摘要：有桿抽油系統(tǒng)的井口盤根密封性能與密封面的接觸壓力分布和大小密切相關(guān)，研究其規(guī)律至關(guān)重要。通過系統(tǒng)接觸有限元分析方法，用ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言編寫了盤根密封有限元分析的命令流程序, 研究了不同參數(shù)值下的密封壓力分布。結(jié)果表明, 密封面上的壓力分布呈駝峰形式,盤根變形存在“向心”效應等,與試驗結(jié)果一致;盤根與光桿的間隙增加會導致密封效果降低;盤根的軸向尺寸增加將導致密封效果先降低然后增加,因此必須優(yōu)選該尺寸;盤根徑向尺寸的增加會導致密封效果下降, 應合理選擇。

　　關(guān)鍵詞: 盤根;密封;有限元;抽油桿;機理

　　我國大部分油田已進入機械采油期, 采用的主要設(shè)備為有桿抽油設(shè)備, 井口密封器是必不可少的裝備。在有桿抽油系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)之一就是井口的盤根密封裝置,其總體性能的好壞直接影響地面設(shè)備的工作質(zhì)量。

　　現(xiàn)有的盤根密封裝置主要存在偏磨、光桿表面粗糙度太差、盤根材料的材質(zhì)及幾何形狀不能滿足現(xiàn)場復雜的惡劣工況、 密封盤根盒結(jié)構(gòu)不合理等問題。

　　根據(jù)抽油桿密封盒的結(jié)構(gòu)形式,其類型可分為普通型、雙密封型、矯健型、偏心法蘭型等，但總體結(jié)構(gòu)類似。根據(jù)材料特性，可分為天然纖維類盤根、礦物纖維類盤根、合成纖維類盤根、陶瓷和金屬纖維類盤根，它們都屬于彈性類材料。

　　盤根密封系統(tǒng)的密封條件是密封面的接觸壓力大于流體的壓力,因此密封面的接觸壓力對密封效果有顯著影響。

　　1、盤根結(jié)構(gòu)形式及工作原理

　　盤根( packing)是指軟填料密封, 它是一種填塞環(huán)縫的壓緊式密封裝置。圖1 為一種典型結(jié)構(gòu)的盤根密封結(jié)構(gòu)。

　　盤根裝在盤根盒內(nèi),壓蓋通過壓蓋螺栓軸向預緊力的作用使盤根產(chǎn)生軸向壓縮變形, 同時引起盤根產(chǎn)生徑向膨脹的趨勢,而盤根的膨脹又受到盤根盒內(nèi)壁與軸表面的約束作用, 使其與兩表面之間產(chǎn)生緊貼,間隙被填塞而達到密封。

1—壓蓋螺栓；2-壓蓋；3-盤根盒；4-封液入口；5-封液環(huán)；6-盤根；7-底襯套；A-盤根滲漏；B-靠盒壁側(cè)泄漏；C-靠軸側(cè)泄漏
圖一 盤根密封結(jié)構(gòu)

　　盤根系統(tǒng)主要由盤根盒、 盤根、 壓蓋和光桿4 部分組成。假設(shè)橡膠不可壓縮, 如圖1 所示系統(tǒng)中的盤根就可以簡化為1 個矩形盤根。其中密封件為橡膠材料,選取密封中最常用的聚四氟乙烯材料,盤根盒、壓蓋、光桿都為金屬材料, 其結(jié)構(gòu)與光桿軸對稱,所以在用ANSYS 對其進行有限元分析時, 只需取對稱結(jié)構(gòu)進行分析, 簡化后的盤根系統(tǒng)模型如圖2。

圖2 盤根系統(tǒng)模型

　　2、接觸有限元基本理論

　　盤根密封系統(tǒng)是一個非線性平面接觸問題, 可以用1個接觸副來描述, 即盤根和盤根盒、壓蓋、光桿之間的接觸。根據(jù)彈性力學理論,其數(shù)學方程描述如下。

　　2. 1 平衡方程

　　A(▽) σ+ b= 0 (在Ω域內(nèi)) ( 1)

　　式中, Ω為盤根密封系統(tǒng)的面域空間, Ω=ΩI+ΩII, Ω為盤根的面域空間, ΩII為盤根盒、壓蓋和光桿的面域空間; σ為盤根系統(tǒng)的應力向量; b為盤根系統(tǒng)的面力向量; A(▽)為微分算子矩陣,有

　　2. 2 幾何方程

　　式中, ε為盤根系統(tǒng)的應變向量; u 為盤根密封系統(tǒng)的位移向量;L(▽)為微分算子矩陣,有

　　2. 3 物理方程

　　式中,D為彈性矩陣。

　　2. 4 邊界條件

　　a) 位移邊界條件,設(shè)盤根盒和光桿固定,則u= ū= 0 ( 6)

　　b) 應力邊界條件，設(shè)施加在壓蓋的面力為p, 則n·σ= p ( 在Lp線域上)(7)

　　式中, n 為Lp 線的法向向量; p 為施加在Lp 線的面力向量。

　　c) 接觸邊界條件，首先定義盤根系統(tǒng)的接觸位移,則

　　εe=【εf εn】T( 8)

