采油树平板闸阀柔性密封圈结构优化设计

(1.西南石油大学机电工程学院 四川成都 610500；2.中石化江钻石油机械有限公司 湖北武汉 430223)

采油树是油气开采的重要井口设备，平板闸阀是采油树的关键部件，平板闸阀的失效主要是由密封圈失效导致。因此，平板闸阀密封圈密封性能的优劣直接影响采油树能否正常工作。平板闸阀密封圈的密封部位位于阀杆和阀盖形成的环形沟槽中，由于阀杆、阀盖的挤压作用，使密封圈发生轴向变形和径向压缩变形，密封圈密封面便与阀杆、阀盖壁面间产生接触应力，从而在密封阀杆与阀盖间形成环形空间，分隔油气产层与外界大气环境。随着钻井深度的增加，井口环境越来越复杂，原油在进入采油树时往往伴随较高的油压，常规密封圈的密封性能已经无法满足密封高压介质的要求。密封圈在受压变形过程中，由于密封面与阀杆、阀盖壁面间的接触应力大小与分布规律和接触长度影响密封圈密封性能，因此，研究密封圈与阀杆、阀盖壁面间的接触应力，对提高采油树平板闸阀的密封性能有重要意义。

近年来国内学者对提高平板闸阀密封圈密封性能做了大量研究。谭智勇[1]分析了V形密封圈的唇边斜度、唇前夹角、唇后夹角和过盈量等几何参数对接触应力的影响，并对V形密封圈的几何参数进行了优化。刘明等人[2]基于Y形密封圈密封原理，研究其结构设计与工作环境的关系并设计出了满足使用要求、性能可靠的Y形密封圈。田阔等人[3]基于热弹性力学及热应力分析理论，利用有限元分析软件ABAQUS分析了压力和温度同时变化时Y形密封圈变形与应力分布。张东葛等[4]利用有限元软件ANSYS对Y形液压密封圈在不同工作压力下的变形与受力情况进行分析，得出上、下唇最大接触压力随油压变化的关系。谌彪等人[5]基于静密封条件，利用有限元软件ANSYS对Y形密封圈进行分析，得出Von Mises应力分布、接触压力分布及接触压力的变化规律。王国荣等[6]利用有限元软件ABAQUS分析工作压力、密封间隙、往复运动速度、密封速度对往复式轴用Y形密封圈密封性能的影响。孟华荣等[7]利用有限元软件ANSYS分析蒸压釜Y形密封圈结构参数与密封圈应力变化之间的规律，并通过正交试验方法对Y形密封圈进行结构优化。

现有的研究提出了不同的新型密封结构，虽提高了密封圈的密封性能，但是提升幅度不大。为了进一步提高采油树平板闸阀密封圈的密封性能，本文作者在泛塞封的基础上，设计了一种密封圈本体唇边开有锯齿的新型柔性密封结构，并分析了不同密封结构参数对柔性密封圈密封性能的影响规律，并对柔性密封圈的密封结构特性参数进行优化。

1 密封结构设计及参数设置

1.1 新型柔性密封圈结构设计

设计的新型柔性密封圈结构如图1所示，密封圈唇边接触面开有锯齿状凸起且锯齿状凸起沿密封圈中轴线径向对称。密封圈内部置有V形弹簧且密封圈橡胶本体唇口内侧开有防止V形弹簧掉落的凸台。新型柔性密封圈的结构特性参数包括唇边锯齿数量n、唇边夹角度数α和唇谷夹角度数γ。

图1 新型柔性密封圈结构示意图Fig 1 The structure of the new self-adapted sealing ring

1.2 密封结构参数设置

柔性密封圈由密封圈本体和V形弹簧组成。V形弹簧采用金属材料，弹性模量取200 GPa，泊松比为0.3。密封圈本体采用橡胶材料，在不考虑橡胶材料的蠕变、应力松弛以及Mullins效应等与时间相关的特征时，橡胶可以近似为一种各向同性且不可压缩的超弹性体材料[8-9]。根据密封圈本体的材料特性和变形情况，文中采用了可以较好地拟合橡胶材料中等变形的Mooney-Rivlin模型[10]，该模型模拟密封圈橡胶本体在外力作用下变形的应变能密度函数W为

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

式中：C10、C01为材料参数，可以通过单轴拉伸试验、双轴拉伸试验、平面剪切试验的实验数据计算获得[11-12]。

采用的橡胶材料为超弹性丁腈橡胶、橡胶材料参数[13]为：硬度IRHD90，C10=1.925 56 MPa，C01=0.962 78 MPa。柔性密封圈密封结构参数见表1所示。

