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1、金屬O型圈高溫密封性能研究 金屬O型圈高溫密封性能研究 2016/02/14 《潤滑與密封雜志》2015年第十二期 摘要: 為研究海上稠油熱采工具密封用金屬O型圈的高溫密封性能，建立金屬O型圈密封軸對稱有限元分析模型，計算其高溫條件下接觸壓力與剪切應力變化規(guī)律，分析金屬O型圈高溫密封影響因素，并利用試驗驗證理論研究結果。研究表明，溫度變化顯著影響金屬O型圈的強度和密封性能，金屬密封圈最大接觸應力和剪切應力隨工作壓力的增加呈非線性增大，密封圈密封性提高，強度下降

2、;初始壓縮率在12%～16%范圍內時，金屬O型圈的高溫密封性能最好，能滿足350℃下稠油熱采工具密封要求。理論研究結果通過試驗得到有效驗證。 關鍵詞: 稠油熱采;井下工具;金屬密封圈;高溫密封 海上油氣田常規(guī)井下工具一般采用O型橡膠圈密封，該密封結構可選擇丁晴橡膠、聚四氟乙烯和全氟醚等橡膠材料作為基材，實現(xiàn)對油、水、空氣及各種化學介質有效的封堵［1］，但其存在致命的缺陷，即橡膠材料在高溫條件下易迅速老化并失效。海上稠油熱采作業(yè)井下工具耐溫要求達到350℃以上［2］，O型橡膠圈難以滿足要求，由此導致的高溫密封失效對生產(chǎn)作業(yè)的安全性危害極大。目前海上稠油熱采井下工具的自主研發(fā)尚處

3、于起步階段，對涉及的高溫密封結構的深入研究很少。金屬O型圈具有耐高溫、耐腐蝕和氣密性好的優(yōu)點，特別適于高溫、高壓及高真空密封環(huán)境［3］，可作為O型橡膠圈的替代密封結構用于稠油熱采工具開發(fā)。本文作者在分析金屬O型圈密封原理的基礎上，利用有限元軟件建立金屬O型圈接觸密封有限元模型，考慮高溫效應進行密封結構熱力耦合分析，研究金屬O型圈的高溫密封性能與強度是否滿足要求，并通過試驗驗證理論研究成果，相關方法和結論可為金屬O型圈高溫密封結構設計與性能分析提供參考。 1金屬O型圈密封原理分析 金屬O型圈結構主要有3種類型，如圖1所示。其中，a型為非自緊O型圈，用在較低壓力場合，可密封真空介質及有

4、腐蝕性的液體或氣體介質。b型為充氣O型圈，在密閉的O型圈內充惰性氣體，可增加其回彈能力，用于高溫場合。O型圈的充氣方法，一般是在管子焊接之前，將固態(tài)二氧化碳或偶氮二異丁腈放入管內，焊接后再使之汽化成氣體，或者直接充高壓惰性氣體。c型為自緊O型圈，在其內側鉆有若干小孔，由于管內壓力隨介質壓力的增高而增高，O型圈具有自緊性，用于高壓及超高壓場合［4］。金屬O型圈的密封原理是通過接觸面施加預緊力，使其產(chǎn)生適當?shù)膹椥宰冃?，在金屬圈回彈力的作用下形成金屬與金屬接觸密封。工作壓力增大時金屬接觸表面可產(chǎn)生較大接觸應力，導致金屬圈表面發(fā)生微屈服變形添補密封面的高低不平以保證密封效果。 2金屬O型圈密封接

5、觸有限元分析 2.1接觸分析有限元模型建立金屬O型圈材料為1Cr18Ni9Ti，20、350℃時屈服強度分別為200、151MPa，其表面鍍銀材料20、350℃時屈服強度分別為80、60MPa。對金屬O型圈密封接觸進行有限元分析，鑒于其幾何形狀、材料和邊界條件特點，將整體結構簡化為二維軸對稱平面有限元模型，密封結構采用二維四節(jié)點實體單元PLANE182。模型中的接觸對設為面面剛柔接觸，接觸單元選為CONTAT172，目標單元選為TAＲGE169［5－6］，為減小滲透，設置接觸單元CONT-AT172的法向接觸剛度因子為1。由于金屬O型密封圈大多用于靜密封環(huán)境，可將溫度場看作是均勻分布的，

6、在分析應力時，將溫度考慮到結構分析中，實現(xiàn)兩者的耦合［7－8］，金屬O型圈接觸密封有限元模型如圖2所示。將密封結構的鋼件部分作為金屬O型圈的邊界約束，載荷分三步施加:第一步，沿著金屬O型圈的徑向施加適當?shù)奈灰萍s束，其數(shù)值等于金屬O型圈的安裝過盈量;第二步，在未與鋼件接觸的O型圈外表面及內側施加工作壓力;第三步，在結構分析中施加節(jié)點溫度。 2.2金屬O型圈高溫密封分析關于金屬密封圈的失效準則，目前采用的是若接觸面的最大應力小于表面密封材料的屈服強度，則密封失效。金屬O型密封圈在初裝狀態(tài)(t=20℃，p=0)和工作狀態(tài)(t=350℃，p=20MPa)下的等效應力和接觸應力分布如圖3所示。可以