　　式中, εe為接觸位移矢量;εf為接觸單元在切線方向的相對滑動量;εn 為接觸單元在法線方向上的相對位移。

　　3、接觸有限元分析

　　3. 1 基本步驟

　　對建立的模型進行網(wǎng)格劃分, 選擇超彈性單元HYPER84,它可以用來求解橡膠類的問題,密封件常選用這種單元。盤根盒、 壓蓋和光桿都是金屬材料,選用 PLAST IC42 單元。盤根模型采取自由網(wǎng)格劃分,因為密封件選用的是超彈性單元, 所以使用二常數(shù)的Mooney -Rivlin 方程定義材料的本構(gòu)關(guān)系,通過試驗確定方程中的2個常數(shù)。模型建好后加上與實際工況基本相同的邊界條件, 即假設(shè)盤根盒和光桿都是固定的, 壓蓋只有水平方向上的移動。建立盤根與其周邊零件的接觸副, 假設(shè)盤根密封系統(tǒng)所施加的軸向壓力為 8 MPa,求解時打開大變形選項。在盤根與光桿接觸的密封面上, 其壓力分布規(guī)律如圖3 所示。

　　圖 3 密封面上接觸壓力分布曲線

　　3. 2 壓力分布規(guī)律

　　分別施加4、8、12、16 MPa軸向壓力,得到密封面上各節(jié)點的接觸應力值，如圖4。

　　圖 4 密封面接觸壓力隨軸向壓力的變化曲線

　　由圖3~ 4 可以看出，壓力分布不均勻, 呈駝峰形式，在不同的軸向壓力下,密封面壓力分布曲線是相似的。通過有限元計算, 證明盤根密封過程中有向心效應(如圖 3 所示，由于密封面兩端的壓力較小,盤根的兩端被擠出, 即離開光桿表面而翹起, 也就是所謂的向心效應, 出現(xiàn)向心效應使得磨礪性顆粒有可能進入摩擦界面, 從而加劇盤根與光桿的磨損);最大壓力的位置基本不變，總是在靠近施壓一側(cè);在保證密封面有足夠的密封壓力的同時,避免盤根在軸向與壓蓋和盤根盒接觸的尖角處出現(xiàn)過大的應力集中而造成盤根材料的撕裂失效;大多數(shù)盤根失效的部位與本文分析得到的最大壓力處基本吻合。

　　4、幾何參數(shù)對密封效果的影響

　　盤根密封系統(tǒng)的幾何參數(shù)對盤根密封系統(tǒng)的密封效果非常重要。該系統(tǒng)除盤根右側(cè)施加的載荷(如圖2)對盤根下表面的接觸壓力有影響外, 盤根的倒角半徑、盤根與光桿的間隙、盤根的長度和寬度等幾何參數(shù)也有重要影響。

　　4. 1 倒角

　　由于盤根盒、壓蓋與盤根接觸的部位有應力集中,因此盤根盒和壓蓋在靠近光桿的一邊與盤根接觸處需要倒角, 以便減少應力集中。改變倒角尺寸可以得到倒角大小與最大接觸面壓力的關(guān)系曲線,如圖5。

最大接觸壓力隨倒角變化的曲線

　　由圖5 可以看出, 倒角越大,密封面上的最大接觸壓力值也越大，密封效果越好，向心效應越明顯，而且隨倒角半徑的增加，接觸壓力增加比較緩慢，最大與最小的壓力值變化不超過5%;倒角增加會導致其與盤根接觸處的應力集中加劇，因此倒角半徑應在保證不超過盤根材料強度的條件下取1 個合適的值。

　　4.2 盤根的密封間隙

　　密封間隙也是密封的重要參數(shù)，它的大小直接影響到密封的效果, 通過有限元分析計算,得到密封間隙與密封面上的最大壓力之間的關(guān)系曲線如圖6 所示。

　　由圖6 可以看出, 隨著密封間隙的減小,密封面的接觸壓力變大,密封效果越好。但是如果密封間隙太小容易導致光桿和盤根盒接觸, 產(chǎn)生摩擦和磨損,而且由于光桿和井口安裝誤差的原因,密封間隙不可能做得太小, 否則,極易導致光桿偏磨。

接觸壓力隨密封間隙變化

　　4.3盤根尺寸對密封性能的影響

　　盤根尺寸是影響密封性能的重要指標之一。設(shè)盤根的軸向長度為a，徑向尺寸厚度為b。只改變a的值，得到如圖7 所示的曲線。

接觸壓力隨盤根長度變化曲線

　　由圖7可以看出，盤根長度< 115 mm 時，密封面接觸壓力隨盤根長度的增大而減小，但很緩慢;在115~ 118 mm 之間時，密封壓力下降速度加劇。在118~ 125 mm 之間時,密封壓力又迅速上升;> 125mm 后變化又趨于平緩。因此盤根長度可以在<115 mm 或> 125 mm 范圍內(nèi)選擇一個合適的長度。但是考慮磨損后的補償, 最好選擇為125 mm 為宜。

接觸壓力隨盤根徑向厚度變化

　　保持盤根長度不變，改變盤根的徑向厚度，得到其與最大壓力之間的關(guān)系曲線，如圖8 所示。

　　由圖8可以看出，隨著盤根厚度的減小，密封面的接觸壓力變大，密封效果越好。但是，盤根也不能太薄，因為徑向磨損補給量不足會導致早期密封失效。

　　5、結(jié)論

　　通過對盤根系統(tǒng)的有限元分析研究表明,盤根與光桿的接觸壓力的分布呈駝峰形式, 盤根在密封過程中存在向心效應, 而且密封面最大接觸壓力的位置幾乎不變。

　　1) 倒角直徑對密封效果影響不大, 主要考慮倒角與盤根接觸處的應力集中對盤根材料強度影響,選取倒角值。

　　2) 密封間隙的減小會增加盤根的密封性能但不能保證光桿與盤根盒不會出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象。

　　3) 盤根軸向長度在本文分析的條件下,選擇125 mm 為宜。

　　4) 減小盤根徑向厚度,密封效果越好,但是必須保證盤根的徑向磨損補給量。

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