表1 密封部件材料参数

2 密封结构有限元模型建立

采油树平板闸阀各部件为轴对称的几何结构，在柔性密封圈有限元仿真分析中所受约束和载荷是轴对称的，因此，建立平板闸阀各部件二维轴对称模型对柔性密封圈的装配情况进行有限元仿真。平板闸阀各部件二维轴对称模型如图2所示。

图2 平板闸阀各部件二维轴对称模型

Fig 2 Two dimensional axisymmetric model of flat gate valve

使用ABAQUS有限元软件模拟平板闸阀新型柔性密封圈的装配过程，如图3(a)、(b)所示。

图3 平板闸阀各部件仿真网格及边界条件示意图Fig 3 The meshing(a)and boundary conditions(b) of flat gate valve

阀杆、阀盖、密封圈压套和V形弹簧采用四节点双线性轴对称四边形减缩积分单元CAX4R划分网格，柔性密封圈本体采用四结点双线性轴对称四边形杂交单元CAX4H划分网格，定义阀杆外侧壁面、阀盖内侧壁面与柔性密封圈密封面间的相互接触位有限滑移，摩擦因数定义为0.3[13]。各部件边界条件和装配载荷定义为阀杆、阀盖完全固定，密封圈压套下表面施加55 mm向下的位移载荷。

3 新型柔性密封圈接触应力分析

参考常规Y形密封圈的结构尺寸，选取新型柔性密封圈的结构参数为：n=2，α=16°，γ=35°。对常规Y形密封圈和新型柔性密封圈与阀杆、阀盖壁面间的接触应力大小与分布规律和接触长度进行了研究，图4(a)、(b)示出了常规Y形密封圈和新型柔性密封圈分别与阀杆、阀盖壁面间的接触应力，表2给出了其力学参数。

图4 常规Y形与新型柔性密封圈接触应力分布Fig 4 Contact stress distribution of conventional and self-adapted sealing ring (a)contact stress distribution between sealing ring and stem;(b)contact stress distribution between seal ring and valve cove

表2 常规Y形和柔性密封圈与阀杆、阀盖壁面间力学参数

分析图4、表2，可得出以下结论：

(1)在55 mm位移载荷下，常规Y形密封圈、新型柔性密封圈与阀杆、阀盖壁面间接触应力分布规律相似。常规Y形密封圈与阀杆、阀盖壁面间接触应力先减小后增大再减小，总体呈递减的变化趋势，最大接触应力出现在密封圈根部；新型柔性密封圈与阀杆、阀盖壁面间接触应力先减小后相继出现2次峰值，2次应力峰值均出现在密封圈唇边锯齿状凸起处。

(2)新型柔性密封圈与阀杆、阀盖壁面间接触应力均大于常规Y形密封圈，且前者最大接触应力远大于后者。新型柔性密封圈与阀杆、阀盖壁面间的最大接触应力较常规Y形密封圈分别提高了415%和458%，与两壁面间的平均接触应力分别提高了384%和482%。由此可见，采用新型柔性密封圈提高了其密封性能。

4 新型柔性密封圈结构参数优化设计

文中研究了新型柔性密封圈的结构参数，包括唇边锯齿数量n、唇边夹角度数α和唇谷夹角度数γ对新型柔性密封圈密封性能的影响规律，优化处密封圈结构参数。

4.1 锯齿数量对接触应力的影响

通过改变新型柔性密封圈结构参数中的唇边锯齿数量n，并使用有限元软件ABAQUS分析其对密封圈密封性能的影响，同时对柔性密封圈结构参数n进行优化。选取唇边锯齿数量为1～3，新型柔性密封圈与阀杆、阀盖壁面的接触应力分布情况如图5(a)、(b)和图6所示。

分析图5、图6可得出以下结论：

(1)不同锯齿个数下密封圈两侧接触面接触应力分布规律相似，接触应力先减小再增大并相继出现峰值；接触应力峰值出现的位置与仿真模型中锯齿凸起的位置重合，且两侧接触应力峰值的数量与唇边锯齿数量相同；密封圈与阀盖壁面各位置接触应力均高于密封圈与阀杆壁面各位置，总体接触应力前者高于后者。

(2)在55 mm位移载荷下，新型柔性密封圈与阀杆、阀盖壁面间的最大接触应力随着唇边锯齿数量的增大而增大，在所选参数范围内，在n=3时，柔性密封圈与两侧壁面间最大接触应力最大，最大应力值为36.90 MPa，相较于优化前提高了372%。

