加热电缆填料密封结构及其有限元分析

摘要：为实现井口高压力防喷目的，提出了一种适用于加热电缆防喷器的填料密封结构。该填料密封结构中填料环通过压阀压缩实现预安装，起到对腔内流体密封的目的。通过建立填料密封结构理论模型，分析了填料环在压缩变形阶段和流体渗透阶段的力学行为，利用有限元软件建立了填料密封结构的二维轴对称模型，分析填料环在不同压缩载荷和流体压力下的填料环变化规律。结果表明：不同压缩载荷下填料环最大应力应变随压缩载荷的增大而增大，当载荷超过15 MPa时，应变区域开始向下转移；密封面上的接触应力沿着轴向位置基本呈现递减趋势，且随着压缩载荷的增大而增大；随流体渗透载荷的增加，流体逐渐从密封面向上渗透，接触长度不断减小。

关键词：加热电缆；填料密封；有限元分析；流体压力渗透

中图分类号：TE921.5" " " " 文献标志码：A" " " "doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.05.007

Packing Sealing Structure of Heating Cable and"Its Finite Element Analysis

CHEN Xiaochun1，LIU Qiwei1，LUO Zhiwei1，YANG Zaigang1，ZHANG Guangming2，3，MA Bo2，3

（1.Sinopec Xinjiang Xinchun Petroleum Development Co.，Ltd.， Dongying 257000，China；2. Hubei Key"Laboratory of Oil and Gas Drilling and Production Engineering（Yangtze University），Wuhan 430100，China；3.School of Petroleum Engineering，Yangtze University：National Engineering Research Center for"Oil amp; Gas Drilling and Completion Technology，Wuhan 430100，China）

Abstract：" A packing sealing structure suitable for heating cable blowout preventers has been proposed as a means of achieving the purpose of high-pressure blowout prevention at the wellhead. The packing ring， which forms part of the packing sealing structure， is pre-installed by compressing the pressure valve. This achieves the purpose of sealing the fluid inside the cavity. Firstly， a theoretical model of the packing seal structure was constructed， and the mechanical behaviour of the packing ring during the compression deformation stage and fluid infiltration stage was analysed. Subsequently， a two-dimensional axisymmetric model of the packing seal structure was constructed using finite element software. Finally， an analysis was conducted to determine the variation law of the packing ring under different compression loads and fluid pressures. The findings indicate that the maximum stress-strain of the packing ring increases with the rise in compression load under varying compression loads. When the load exceeds 15 MPa， the strain region begins to shift downwards. The contact stress on the sealing surface demonstrates a decreasing trend along the axial position， increasing with the increase of compressive load. As the fluid permeation load rises， the fluid gradually penetrates upwards from the sealing surface， and the contact length continuously decreases.

Key words： heating cable; packing sealing; finite element analysis; fluid pressure permeation

防喷器是一种重要的井控设备，主要用于钻井、修井及试油等作业中关闭井口，以防止井喷事故发生。现阶段，在开采含蜡量过多或凝固点较高的自喷井时，由于井筒内的流体在靠近井口地表的过程中不断损失热量，会产生蜡晶并附着于井筒，导致开采量下降，严重时会造成堵塞。目前，降低结蜡技术是常用的手段，油田常用的带金属护套三相星型加热电缆升高井流温度，减少油中蜡质析出，但国内对能够配套加热电缆使用的小口径高压力防喷器的设计技术较国外产品来说存在一定的落后。高压防喷器中密封结构的的密封性能直接影响到防喷器的安全性，而实现高压井口防喷的主要结构是该防喷器密封盒主体上端的填料密封结构。

目前，国内外对于密封结构的有限元分析主要集中于O形密封圈［1-5］和Y形密封圈［6-10］，对填料密封结构的有限元分析较少。邱金水等人［11］对穿舱电缆密封结构中填料进行了受力分析，通过建立有限元分析模型仿真了填料压紧后的力学行为，并与理论结果进行了对比分析。刘伯运［12］等人建立了穿舱电缆填料函密封结构的二维轴对称有限元模型，分析了接触面过盈量、摩擦因数及压紧螺母轴向位移对填料密封性能的影响。刘鹏等人［13］开发了一种自适应回弹填料密封结构，通过有限元分析得出在填料中增加开口环，可以增加径向力，降低了预紧力。

