基于密封接触强度的水下井口连接器VX钢圈密封特性分析*

曾 威,2 宋 红 解 欢3 魏柳兴2 任 涛

(1.西安石油大学机械工程学院 陕西西安 710075；2.南阳二机石油装备集团股份有限公司河南南阳 473006；3.西京学院机械工程学院 陕西西安 710123)

水下井口连接器是连接井口与采油树的关键设备，其密封能力直接影响采油树的工作稳定性与可靠性[1-2]。VX钢圈是井口连接器的关键密封件，分析其密封特性能够准确地获得连接器的密封能力。TEODORIU和BADICIOIU[3]采用试验和理论相结合的方式对API标准连接器VX钢圈的密封性能进行了分析。为提高深水大直径连接器的密封能力，李志刚等[4]建立密封钢圈的弹性力学模型，揭示了其金属密封机制，并通过分析其受力形式获得了该密封结构的密封比压，但是并没有对其密封特性进行分析。唐文献等[5]建立水下井口连接器密封结构的有限元模型，以密封面接触应力为评价指标，分析了其在预紧、生产、完井与修井工况下的密封性能。运飞宏等[6]基于赫兹接触理论建立了连接器透镜式密封结构的接触力学模型，得到了连接器密封面最大接触应力、接触宽度与预紧力之间的关系。陈晓芳等[7]设计了一种具有VX钢圈-双锥面金属密封结构的水下卧式采油树连接器，并以接触应力为评价指标，对其密封性能进行分析。

上述研究工作对连接器密封结构在不同工况下的密封特性进行了分析，获得了其密封性能的变化规律，能够为提高水下连接器的密封能力提供相应的参考。但是，在密封性能分析过程中，上述文献均以密封面的接触应力为评价指标，当接触压力值大于工质压力值即认为该密封结构可靠。而密封性能不但受密封面接触压力大小的影响，而且还受接触应力在整个有效接触长度上的分布情况影响[8]，仅仅以接触应力值的大小作为密封性能评价指标，一定程度上影响密封性能分析的准确性。基于此，本文作者考虑密封面有效接触长度对密封性能的影响，以密封接触强度为密封性能评价指标，以水下井口连接器VX钢圈为对象，采用有限元方法，分析在不同预紧力、工质载荷和结构参数下VX钢圈密封强度的变化规律，为水下连接器密封结构的应用、设计和优化提供详细的参考数据。

1 密封接触强度

与单一的密封面接触压力大小相比，密封接触强度是一种更加广义的评价指标，可以同时考虑密封面接触应力大小及其分布状况对密封性能的影响，其基本定义为接触压力在整个密封有效接触长度上的积分[9]，计算公式为

(1)

式中:fs为密封接触强度；σs为密封面接触压力值；Lss为密封面有效接触长度。

在密封性能评价过程中，需要确定实现可靠密封需要的最小接触强度，MURTAGIAN等[9]以金属-金属密封形式为对象，采用数值模拟和实物试验的方法确定了其表征方法，如式(2)所示：

(2)

式中：ωs为加权密封接触强度；n为相关性指数，存在密封剂时，n=1.2，不存在密封剂时，n=1.4。

对于水下连接器，其工作介质温度较高，密封结构中密封剂对密封性能的影响较小，因此取相关性指数n=1.4。

2 密封结构及密封特性分析模型

2.1 连接器密封结构

卧式采油树井口连接器是连接采油树本体与水下井口的关键设备，其采用VX钢圈密封采油树本体与井口头的间隙，从而防止井口头内的高压工质泄漏，且避免海水进入管道内部。其基本结构如图1所示。

图1 水下采油树井口连接器

VX钢圈的工况主要包括预紧工况和工作工况两个阶段。在预紧阶段，VX钢圈在预紧力的作用下发生径向形变，VX密封圈与密封槽为过盈配合，在预紧力作用下，过盈量使得VX密封圈发生径向压缩，产生的回弹力使得密封圈与密封槽能紧密贴合，形成初步密封；在工作阶段，如图1(b)所示，管内高压工质在密封圈上产生径向作用力，进一步增大密封面上的压紧力，密封圈材料发生塑性变形，使得密封更加可靠，最终形成自紧式密封。其中，VX钢圈是连接器的关键结构，文中以设计压力为34.5 MPa的与水下井口50.8 cm套管头配套的水下采油树井口连接器的VX密封钢圈为例，其具体结构及尺寸参数如图2所示。图中，α为密封面锥度参数，b为密封面宽度参数，B为钢圈径向尺寸参数，h为钢圈厚度尺寸，Dm为外径参数，Di为内径参数。

