面用属性为离散刚体的线段代替，即密封耦合面不发生任何形变，密封件则用其截面形状代替。同时，在密封沟槽进口设置倒角，易于模拟密封件的安装。由于在密封件受到高压作用时，弹簧基本不为密封唇口提供弹力，而是靠高压介质为唇口提供力的作用，同时为了减小仿真难度，在仿真模型中不考虑弹簧。

简化模型见图3。