7、看出，初裝狀態(tài)密封圈最大等效應力位于金屬O型圈內側，等效應力最大值為368MPa，大于材料屈服強度，說明金屬材料已發(fā)生塑性變形;初裝狀態(tài)最大接觸應力位于金屬O型圈徑向受擠壓位置，由于沒有施加內部壓力，密封圈未受擠壓側接觸應力很小，接觸應力最大值為121MPa，大于金屬銀的屈服強度，密封性能滿足要求。工作狀態(tài)密封圈最大等效應力位于金屬O型圈內側，等效應力最大值為314MPa，大于材料屈服強度;金屬材料塑性變形量增大，工作狀態(tài)承受工作壓力側的接觸應力顯著增加，接觸應力最大值增大為137MPa，密封性能顯著提高。 3金屬O型圈密封性能影響因素分析 重點考慮金屬密封結構與溫度之間的熱力耦合

8、效應，研究工作壓力、初始壓縮率和溫度等不同參數(shù)變化對金屬O型圈密封性能的影響。 3.1工作壓力對金屬O型圈密封性影響不同工作壓力下(初始壓縮率為12.5%，溫度350℃)密封圈最大應力的變化規(guī)律如圖4所示。可以看出，密封圈最大等效應力為314MPa，最大接觸應力為137MPa，最大剪切應力為147MPa。最大等效應力隨著工作壓力的增加基本保持不變，工作壓力對密封圈等效應力的影響很小。最大接觸應力和最大剪切應力隨工作壓力的增加而增大，密封圈密封性提高，強度下降，由于高溫的影響，其接觸應力和剪切應力變化規(guī)律呈非線性增大。當工作壓力小于4MPa時，密封圈接觸應力小于金屬銀材料的屈服強度，密封圈

9、有可能發(fā)生微漏現(xiàn)象;工作壓力大于4MPa時，密封圈密封性能滿足要求。 3.2初始壓縮率對金屬O型圈密封性影響金屬O型圈裝配過程中，需要足夠的壓縮量以保證接觸密封，不同初始壓縮率下(工作壓力10MPa，溫度350℃)密封圈最大應力變化規(guī)律如圖5所示?？梢钥闯?，密封圈最大等效應力為388MPa，最大接觸應力為105.2MPa，最大剪切應力為147MPa。隨著初始壓縮率的增加，密封圈最大等效應力和最大剪切應力增大，密封圈強度下降;初始壓縮率在12%～16%范圍內時，最大接觸應力有峰值，此時金屬圈密封性最好。當初始壓縮率大于21%時，金屬圈塑性變形明顯增加，回彈力減小，密封性能顯著下降，此時金屬

10、圈無法滿足高溫密封要求。3.3溫度對金屬O型圈密封性能的影響不同溫度下(工作壓力p=0，初始壓縮率12.5%)的最大等效應力、最大接觸應力和最大剪切應力變化規(guī)律如圖6所示?？梢钥闯觯饘貽型密封圈最大等效應力為368MPa，最大接觸應力為121MPa，最大剪切應力為117MPa。隨著溫度增加，最大等效應力、接觸應力和剪切應力變化先顯著下降后保持穩(wěn)定，即密封圈密封性能先下降后變化較小。4金屬O型圈高溫密封試驗自制試驗工裝進行金屬O型圈高溫密封試壓試驗。試驗包括:常溫試壓，方法為在壓力20MPa下測試10min，檢驗金屬O型圈常溫密封性能;高溫試壓，方法為將安裝金屬O型圈的工裝放入高溫加熱箱，加熱

11、到350℃后保溫60min，然后在不同壓力下檢驗金屬O型圈高溫密封性能。試驗后的工裝和金屬O型圈實物照片如圖7所示，可知，試驗后的O型密封圈發(fā)生了塑性變形，與圓柱面接觸的地方出現(xiàn)了微小的平面。試驗過程中，壓縮率為15%的金屬O型圈加熱到350℃后一直試壓到20MPa未發(fā)生泄漏，O型圈密封性能滿足設計要求。而金屬圈壓縮率為22%時，加壓到15MPa后，繼續(xù)加壓壓力不再升高同時高溫箱上部通風口有明顯的濃煙冒出，說明此時發(fā)生明顯泄漏，即金屬O型密封圈最大密封壓力只能達到15MPa。不同壓縮率下金屬O型圈高溫密封試驗數(shù)據(jù)見表1。試驗表明，當金屬O型圈壓縮率過大時將發(fā)生明顯的塑性變形，其密封性能顯著下降

12、，試驗結果有效驗證了理論研究結果。 4結論 (1)由于高溫的影響，金屬密封圈最大接觸應力和剪切應力隨工作壓力的增加呈非線性增大，密封圈密封性提高，強度下降。當工作壓力小于4MPa時，密封圈接觸應力小于金屬銀材料的屈服強度，密封圈可能發(fā)生微漏現(xiàn)象;工作壓力大于4MPa時，密封圈密封性能滿足要求。(2)初始壓縮率在12%～16%范圍內時，最大接觸應力有峰值，此時金屬圈密封性最好。當初始壓縮率大于21%時，金屬圈塑性變形明顯增加，回彈力減小，密封性能顯著下降，此時金屬圈無法滿足高溫密封要求。(3)隨著溫度增加，最大等效應力、接觸應力和剪切應力變化先顯著下降后保持穩(wěn)定，即密封圈密封性能先下

13、降后變化較小。(4)高溫密封試驗表明，15%壓縮率下的金屬圈350℃密封性能滿足稠油熱采工具密封要求，而金屬圈壓縮率過大時將發(fā)生明顯的塑性變形，其密封性能顯著下降。 參考文獻 楊立平，楊學貴，馬認琦，等．油氣井防砂工具［M］．北京:石油工業(yè)出版社，2014． 裴群．石油熱采封隔器密封件的研制［J］．潤滑與密封，1992，17(3):27－31．PEIQ．Developmentofsealingsforpetroleumheatingrecoverysealer［J］．LubricationEngineering，1992，17(3):27－31． 張健．金屬空心O形圈密

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