图2 VX钢圈密封结构参数

2.2 VX钢圈密封特性分析模型

根据采油树井口连接器结构与VX钢圈密封结构尺寸，在Abaqus中建立几何模型，并使用CAX4R单元进行网格划分[10]。连接器毂座和VX钢圈的材料分别为低合金Gr-Mo和Inconel625。其中，低合金Gr-Mo材料的弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3。Inconel625的弹性模量为205 GPa，泊松比为0.308。因为VX钢圈在工作过程中会发生塑性形变，需要考虑其塑性特点，其对应的应力-应变曲线如图3所示。

图3 VX钢圈材料应力应变曲线

根据连接器实际工况条件，分析过程中限制水下井口底部所有节点的轴向位移。在预紧工况下，轴向预紧力W作用在采油树管口上，使得VX钢圈密封面发生塑性变形，实现初步密封；工作工况下，在井口、VX密封圈与采油树体内径施加均匀分布的工质压力p，设置密封圈与密封槽间的摩擦因数为0.15[11]。连接器与采油树体和井口管接头的连接为绑定约束。最终，获得如图4所示的有限元模型。

图4 井口连接器密封特性分析有限元模型

3 不同参数对连接器VX钢圈密封特性的影响

影响VX钢圈密封性能的主要参数包括安装阶段的预紧力、工质压力和结构参数[7]。因此，在分析过程中，以密封接触强度ωs为指标，分别以预紧力、工质压力和结构参数为变量，分析井口连接器VX钢圈密封特性。为体现使用密封接触强度为密封性能指标的优势，文中以密封接触应力最大值为密封性能指标作为对比，以连接器在静压试验条件下3 h内密封压力下降率的倒数为参考指标，分析VX钢圈的密封特性。

3.1 预紧力的影响

安装过程中，井口连接器需要通过预紧力使得VX钢圈密封面发生塑性变形，实现初步密封，其计算公式如式(3)所示。

(3)

式中:q0为预紧时接触面压力(MPa)，为实现可靠密封，其最小值为密封比压；ρ为密封钢圈与密封槽间的摩擦角，钢与钢接触时ρ=8.5°[7]。根据连接器实际工况条件，利用公式(3)计算得到预紧力的取值范围为526 kN≤W≤1 853 kN。采用图4构建的密封特性分析有限元模型，结合如式(3)所示的密封接触强度计算公式，对VX钢圈密封特性进行分析。图5所示为工质压力为36.7 MPa，预紧力为1 850 kN时，VX钢圈密封面接触应力及接触面积。

图6所示为工质压力为36.7 MPa时，不同预紧力作用下各密封性能指标变化曲线。

由图6可知：当工质压力不变，随着预紧力的增加，VX钢圈密封性能持续增加；当预紧力小于900 kN时，钢圈密封性能递增速率较高；当预紧力大于900 kN后，钢圈密封性能呈近似线性增长，但递增速率相对较低。与图6(a)中密封面接触应力最大值的变化趋势相比，图6(b)中钢圈密封面接触强度的变化趋势与试验获得的密封压力下降率的倒数变化趋势更加接近。

图5 工质压力36.7 MPa下VX钢圈 密封面接触压力和接触面积

图6 工质压力为36.7 MPa时不同预紧力下VX钢圈密封性能

从以上结果可知，预紧力是影响VX钢圈密封性能的重要因素，且密封接触强度能够更好地体现VX钢圈密封性能随预紧力变化的实际趋势。因此在考虑连接器锁紧结构强度的基础上，要合理提高连接器的预紧力，以提高VX钢圈密封性能。

