连续管旋转接头密封性能及其影响因素分析

2022-08-03朱再思吴大飞古文宇

石油矿场机械 2022年4期

朱再思，邓琳, 郝军, 吴大飞，古文宇，马青

(1.中石油江汉机械研究所有限公司，湖北荆州 434000，2.长江大学机械工程学院，湖北荆州 434023 )

连续管旋转接头是连续管工程装备实现高压作业的关键部件之一，其结构主要包括进浆管、出浆管、中心管、壳体、轴承和高压密封组件等，如图1所示。工作时，出浆管和壳体与连续管滚筒连接，随滚筒旋转。进浆管与外部管汇连接，高压工作液通过进浆管、中心管、壳体和出浆管进入滚筒中心管。旋转接头的工作性能取决于密封组件的高压密封性能。该密封组件采用V型橡胶圈组合密封结构，实现壳体和中心管之间的动静密封，由多个V型橡胶圈、支承环、压环组成。工作时，高压液体作用于支承环，支承环挤压V型橡胶圈，使之压缩变形，填塞中心管和壳体之间缝隙，以达到密封效果。由此可见，V型橡胶圈密封性能和失效受到橡胶圈材料、结构、数量、压缩量、介质压力等多因素的影响[1]。V型橡胶圈密封结构被广泛应用于往复泵类等工业领域，被国内众多学者关注并持续研究。

图1 连续管旋转接头结构示意

谭蔚等[1]利用ANSYS对高压柱塞泵V型密封圈进行分析，并对模拟结果进行了试验验证，研究了密封圈内、外径过盈量、唇口角度对密封面接触压力和密封圈内应力分布的影响。秦瑶等[2-3]基于理论、有限元和试验等方法研究填料密封性能，重点分析了V型密封圈内外径过盈量对密封性能的影响。研究中将V型填料假设为1个整体，建立二维有限元模型，由于模型与实际组合结构中的V型橡胶圈存在较大差别，计算结果的精确性受到影响。仝文科等[4]从理论上揭示填料密封及其泄漏机理，构建了相关的泄漏模型，提出了有关填料密封的一些新认识，对填料密封的应用提出了指导性观点。朱维兵[5]采用有限元法对柱塞泵密封圈进行了分析，获得了橡胶密封圈与柱塞之间接触应力的分布规律以及接触应力与工作介质压力的关系。刘清[6]等分别以橡胶材料和聚四氟乙烯石墨材料为例，研究柱形与锥形填料的径向力，结果表明锥形填料的径向力分布比柱形填料的径向力分布更加均匀，有利于减小密封压盖附近填料和轴的磨损。众多研究表明有限元方法应用于密封结构的研究具有可靠性，且成为了主流的研究方法。

本文基于有限元方法对连续管旋转接头的高压密封性能进行数值研究，重点分析V型橡胶圈材料及其组合方式、密封副摩擦因数等因素与密封性能之间的相互关系。研究结果可应用于连续管旋转接头的密封设计，并进行试验验证。

1 有限元模型

采用有限元分析软件建立支承环、V型橡胶圈、压环、中心管、壳体的几何模型。

1.1 材料属性选取

支承环、压环、中心管以及壳体采用结构钢，弹性模量为200 GPa；泊松比为0.3。

V型橡胶圈分别采用聚氨酯、丁腈橡胶相互间隔，即V1为聚氨酯；V2为丁腈橡胶；V3为聚氨酯；V4为丁腈橡胶；V5为聚氨酯，结构如图2所示。

图2 V型橡胶圈结构

橡胶的本构关系选用Mooney-Rivlin[7-11]模型：

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

式中：W为应变能密度，I1和I2分别为第1和第2Green应变不变量；C01和C10为力学性能常数。

该模型能很好地描述变形小于150%的橡胶材料力学性能，能满足橡胶材料实际应用的性能计算需求。本文主要讨论硬度分别为80、85、90、95 HA聚氨酯、丁腈橡胶的V型橡胶圈，其Mooney-Rivlin模型参数如表1～2所示。

表1 聚氨酯的Mooney-Rivlin模型参数[8-10]

表2 丁腈橡胶的Mooney-Rivlin模型参数[11]

1.2 网格划分

考虑到密封结构的对称性，可将密封结构简化为二维平面有限元模型。为更好地对V型橡胶圈进行网格划分，根据几何结构，将V型橡胶圈划分为四边形CAX4RH单元与三角形CAX3H单元；支承环、压环采用CAX3单元进行网格划分；壳体和中心管采用CAX4R单元进行网格划分，如图3所示。

图3 V型圈结构网格划分

1.3 边界条件与载荷

根据密封结构的实际工作原理，将壳体、中心管、支承环完全固定；压环只能沿轴向方向运动；连续管旋转接头工作介质压力均匀施加在压环的底面；V型橡胶圈密封模型中各接触之间的摩擦因数如表3所示。

表3 模型接触对间的摩擦因数[2，12]

