泛塞封密封性能仿真

泛塞封密封性能仿真

蘭曉冬，周紅軍，丁輝，丁靜

(中海油能源發展裝備技術有限公司 機械設備技術服務中心， 天津 300452)

摘要：考慮到歷年的采油樹節流閥維修中，因節流閥密封失效導致閥門泄露占總維修次數的50%，擬用密封性能更可靠的泛塞封代替節流閥原V形密封，利用仿真軟件計算分析其密封性能，分析對比不同“過盈量”下的密封效果，選擇出最佳“過盈量”。

關鍵詞：節流閥；密封件；仿真；過盈量

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.030

中圖分類號：U662.9

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0109-04

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一蘭曉冬(1989-)，男，碩士，工程師

Abstract:According to statistics of valve repairing in the Christmas tree, the valve leakage caused by valve seal failure accounted for 50% of the total number of repairing. The pan plug seal with more reliable sealing performance is attempted to replace the original V type seal. The sealing performance is analyzed by the simulation software. The sealing effects of different interference are compared with, so shat the best interference is chosen.

修回日期：2015-09-01

研究方向:海洋鉆(修)機械設備的設計及管理

E-mail:lanxd@cnooc.com.cn

密封件是絕大多數機械設備上不可缺少的輔件，是保證現代工業高效、持久、安全和穩定運行必不可少的重要技術產品。在石油和石油化工工業中，有近90%的旋轉設備采用機械密封[1]。在石油化學工業設備中，離心機泵占全部機泵的85%以上，而離心機維修工作量的70%左右都是針對密封問題[2]。

采油樹是閥門和配件組成的總成，用于油氣井的流體控制，為油氣井產出流體及洗井液等提供出入口。2014年8月，公司接到某平臺的海洋井口采油樹故障維修委托書，對該口井采油樹的節流閥進行維修。在井口采油樹拆解過程中，發現失效原因是節流閥原密封損壞而導致閥門泄露。在歷年的采油樹節流閥維修中，由于節流閥密封失效導致閥門泄露占總維修次數的50%。為此，擬用密封性能更可靠的泛塞封代替節流閥原V形密封，降低密封圈失效維修頻次。

1泛塞封簡介

泛塞封是近10年間發展起來的一種新型密封方式，該類型的密封件結構與Y形圈類似，Y形圈溝槽內部無支撐件，而泛塞封則是以U形聚四氟乙烯材質為基體，并在溝槽內部裝入特殊形狀的高性能彈簧作為支撐件。當泛塞封密封件裝入密封溝槽后，依靠泛塞封密封件的初始形變和彈簧支撐力提供初始接觸應力，隨著介質壓力的升高，主要的密封力由介質壓力提供，此時，彈簧支撐件僅提供輔助密封力，這樣保證了泛塞封密封件從低壓甚至零壓到高壓都具有非常優異的密封性能。

泛塞封既可以用于靜密封，也可用于動密封。其密封原理圖見圖1.

圖1　泛塞封密封原理

泛塞封的基體采用聚四氟乙烯或聚四氟乙烯的復合材料。聚四氟乙烯是四氟乙烯的聚合物，英文縮寫為PTFE，商品名為“鐵氟龍”，被美譽為“塑料之王”。

聚四氟乙烯具有一系列優異的物理化學性質[3]。

1)耐高低溫。從-196～250 ℃均可保持良好的性能。

2)耐交變溫差。具有現階段塑料中最佳的老化壽命。

3)摩擦系數極小。是所有固體材料中摩擦系數最小的材質，可低至0.04。

4)不粘性。具有固體材料中最小的表面張力而不粘附任何物質。

5)耐腐蝕。具有非常穩定的化學性能，是世界上耐腐蝕性最佳的材料之一。除了會與熔融堿金屬、氟化物和300 ℃以上的氫氧化鈉反應之外，能承受所有強酸、強堿、強氧化劑、還原劑和各種有機溶劑的侵蝕，即使在王水中煮沸也不發生任何變化。

正是由于聚四氟乙烯具有很優異而穩定的物理化學性質，而被廣泛的用于生產和生活的許多領域。目前，各類聚四氟乙烯制品已在化工、機械、電子、電器、軍工、航天、環保和橋梁等國民經濟領域中起到了舉足輕重的作用[4]。

在聚四氟乙烯發現初期，一直被美國秘密用于軍事工業，直到20世紀50年代才被應用于密封。和一般的螺旋密封件相比，這是一種很好的彈性密封材料[5]。隨著聚四氟乙烯技術的發展，現已發明聚四氟乙烯的復合材料，以獲得更好的物理化學性能，例如強度、硬度、抗蠕變性、抗冷流性等。用聚四氟乙烯材料做成的密封圈可用于介質壓力高達200 MPa，線速度高達15 m/s的動密封和各種靜密封中。

2泛塞封設計

密封件的設計應基于密封件的使用工況及與其配合的溝槽尺寸，采油樹節流閥的使用工況如下：

1)工作壓力。70 MPa，設計壓力應為105 MPa。

2)工作溫度范圍。-29～121 ℃。

3)密封形式。動密封和靜密封。

由于節流閥內部每個密封件的設計思路一致，故取其中一處為例進行分析，與其配合的溝槽尺寸見表1。

表1　密封溝槽尺寸　cm

為使密封件在受壓時，密封件兩側密封件唇口受力均勻，密封件外形尺寸采用對稱設計原則，即密封件的外形關于密封溝槽中心軸線對稱。取密封件唇口與密封溝槽“過盈量”為0.2 mm，設計的密封件外形尺寸見圖2。