上述研究未能考虑密封流体对填料密封结构性能的影响。因此，本文首先通过有限元分析软件建立了加热电缆填料密封结构的二维有限元模型，分析了填料环受压缩变形后的应力和应变云图，在此基础上，通过流体压力渗透模拟分析了密封流体渗透到接触面对密封性能的影响。

1 计算分析模型

1.1 填料密封结构组成

该防喷装置本体上端的填料密封结构主要由加热电缆、压阀、填料环、填料座和锁紧螺母等组成，如图1所示。密封填料环由7个矩形填料组成，该填料环作为密封主要部件安装在填料座和电缆所构成的空腔内。在实际使用时，通过旋紧锁紧螺母对压阀施加压力，使得填料环被轴向压缩从而产生径向膨胀，在填料环与电缆外表面、填料座内壁的接触面上产生接触应力，从而起到密封作用。

1.2 压缩变形阶段

压缩变形阶段为填料环从最初状态到受到压阀压缩产生变形形成密封面的过程。当密封面的接触应力大于密封流体压力时，可以起到密封作用。为分析计算压应力的分布，在离压阀下端面x处取微元，该微元厚度为dx，微元受到轴向应力？滓x和？滓x+d？滓x，径向应力？滓r和摩擦力f1与f2的作用。所以，微元体的轴向平衡方程式为

（1）

（2）

式中：x为轴向应力，MPa；？滓r为径向应力，MPa；f1为填料座内壁对填料微元体的摩擦力，N；f2为电缆表面对填料微元体的摩擦力，N；r和R分别为内、外半径，mm；μ1为填料与填料座间的摩擦因数；μ2为填料与电缆间的摩擦因数；k为侧压因数；p为流体压力，MPa；l为填料长度，mm。

将式（2）代入式（1）中得

=-2kdx（3）

为保证密封。要求x=l处，？滓r≥p。取？滓r|x=l=p，并对式（3）两边积分得

（4）

由式（4）可知，？滓x在［0，l］是指数的减函数。在x=0处，？滓x为最大值，此为压阀预紧所需的压缩载荷。压阀所需压缩载荷与流体压力成正比，并且当填料环厚度、填料环侧压因数越小，而摩擦因数、填料环长度越大时，所需的压缩载荷也就越大。

由式（2）和式（4）可得径向应力：

（5）

1.3 流体压力渗透阶段

填料环受到压缩变形后，固定压阀。填料下方的环空与防喷器出口相连，属于高压侧，高压侧流体会试图渗透到密封接触面上，当下环的高压流体压力大于密封面上的接触应力时，接触节点将被打开，流体将继续往前渗透，直到某个节点，此节点接触应力大于密封流体压力［14］，流体压力渗透将被阻断，此为密封流体渗透阶段。

将电缆与填料环间形成的密封面定义为主密封面，填料座和填料环间形成的密封面定义为副密封面。本文主要考虑密封流体通过主、副密封面上的缝隙而引起的密封失效。在密封面上，能有效阻止流体泄漏的参数是密封面上的接触应力。因此要保证密封接触面上的最大接触应力大于密封流体压力，即：

Cmax≥p（6）

式中：Cmax为密封面上的最大接触应力，MPa。

2 有限元分析模型

加热电缆填料密封性能主要取决于密封面的密封性能，在工作状态下，密封面上的最大接触应力如果小于流体的压力，就会发生泄露，防喷器密封从而失效。密封填料的力学性能是影响其密封性能的决定性因素，因此，本文通过有限元模拟密封填料在压缩变形和密封流体渗透阶段下的应力应变来分析其密封性能。

2.1 模型建立

由于加热电缆填料密封结构具有对称性，可建立二维可变形轴对称有限元模型，如图2所示。橡胶填料选用氢化丁晴，划分网格为CAX4RH单元类型，压阀、上填料座和电缆设置为刚体，均选用CAX4R网格单元类型。