3.2 工质压力的影响

图7所示是预紧力为1 850 kN，不同工质压力下各密封性能指标变化曲线。

图7 预紧力为1 850 kN时不同工质压力下VX钢圈密封性能

由图7可知：当预紧力保持不变时，随着工质压力的增加，VX钢圈密封性能持续增加；在图7(a)中，接触应力值在工质压力为2 MPa之前先下降，当工质压力值超过2 MPa后，接触应力值随工质压力的增加而呈近似线性增长；在图7(b)中，在工质压力小于20 MPa之前，密封接触强度的增长率较低，而工质压力超过20 MPa后，密封接触强度呈近似线性趋势增长，且增长速率较高；与图7(a)相比，图7(b)中密封强度的增长趋势与试验获得的密封压力下降率的倒数变化趋势更加接近。

从上述分析结果可推断，当工质压力小于20 MPa时，工质压力对VX钢圈密封性能的影响相对较小，而当工质压力超过20 MPa后，工质压力对VX钢圈密封性能影响程度增加，这也间接表明VX钢圈密封结构能够很好地适应高压工况环境；同时，密封接触强度能够更好地模拟密封性能随工质压力变化的趋势。

3.3 结构参数的影响

影响VX密封圈密封性能的结构参数为钢圈锥度和密封接触面宽度[7]，如图2中α和b所示。因此，以α和b为变量，并以变量当前值为中心，上下浮动50%作为上下界，分析VX钢圈的密封特性。图8所示是预紧力为1 850 kN，工质压力为36.7 MPa，密封接触面宽度为30 mm时，VX钢圈的密封性能指标随钢圈锥度的变化曲线。

图8 不同钢圈锥度下VX钢圈密封性能

由图8可知：当连接器的安装与工况环境不变时，VX钢圈密封性能随着钢圈锥度α的增加而逐步提高；且递增趋势呈现较为明显的3个阶段：当锥度小于15.5°时，密封性能递增趋势较低；当锥度在15.5°～23.5°间时，密封性递增速率较高；当锥度超过23.5°后，密封性能递增速率再次降低。对比图8(a)和(b)，接触应力和接触强度增长趋势均与试验获得的密封压力下降率的倒数变化趋势接近。

根据上述分析结果可知，当密封锥度为23.5°时，VX钢圈具有最优的密封性能，接触应力和接触强度均能够较好地模拟VX钢圈密封性能随钢圈锥度变化的趋势。

图9所示是预紧力为1 850 kN，工质压力为36.7 MPa，钢圈锥度为23°时，VX钢圈的密封性能指标随钢圈锥度的变化曲线。

由图9可知：在连接器安装与工况环境不变的条件下，VX钢圈密封性能随着密封面接触宽度b的增加而递增；在图9(a)中，VX钢圈密封面接触应力值随密封面宽度的增加而递增，但是递增速率并不高，而且与试验获得的密封压力下降率的倒数变化趋势存在较为明显的差异；在图9(b)中，VX钢圈密封接触强度随密封面宽度的增加而递增，其变化趋势虽然与试验获得的密封压力下降率的倒数变化趋势也存在一定的差异，但是与接触应力的变化趋势相比，其一致性相对较高。

图9 不同密封面宽度下VX钢圈密封性能

根据上述分析结果可知，当密封面宽度小于30 mm时，其对VX钢圈的密封性能影响较大；而当密封面宽度超过30 mm后，其对VX钢圈密封性能的影响不再明显，即该型VX钢圈的最优密封面宽度为30 mm。同时，与接触应力相比，接触强度能够更好地模拟VX钢圈密封性能随密封面宽度的变化趋势。

4 结论

(1)连接器安装过程中的预紧力是影响VX钢圈密封性能的重要因素，在保证连接器安装过程中锁紧结构的安全性时，要尽量提高预紧力，以提高VX钢圈的密封性能。

(2)工质压力是影响VX钢圈的密封性能的另外一个重要因素，当工质压力超过20 MPa后，VX钢圈密封性受工质压力影响较大，这也间接地表明VX钢圈能够较好地适应高压工况环境。

(3) VX钢圈密封锥度是影响其密封性能的重要参数，当锥度α=23.5°时，钢圈的密封性能最优；VX钢圈密封面宽度b对密封性能有一定影响，且当b=30 mm时，钢圈密封性能最优。

(4)与接触应力相比，密封接触强度能够更好地模拟VX钢圈密封性能随预紧力、工质压力和结构参数变化的趋势，即在连接器VX钢圈密封特性分析过程中，应该优先选择密封接触强度作为密封性能评价指标，可以为金属-金属密封特性分析中评价指标的选择提供支撑证据。