基于ANSYS的閘板防噴器密封性能有限元分析

王仕強(qiáng)，俞嘉敏，3，王小梅，馮曉輝，3，楊 齊，程 玲

（1.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院，四川 廣漢 618300；2.四川科特檢測(cè)技術(shù)有限公司，四川 廣漢 618300；3.四川宏大安全技術(shù)服務(wù)有限公司，四川 廣漢 618300）

在石油鉆井工程中，為避免鉆井井噴失控事故發(fā)生，一般都需要在鉆井的井口上安裝一套鉆井井控裝置，閘板防噴器是井控裝置核心部件之一[1]。防噴器的密封性是防噴器正常工作的重要指標(biāo)，而在使用過(guò)程中防噴器結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的各種缺陷可能對(duì)防噴器密封性能產(chǎn)生不利影響，降低使用壽命。造成防噴器密封失效的原因較多，其中腐蝕磨損已經(jīng)成為防噴器密封失效的一個(gè)重要原因[2]，因此開展不同缺陷尺寸對(duì)防噴器密封性能的研究具有積極意義。王禮翔等[3]針對(duì)閘板防噴器膠芯密封問(wèn)題，對(duì)比研究了不同液壓力和井筒壓力對(duì)膠芯密封的影響。肖力彤等[4]通過(guò)建立防噴器側(cè)門的三維模型，分析了側(cè)門密封圈應(yīng)力應(yīng)變情況，為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性、合理性提供理論基礎(chǔ)。唐洋等[5]對(duì)閘板防噴器四大密封部位的結(jié)構(gòu)、密封原理和失效形式進(jìn)行分析，為閘板防噴器密封的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)維修提供了參考。

本文針對(duì)雙閘板防噴器結(jié)構(gòu)，通過(guò)建立防噴器頂密封三維有限元分析模型，考慮了運(yùn)行期間的載荷，利用ANSYS軟件對(duì)頂密封部位的密封性能進(jìn)行了分析，獲得了含不同尺寸磨損腐蝕的頂密封部位接觸壓力的分布特性。研究成果能夠有效保障防噴器的安全運(yùn)行，并為防噴器維修和再制造提供了一種新思路。

1 閘板橡膠材料本構(gòu)模型

閘板常用的橡膠材料是丁腈橡膠。本文在90℃的工況下通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定橡膠材料的力學(xué)性能，采用一階Ogden超彈性材料本構(gòu)模型，對(duì)橡膠材料的單軸拉伸、壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得橡膠材料的本構(gòu)參數(shù)。

Ogden超彈性本構(gòu)模型是基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，直接采用主伸長(zhǎng)比為自變量，以級(jí)數(shù)形式表述應(yīng)變能密度函數(shù)，在有限元軟件中應(yīng)變能的形式如式（1）所示：

2 有限元分析模型的建立

2.1 幾何結(jié)構(gòu)及有限元建模

頂密封連接結(jié)構(gòu)主要通過(guò)閘板與閘板腔的壓緊力來(lái)擠壓位于閘板環(huán)槽內(nèi)的橡膠圈，使得橡膠圈與閘板環(huán)槽和閘板腔緊密接觸，從而產(chǎn)生密封效果。由于該結(jié)構(gòu)中橡膠圈變形較小，需要通過(guò)體積壓縮方式產(chǎn)生較大接觸壓力，而橡膠材料本身屬于不可壓縮材料，因而對(duì)求解的收斂性產(chǎn)生較大的困難。本文采用簡(jiǎn)化模型的形式開展計(jì)算，模型采用Solid186單元對(duì)頂密封部位結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有限元網(wǎng)格自由度為4.4萬(wàn)，該有限元模型如圖1所示。

圖1 頂密封連接部位結(jié)構(gòu)有限元模型

對(duì)于該模型，需要通過(guò)約束來(lái)模擬閘板環(huán)槽對(duì)橡膠圈的空間位移限制，這類約束包括：橡膠圈與閘板腔接觸面對(duì)側(cè)的面上施加z方向位移約束；橡膠圈內(nèi)、外側(cè)面上施加徑向約束；橡膠化周向截?cái)嗝嫔鲜┘又芟蚣s束。此類約束的約束區(qū)域如圖2所示。

圖2 橡膠圈空間位移的約束區(qū)域

2.2 材料參數(shù)及本構(gòu)模型

閘板防噴器各部件材料參數(shù)匯總見(jiàn)表1。

表1 閘板型防噴器各部件材料參數(shù)表

閘板和防噴器殼體結(jié)構(gòu)的材料本構(gòu)模型選用線彈性模型。對(duì)于橡膠結(jié)構(gòu)本構(gòu)模型選用Ogden一階本構(gòu)模型，本構(gòu)模型中的材料參數(shù)取為μ1=2.064 7 MPa，α1=2.614 1，d1=0 MPa-1。

3 有限元分析結(jié)果

3.1 無(wú)缺陷頂密封性能有限元分析

對(duì)閘板-閘板腔連接結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行非線性求解（70 MPa工作壓力下）。頂密封連接部位結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力分布如圖3所示，接觸區(qū)域最大等效應(yīng)力不超過(guò)40 MPa。頂密封連接結(jié)構(gòu)中橡膠環(huán)與閘板腔之間的接觸壓力分布如圖4所示。接觸區(qū)域最大接觸壓力為42.9 MPa，平均接觸壓力為41.6 MPa。