圖2　密封件外形尺寸

3泛塞封密封性能仿真

對設計的密封件，并不知道其密封性能，若設計出后直接加工再試驗，則研發成本較大，故在設計完成之后，用仿真軟件對其進行密封仿真,可大大降低研發成本。對于該密封件密封性能的仿真，采用ABAQUS仿真軟件。ABAQUS軟件的使用與其他仿真軟件類似，均是按照建模、劃分網格、施加邊界條件、計算、后處理的步驟進行。

3.1模型建立

密封件安裝在密封溝槽里屬于軸對稱的三維模型，為減小計算量，將三維模型簡化為二維模型，且密封耦合面用屬性為離散剛體的線段代替，即密封耦合面不發生任何形變，密封件則用其截面形狀代替。同時，在密封溝槽進口設置倒角，易于模擬密封件的安裝。由于在密封件受到高壓作用時，彈簧基本不為密封唇口提供彈力，而是靠高壓介質為唇口提供力的作用，同時為了減小仿真難度，在仿真模型中不考慮彈簧。

簡化模型見圖3。

圖3　簡化模型示意

3.2材料屬性

由于密封耦合面設定為離散剛體，故不需要對其進行材料屬性賦予，只需對密封件進行材料屬性設置。

在編輯材料菜單時，選擇力學-彈性-彈性，設置其中的楊氏模量與泊松比分別為280和0.4，并將設置的材料賦予給密封件。

3.3劃分網格

對溝槽和密封件都要進行網格劃分，密封件的網格見圖4。

圖4　密封件網格用于模擬密封件安裝進溝槽

3.4設置分析步

該分析總共有兩個分析步(不包括初始分析步)，第一步：主要對密封件和密封耦合面的接觸屬性進行設置。如圖5，將圖中對應顏色的線段設置為“表面與表面接觸”屬性。

第二步模擬密封件受到105.0 MPa的介質壓力。

3.5相互作用設置

圖5　相互作用屬性設置

3.6設置載荷

主要對模擬密封件安裝進溝槽和在溝槽內受到介質壓力的邊界條件進行設置。密封件安裝進溝槽的邊界條件設置為向下運動的位移，見圖6 a)；受壓時的邊界條件設置為在圖6 b)中所示的線段上施加105.0 MPa的壓力。

圖6　載荷設置示意

對于仿真結果，用以下兩條評判標準判斷所設計的密封件是否滿足使用要求：

1)密封唇口與密封耦合面的接觸應力應大于介質壓力。

2)當密封件受到105.0 MPa的高壓發生形變后，溝槽口的寬度應小于彈簧直徑。若大于彈簧直徑，則在使用過程中，彈簧有可能迸出密封件而影響密封件的性能。

當密封件與密封溝槽的“過盈量”為0.2 mm且受到105.0 MPa的介質壓力時，仿真結果見圖7。

圖7　受105 MPa壓力時接觸應力

由圖7可知，當密封件受到105.0 MPa的介質壓力時，接觸應力為109.8 MPa。經測量，密封件溝槽口寬度小于彈簧直徑，故此設計符合密封要求。

既然0.20 mm的“過盈量”滿足密封要求，則可嘗試將“過盈量”減小，因為“過盈量”越小，密封件的安裝難度越小。取“過盈量”為0.18 mm，仿真該情況下的密封性能，仿真結果見圖8。

圖8　“過盈量”為0.18 mm時的應力結果

由圖8可知，當“過盈量”為0.18 mm時，接觸應力只有104.0 MPa，小于介質壓力105.0 MPa，故此“過盈量”不滿足密封要求。

綜上所述，當取密封件與密封溝槽的“過盈量”為0.20 mm時，能滿足密封要求。

4結論

從所設計的密封件尺寸及其使用工況入手，利用軟件對其受到介質高壓時的受力進行仿真計算分析，從理論上研究了其密封性能的可靠性，進一步驗證了用泛塞封替代原節流閥V形密封圈的可行性。

討論分析密封件與密封溝槽之間的“過盈量”選擇，得到最佳“過盈量”，為類似密封件的設計提供參考。

參考文獻

[1] 陳云龍.淺談石油化工泵用機械密封技術的選擇與發展[J].中國石油和化工標準與質量，2013(3):104.

[2] 彭旭東，王玉明，黃興，等.密封技術的現狀與發展趨勢[J].液壓氣動與密封,2009(2)：4.

[3] 李大武，邢婷，孫挺，等.聚四氟乙烯密封的研究進展[J].有機氟工業，2009(2)：11-12.

[4] 呂楠.聚四氟乙烯生產現狀與改性進展[J].有機氟工業，2004(2)：10-13.

[5] 管從勝，王威強.氟樹脂涂料及應用[M].北京：化學工業出版社，2004.

Simulation Study on the Sealing Performance of the Pan Plug

LAN Xiao-dong, ZHOU Hong-jun, DING Hui, DING Jing

(CNOOC Energy Development Equipment Technology Co. Ltd, Tianjin 300452, China)

Key words: valve; seal; simulation; interference