2 网格无关性验证及研究路径

2.1 网格无关性验证

为了确定比较合适的网格尺寸，对V型橡胶圈的网格尺寸进行了分析，参数设置如表4所示，计算结果如图4所示。从图4可知，网格数量到达5万个，即当V型橡胶圈网格尺寸小于0.12 mm时，V型橡胶圈的接触应力随着网格数量的增加而几乎不变。本模型中网格的单元尺寸取0.12 mm。

表4 参数设置

图4 网格无关性验证

2.2 分析路径选取

为了更方便了解V型橡胶圈是否满足密封要求，将满足V型橡胶圈密封要求的区域进行显示，不满足密封要求的区域用白色进行填充显示，依次选取密封结构中的多个V型橡胶圈的内表面为研究路径S1，以此提取各V型橡胶圈内壁面接触应力，且该路径的方向与V型橡胶圈受压方向一致，如图5所示。

图5 V型橡胶圈路径选取

3 影响V型橡胶圈密封性能主控因素分析

3.1 介质压力对V型橡胶圈密封性能的影响

分别对压环施加35、50、70、90、105 MPa的介质压力，其他参数设置如表4所示，其分析结果如图6所示。V型橡胶圈的接触应力与介质压力成正比，压力越大，胶圈的密封能力越强；沿着介质压力的加载方向，V1～V5橡胶圈的触应力依次递减，但接触压力梯度不大。最大接触压力大于相应介质压力，满足密封条件。

图6 介质压力对V型橡胶圈接触应力的影响

3.2 介质压力对V型橡胶圈压缩量的影响

在0.1～120.0 MPa内分别对压环施加若干压力，计算V型圈的最大接触应力和轴向压缩量，结果如图7所示。V型橡胶圈的内壁接触应力随介质压力增大而增大，基本呈线性递增关系，且最大接触应力均大于相应的介质压力，能够满足密封需求。在0.1～10.0 MPa压力内，V型橡胶圈轴向压缩量随着介质压力的增大而迅速增加，介质压力大于10 MPa时，V型橡胶圈压缩量为0.9 mm，但是介质压力继续增加，V型橡胶圈的压缩量增加缓慢。结果表明，V型密封圈的最大接触应力和压缩量随介质压力增加的变化规律证明了V型圈的设计能够建立起稳定可靠的密封。

图7 V型圈轴向压缩量随轴向载荷的变化

3.3 摩擦因数对V型橡胶圈密封性能的影响

连续管旋转接头的多个V型橡胶圈组合受轴向压紧力作用形成接触密封，将产生摩擦磨损问题[13]。设定V型橡胶圈与中心管的摩擦因数取值为0.05～0.30，分析V型橡胶圈内壁面最大接触应力与摩擦因数的关系。摩擦因数对V型橡胶圈内壁面接触应力的影响如图8所示，可以看出，中心管与V型橡胶圈摩擦系数越大，V1密封圈中靠近压环的前半部分最大接触应力越大。当摩擦因数为0.25时，V1密封圈的内壁面最大接触应力值最大为117.267 MPa，说明摩擦因数增加可以提高V型橡胶圈的密封能力，但同时也增加了V型橡胶圈与中心管的摩擦力。值得关注的是，摩擦因数越小，其他V型橡胶圈的最大接触应力越大，除V5密封圈以外，其他V型橡胶圈的内壁面最大接触应力均大于105 MPa，满足密封要求，且V1密封圈内壁面的最大接触应力明显减小，当摩擦因数为0.05时，V1密封圈内壁面的最大接触应力为108.8 MPa。结果表明，V型橡胶圈的摩擦因数对密封性能有明显影响，摩擦因数越小，各V型橡胶圈的接触应力差越小，与中心管的摩擦磨损越小，工作寿命越长。

图8 摩擦因数对V型橡胶圈内壁面接触应力的影响

3.4 V型橡胶圈材料对密封性能的影响

连续管旋转接头内的V型橡胶圈分别采用聚氨酯与丁腈橡胶两种材料。为了更好地了解材料对密封性能的影响，建立了4组计算方案，如表5所示，计算参数设置如表4所示。

表5 不同材料类型的V型橡胶圈组合方案

取路径S1，研究4组不同材料组合的V型橡胶圈内壁面接触应力分布，如图9所示。结果表明4种V型橡胶圈材料组合的密封性能基本相同，说明聚氨酯和丁腈橡胶两种材料的V型橡胶圈在硬度相同时对密封性能无明显影响。

图9 材料组合对V型橡胶圈内壁面接触应力的影响

为了更充分地研究V型橡胶圈材料对密封性能的影响，设置不同材料和不同硬度的组合，如表6所示。

表6 不同材料硬度的V型橡胶圈组合方案

研究4组不同硬度组合的V型橡胶圈内壁面接触应力分布，如图10所示。结果表明：材料硬度越大，V型橡胶圈内壁面最大接触应力越大；聚氨酯和丁腈橡胶硬度差越大，V1密封圈前端的最大接触应力越大，但是其他V型橡胶圈的接触应力相对较小；聚氨酯和丁腈橡胶硬度相同时，V1的最大接触应力较小，且各V型橡胶圈的接触应力分布相对均匀。