圖3 頂密封連等效應(yīng)力云圖

圖4 橡膠圈與閘板腔之間的接觸壓力云圖

3.2 閘板腔頂部腐蝕缺陷對(duì)密封性能的影響

3.2.1 腐蝕缺陷有限元計(jì)算

閘板腔頂部腐蝕缺陷通過(guò)不同半徑的球形凹坑的方式進(jìn)行表征。對(duì)含深度為2.0 mm、3.0 mm、4.0 mm、5.0 mm和6.0 mm腐蝕缺陷的頂密封結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行非線性求解，不同尺寸腐蝕缺陷對(duì)于整體結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的等效應(yīng)力影響很小，其中橡膠圈與閘板腔之間的接觸壓力分布分別如圖5所示。接觸區(qū)域最大接觸壓力分別為44.1 MPa、44.8 MPa、43.0 MPa、39.7 MPa和33.5 MPa，平均接觸壓力分別為40.2 MPa、38.4 MPa、35.8 MPa、31.9 MPa和27.6 MPa。

圖5 不同腐蝕磨損缺陷深度橡膠圈與閘板腔之間的接觸壓力云圖

3.2.2 腐蝕缺陷計(jì)算結(jié)果分析

當(dāng)腐蝕磨損缺陷深度為0.0 mm（即無(wú)缺陷）、2.0 mm、3.0 mm、4.0 mm、5.0 mm和6.0 mm時(shí)，橡膠圈與閘板腔之間的最大接觸壓力和平均接觸和最小接觸壓力如圖6所示。

從圖6可以看出，當(dāng)缺陷深度為2 mm、3 mm、4 mm時(shí)，橡膠圈與閘板腔之間的最大接觸壓力相比于無(wú)缺陷時(shí)的情況均略微上升，當(dāng)缺陷為5 mm、6 mm時(shí)最大接觸壓力才比無(wú)缺陷時(shí)的情況更低，且隨缺陷深度增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)缺陷深度為5 mm和6 mm時(shí)，最大接觸壓力為39.7 MPa和33.5 MPa，相比于無(wú)缺陷時(shí)的最大接觸壓力42.9 MPa，下降7.5%和21.9%。從圖7可以看出，隨著缺陷深度增加橡膠圈與閘板腔之間的平均接觸壓力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)缺陷深度為4 mm和5 mm時(shí)，平均接觸壓力為35.8 MPa和31.9 MPa，相比于無(wú)缺陷時(shí)的平均接觸壓力41.6 MPa，下降13.9%和23.3%，即當(dāng)缺陷深度為5 mm時(shí)橡膠圈與閘板腔之間的平均接觸壓力下降已超過(guò)20%。

圖6 最大接觸壓力

圖7 平均接觸壓力

3.3 閘板腔頂部磨損缺陷對(duì)密封性能的影響

3.3.1 磨損缺陷有限元計(jì)算

整體磨損缺陷通過(guò)不同深度的弧形面與閘板腔底面區(qū)域相切的方式進(jìn)行表征。整體磨損缺陷的深度通過(guò)制弧形面曲率來(lái)控制。對(duì)于含整體磨損缺陷的模型，對(duì)深度為3.0 mm、2.5 mm、2.0 mm、1.5 mm、1.0 mm、0.5 mm、0.4 mm、0.3 mm、0.2 mm、0.1 mm磨損缺陷的頂密封連接結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行非線性求解，經(jīng)過(guò)300～400步迭代運(yùn)算后計(jì)算收斂，其中橡膠圈與閘板腔之間的接觸壓力分布分別如圖8所示。接觸區(qū)域最大接觸壓力分別為0.26 MPa、0.36 MPa、0.52 MPa、0.91 MPa、4.38 MPa、23.2 MPa、26.9 MPa、30.9 MPa、34.9 MPa、38.6 MPa，平均接觸壓力分別為0.002 MPa、0.01 MPa、0.03 MPa、0.21 MPa、3.33 MPa、22.2 MPa、25.9 MPa、29.9 MPa、33.8 MPa、37.5 MPa。

圖8 不同整體磨損缺陷深度橡膠圈與閘板腔之間的接觸壓力云圖

3.3.2 磨損缺陷計(jì)算結(jié)果分析

當(dāng)整體磨損缺陷深度為0.0 mm（即無(wú)缺陷）、0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm和3.0 mm時(shí)，橡膠圈與閘板腔之間的最大接觸壓力和平均接觸壓力如圖9和圖10所示。

從圖9可以看出，當(dāng)存在整體缺陷時(shí)最大接觸壓力隨缺陷深度增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)缺陷深度為0.2 mm和0.3mm時(shí)，最大接觸壓力為34.9 MPa和30.9 MPa，相比于無(wú)缺陷時(shí)的最大接觸壓力42.9 MPa，下降18.6%和28.0%，即當(dāng)整體缺陷深度為0.3 mm時(shí)橡膠圈與閘板腔之間的最大接觸壓力下降已超過(guò)20%。從圖10可以看出，當(dāng)存在整體缺陷時(shí)平均接觸壓力隨缺陷深度增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)缺陷深度為0.2 mm和0.3 mm時(shí)，平均接觸壓力為33.8 MPa和29.9 MPa，相比于無(wú)缺陷時(shí)的平均接觸壓力41.6 MPa，下降18.8%和28.1%，即當(dāng)整體缺陷深度為0.3 mm時(shí)橡膠圈與閘板腔之間的平均接觸壓力下降已超過(guò)20%。

圖9 不同整體缺陷深度最大接觸壓力

圖10 不同整體缺陷深度平均接觸壓力

4 結(jié)論

（1）綜合考慮腐蝕缺陷深度對(duì)最大接觸壓力和平均接觸壓力的影響，當(dāng)腐蝕深度超過(guò)4.0 mm時(shí)，導(dǎo)致防噴器密封失效。（2）綜合考慮缺整體磨損陷深度對(duì)最大接觸壓力和平均接觸壓力的影響，當(dāng)整體磨損深度超過(guò)0.2 mm時(shí)，導(dǎo)致防噴器密封失效。