图5 不同锯齿数量下接触应力分布曲线Fig 5 Distribution curves of contact stress under different sawteeth quantities (a)contact stress distribution between flexible seal ring and stem under different edge angle;(b)contact stress distribution between flexible seal ring and valve cover under different sawtooth number

图6 不同锯齿数量下最大接触应力变化曲线Fig 6 Curves of maximum contact stress under different sawteeth quantities

4.2 唇边夹角对接触应力的影响

通过改变新型柔性密封圈结构参数中的唇边夹角，并使用有限元软件ABAQUS分析其对密封圈密封性能的影响，同时对柔性密封圈结构参数α进行优化。参考相关文献[6]，常规Y形密封圈的唇边夹角的取值与密封圈材料与壁面间的摩擦因数有关，橡胶与金属间的摩擦因数取值范围在0.25～0.4之间，经过计算文中选取唇边夹角取值范围为16°～20°，新型柔性密封圈与阀杆、阀盖壁面的接触应力分布情况如图7(a)、(b)和图8所示。

分析图7、图8可得出以下结论：

(1)不同唇边夹角下密封圈接触应力分布规律基本相同，接触应力先减小后增大并相继出现峰值；唇边接触应力峰值出现的位置相近，均出现在唇边锯齿部位；

(2)在55 mm位移载荷下，新型柔性密封圈与阀杆、阀盖壁面间的最大接触应力随着唇边夹角度数的增大而增大，在所选参数范围内，当α=20°时，柔性密封圈与两侧壁面间最大接触应力最大，最大应力值为35.77 MPa，相较于优化前提高了361%。

图7 不同唇边夹角下接触应力分布曲线Fig 7 Distribution curves of contact stress under different edge angles (a)contact stress distribution between flexible seal ring and stem under different edge angle;(b)contact stress distribution between flexible seal ring and valve cover under different edge angle

图8 不同唇边夹角度数下最大接触应力变化曲线Fig 8 Curves of maximum contact stress under different edge angles

4.3 唇谷夹角对接触应力的影响

通过改变新型柔性密封圈结构参数中的唇谷夹角γ，并使用有限元软件ABAQUS分析其对密封圈密封性能的影响，同时对柔性密封圈结构参数γ进行优化。选取唇谷夹角取值范围为30°～40°，新型柔性密封圈与阀杆、阀盖壁面的接触应力分布情况如图9(a)、(b)和图10所示。

分析图9、图10可得出以下结论：

(1)不同唇边夹角下密封圈接触应力分布规律基本相同，接触应力先减小后增大并相继出现峰值；唇边接触应力峰值均出现在唇边锯齿部位；

(2)在55 mm位移载荷下，新型柔性密封圈与阀杆、阀盖壁面间的最大接触应力随着唇谷夹角度数的增大而减小，在所选参数范围内，当γ=30°时，柔性密封圈与两侧壁面间最大接触应力最大，最大应力值为14.15 MPa，相较于优化前提高了143%。

图9 不同唇谷夹角下接触应力分布曲线Fig 9 Distribution curves of contact stress under different valley angles (a)contact stress distribution between flexible seal ring and stem under different valley angle;(b)contact stress distribution between flexible seal ring and valve cover under different valley angle

图10 不同唇谷夹角度数下最大接触应力变化曲线Fig 10 Curves of maximum contact stress under different valley angles

综合上述分析：密封面间最大接触应力随唇边锯齿数量、唇边夹角度数的增大而增大，随唇谷夹角度数的增大而减小；新型柔性密封圈在唇边锯齿数量n=3，唇边夹角度数α=20°，唇谷夹角度数γ=30°时，密封圈与阀杆、阀盖壁面间接触应力最大，最大接触应力为36.90 MPa。

5 结论

(1)设计了一种新型柔性密封圈，密封圈唇口外侧接触面开有锯齿状凸起。

(2)新型柔性密封圈增大了接触面间接触应力，密封圈与平板闸阀阀杆、阀盖间的最大接触应力为9.90 MPa，比常规Y形密封圈最大接触应力提高了4.5倍。

(3)对新型柔性密封圈结构参数进行优化，结果表明，密封面间最大接触应力随唇边锯齿数量、唇边夹角度数的增大而增大，随唇谷夹角度数的增大而减小；新型柔性密封圈在唇边锯齿数量n=3，唇边夹角度数α=20°，唇谷夹角度数γ=30°时，密封圈与阀杆、阀盖壁面间接触应力最大，最大接触应力为36.90 MPa，比优化前提高了3.7倍，比常规Y形密封圈提高了15倍，提高了密封圈的密封性能。