2.2 材料参数设置

填料密封结构各部件材料参数如表1所示。其中，密封填料选用氢化丁晴橡胶（HNBR），是一种高性能特种橡胶，具有耐高温性和耐腐蚀性。橡胶是一种大变形、不可压缩、非线性超弹性材料，其力学性能不能像其他材料一样可以由几个简单的参数表征出来。本文采用ABAQUS材料库中的Yeoh 3模型，它是表征超弹性材料的一种模型，利用该模型可以描述填料环在大变形下的力学性能。其本构模型参数［15］为：C10=1.64，C20=-1.44，C30=1.25。

2.3 分析步和边界条件设置

1） 有限元模型由两个分析步组成：填料压缩变形阶段和流体压力渗透阶段。

2） 填料座与电缆上下端面施加固定约束。

3） 在第一个分析步中压阀施加轴向压缩载荷，并约束其余方向的自由度，从而实现填料压缩完成装配；在第二个分析步中，在填料环下端面上施加流体压力载荷和临界接触压力载荷。

4） 在各接触面之间定义接触行为，并赋予接触属性，法向行为定义为“硬”接触，切向行为定义为摩擦接触。设置压阀与电缆之间的摩擦因数为0.1，电缆与填料环、填料座与填料环、压阀与填料环之间的摩擦因数为0.15，填料环之间的摩擦因数为0.3。

3 模拟结果分析

3.1 压缩变形阶段填料环应力应变分布

为研究密封结构中橡胶填料的承压性能，向压阀分别施加5、10、15、20 MPa压缩载荷，通过后处理得出不同压缩载荷下填料环的应力应变如图3所示。

从图3中可以看出，在压缩载荷下，填料环应力集中于最上端的密封面上，且主密封面上的应力值小于副密封面上的应力值。随着施加在压阀上的压缩载荷的均匀增大，填料环最大应力值增大，且应力增大得更多。发生大应变的区域同样在填料环上端的密封面上，随着压缩载荷的增大，填料环应变值逐渐增大，并且主密封面上的应变小于副密封面上的应变。但当载荷超过15 MPa时，应力继续增大而应变不再增加，发生大应变的区域开始向填料环下端转移，且最大应变值达到0.3 mm。实际工作中，填料环上端易发生破环而导致密封失效，应及时检查更换填料。

3.2 压缩变形阶段密封面接触应力分布

如图4所示为20 MPa压缩载荷下填料环的接触应力云图。通过后处理创建路径的方法，可以提取出4、10、15、20、25 MPa压缩载荷下，填料环主密封面上的接触应力随轴向位置的变化图（如图5），图中坐标原点对应的是填料环的上方。由图4～5可以看出，压缩载荷为20 MPa时，填料环上最大接触应力出现在压阀与填料环上端面相接触的肩部位置，达到了55.95 MPa，但主密封面上的最大接触应力为31.7 MPa。填料环密封面上的接触应力沿着轴向位置基本呈现递减趋势，且随着施加的压缩载荷均匀增大，密封面上的接触应力也逐渐增大。但当压缩载荷超过20 MPa时，由于填料环上端与压阀间存在摩擦，填料环受到切向约束使接触应力变化并不均匀。从上述分析可得知，增大对压阀的压缩载荷可有效增大密封面上的接触应力，对填料密封起着重要作用。但压缩载荷不应过大，否则会加速料环的磨损，导致密封性变差。

3.3 流体渗透阶段的填料密封性能

为研究电缆填料密封结构的密封性能，压阀施加的压缩载荷固定为20 MPa，向填料下方环空区域施加10、15、20、25 MPa流体压力渗透载荷，分析在不同流体压力下填料环接触应力的变化规律，后处理得到填料环接触应力云图如图6所示。

将图6与流体渗透前填料环的接触应力（如图4）比较得出，随着流体压力渗透载荷的增加，密封流体逐渐从密封面向上渗透，主、副密封面上的接触长度不断减小，表明密封的流体压力越大，填料密封性能越差。被流体渗透后，密封面上的接触压力急剧减小。4 结论

1） 本文提出了一种适用于加热电缆防喷器的填料密封结构，并建立了填料环在压缩变形阶段和流体渗透阶段的理论模型和有限元模型。

2） 在不同压缩载荷下，填料环最大应力应变发生在密封面上部区域，且都随着压缩载荷的增大而增大，但当载荷超过15 MPa时，应力继续增大而应变不再增加，应变区域开始向下转移。

3） 在压缩变形阶段，填料环密封面上的接触应力沿着轴向位置基本呈现递减趋势，且随着施加的压缩载荷均匀增大，密封面上的接触应力也逐渐增大。增大压阀的压缩载荷可有效增大密封面上的接触应力，填料的密封性能更好。

4） 在流体渗透阶段，一定的压缩载荷下，随着流体压力渗透载荷的增加，密封流体逐渐从密封面向上渗透，主、副密封面上的接触长度不断减小，可见密封流体压力的大小对填料密封性能的影响较大。

参考文献：

［1］ 郭金柱，瞿金秀，史小伟，等. 橡胶O形圈密封结构老化状态的模态分析［J］. 机床与液压，2022，50（15）：146-150.

［2］ 莫丽，王军，管西旗. 石油机械中O形密封圈的动密封特性分析［J］.石油机械，2014，42（1）：103-107.

［3］ 赵静一，罗元奎，郭锐，等. 不同沟槽棱圆角半径对带挡环的O形圈密封的影响［J］. 润滑与密封，2022，47（2）：8-14.

［4］ 陈铭亮，梁晟林，戴庆文，等.低压工况O型圈动/静密封特性数值模拟与实验研究［J/OL］.润滑与密封：1-12.［2024-08-15］.Http：//kns.cnki.net/kcms/detail/44.1260.th.20240510.1919.006.html.

［5］ 陈晨，钱国庆，许兴彦，等.基于ABAQUS的流体压力渗透O形圈密封性能仿真研究［J］. 液压气动与密封，2021，41（2）：86-90.

［6］ 王琦，张付英，姜向敏. 基于ANSYS的Y形橡胶密封圈密封性能研究［J］. 液压与气动，2017（6）：55-59.

［7］ 迪力夏提艾海提，索双富，黄乐.Y形密封圈可靠性和灵敏度的有限元分析［J］. 润滑与密封，2015，40（5）：5-10+15.［8］ 雷雨念，陈奎生，湛从昌.基于伺服液压缸往复运动的Y形密封圈结构参数优化［J］.冶金设备，2020（04）：1-5+33.

［9］ 汝绍锋，刘廷娇.O型和Y型密封圈预压缩密封性能分析［J］.中国工程机械学报，2019，17（5）：466-470.

［10］ 李腾，张付英，邓康丰. 基于ANSYS的Y形橡胶密封圈静态密封性能研究［J］. 润滑与密封，2013，38（11）：64-67+77.

［11］ 邱金水，陈如木，刘伯运，等. 穿舱电缆密封结构力学特性研究［J］. 海军工程大学学报，2017，29（3）：70-75.

［12］ 刘伯运，陈如木，邱金水，等. 穿舱电缆填料函密封结构有限元分析［J］.润滑与密封，2017，42（6）：92-95+140.

［13］ 刘鹏，曾涛，谢君科，等. 自适应回弹填料密封结构设计及有限元分析［J］.流体机械，2015，43（2）：29-31+65.

［14］ 吴长贵，索双富，李雪梨. 基于ABAQUS的往复密封仿真分析［C］//第11届中国CAE工程分析技术年会会议论文集. 2015：59-63+74.

［15］ Zuo Rundong，Wang Guorong，Hu Gang，et al. Theoretical research on sealing performance of packing element used in the dual gradient packer considering stress relaxation effect. J Braz. Soc. Mech. Sci. Eng，2022，44（237）： 3-13.

基金项目： 中石化胜利油田科技项目（YKC2202）；新疆自治区“天山英才-优秀工程师”培养计划项目（2022TSYCGC0002）。

作者简介： 陈晓春（1980-），男，高级工程师，主要从事于采油工程方面的研究工作，E-mail：chenxiaochun.slyt@sinoepc.com。

通讯作者： 刘启伟（1984-），男，高级工程师，主要从事于采油工程方面的研究工作，E-mail： liuqiwei.slyt@sinopec.com。