加熱電纜填料密封結構及其有限元分析

摘要：為實現井口高壓力防噴目的，提出了一種適用于加熱電纜防噴器的填料密封結構。該填料密封結構中填料環通過壓閥壓縮實現預安裝，起到對腔內流體密封的目的。通過建立填料密封結構理論模型，分析了填料環在壓縮變形階段和流體滲透階段的力學行為，利用有限元軟件建立了填料密封結構的二維軸對稱模型，分析填料環在不同壓縮載荷和流體壓力下的填料環變化規律。結果表明：不同壓縮載荷下填料環最大應力應變隨壓縮載荷的增大而增大，當載荷超過15 MPa時，應變區域開始向下轉移；密封面上的接觸應力沿著軸向位置基本呈現遞減趨勢，且隨著壓縮載荷的增大而增大；隨流體滲透載荷的增加，流體逐漸從密封面向上滲透，接觸長度不斷減小。

關鍵詞：加熱電纜；填料密封；有限元分析；流體壓力滲透

中圖分類號：TE921.5" " " " 文獻標志碼：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

防噴器是一種重要的井控設備，主要用于鉆井、修井及試油等作業中關閉井口，以防止井噴事故發生。現階段，在開采含蠟量過多或凝固點較高的自噴井時，由于井筒內的流體在靠近井口地表的過程中不斷損失熱量，會產生蠟晶并附著于井筒，導致開采量下降，嚴重時會造成堵塞。目前，降低結蠟技術是常用的手段，油田常用的帶金屬護套三相星型加熱電纜升高井流溫度，減少油中蠟質析出，但國內對能夠配套加熱電纜使用的小口徑高壓力防噴器的設計技術較國外產品來說存在一定的落后。高壓防噴器中密封結構的的密封性能直接影響到防噴器的安全性，而實現高壓井口防噴的主要結構是該防噴器密封盒主體上端的填料密封結構。

目前，國內外對于密封結構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］，對填料密封結構的有限元分析較少。邱金水等人［11］對穿艙電纜密封結構中填料進行了受力分析，通過建立有限元分析模型仿真了填料壓緊后的力學行為，并與理論結果進行了對比分析。劉伯運［12］等人建立了穿艙電纜填料函密封結構的二維軸對稱有限元模型，分析了接觸面過盈量、摩擦因數及壓緊螺母軸向位移對填料密封性能的影響。劉鵬等人［13］開發了一種自適應回彈填料密封結構，通過有限元分析得出在填料中增加開口環，可以增加徑向力，降低了預緊力。

上述研究未能考慮密封流體對填料密封結構性能的影響。因此，本文首先通過有限元分析軟件建立了加熱電纜填料密封結構的二維有限元模型，分析了填料環受壓縮變形后的應力和應變云圖，在此基礎上，通過流體壓力滲透模擬分析了密封流體滲透到接觸面對密封性能的影響。

1 計算分析模型

1.1 填料密封結構組成

該防噴裝置本體上端的填料密封結構主要由加熱電纜、壓閥、填料環、填料座和鎖緊螺母等組成，如圖1所示。密封填料環由7個矩形填料組成，該填料環作為密封主要部件安裝在填料座和電纜所構成的空腔內。在實際使用時，通過旋緊鎖緊螺母對壓閥施加壓力，使得填料環被軸向壓縮從而產生徑向膨脹，在填料環與電纜外表面、填料座內壁的接觸面上產生接觸應力，從而起到密封作用。

1.2 壓縮變形階段

壓縮變形階段為填料環從最初狀態到受到壓閥壓縮產生變形形成密封面的過程。當密封面的接觸應力大于密封流體壓力時，可以起到密封作用。為分析計算壓應力的分布，在離壓閥下端面x處取微元，該微元厚度為dx，微元受到軸向應力？滓x和？滓x+d？滓x，徑向應力？滓r和摩擦力f1與f2的作用。所以，微元體的軸向平衡方程式為

（1）

（2）

式中：x為軸向應力，MPa；？滓r為徑向應力，MPa；f1為填料座內壁對填料微元體的摩擦力，N；f2為電纜表面對填料微元體的摩擦力，N；r和R分別為內、外半徑，mm；μ1為填料與填料座間的摩擦因數；μ2為填料與電纜間的摩擦因數；k為側壓因數；p為流體壓力，MPa；l為填料長度，mm。

將式（2）代入式（1）中得

=-2kdx（3）

為保證密封。要求x=l處，？滓r≥p。取？滓r|x=l=p，并對式（3）兩邊積分得

（4）

由式（4）可知，？滓x在［0，l］是指數的減函數。在x=0處，？滓x為最大值，此為壓閥預緊所需的壓縮載荷。壓閥所需壓縮載荷與流體壓力成正比，并且當填料環厚度、填料環側壓因數越小，而摩擦因數、填料環長度越大時，所需的壓縮載荷也就越大。

由式（2）和式（4）可得徑向應力：

（5）

1.3 流體壓力滲透階段

填料環受到壓縮變形后，固定壓閥。填料下方的環空與防噴器出口相連，屬于高壓側，高壓側流體會試圖滲透到密封接觸面上，當下環的高壓流體壓力大于密封面上的接觸應力時，接觸節點將被打開，流體將繼續往前滲透，直到某個節點，此節點接觸應力大于密封流體壓力［14］，流體壓力滲透將被阻斷，此為密封流體滲透階段。

將電纜與填料環間形成的密封面定義為主密封面，填料座和填料環間形成的密封面定義為副密封面。本文主要考慮密封流體通過主、副密封面上的縫隙而引起的密封失效。在密封面上，能有效阻止流體泄漏的參數是密封面上的接觸應力。因此要保證密封接觸面上的最大接觸應力大于密封流體壓力，即：

Cmax≥p（6）

式中：Cmax為密封面上的最大接觸應力，MPa。

2 有限元分析模型

加熱電纜填料密封性能主要取決于密封面的密封性能，在工作狀態下，密封面上的最大接觸應力如果小于流體的壓力，就會發生泄露，防噴器密封從而失效。密封填料的力學性能是影響其密封性能的決定性因素，因此，本文通過有限元模擬密封填料在壓縮變形和密封流體滲透階段下的應力應變來分析其密封性能。

2.1 模型建立

由于加熱電纜填料密封結構具有對稱性，可建立二維可變形軸對稱有限元模型，如圖2所示。橡膠填料選用氫化丁晴，劃分網格為CAX4RH單元類型，壓閥、上填料座和電纜設置為剛體，均選用CAX4R網格單元類型。

2.2 材料參數設置

填料密封結構各部件材料參數如表1所示。其中，密封填料選用氫化丁晴橡膠（HNBR），是一種高性能特種橡膠，具有耐高溫性和耐腐蝕性。橡膠是一種大變形、不可壓縮、非線性超彈性材料，其力學性能不能像其他材料一樣可以由幾個簡單的參數表征出來。本文采用ABAQUS材料庫中的Yeoh 3模型，它是表征超彈性材料的一種模型，利用該模型可以描述填料環在大變形下的力學性能。其本構模型參數［15］為：C10=1.64，C20=-1.44，C30=1.25。

2.3 分析步和邊界條件設置

1） 有限元模型由兩個分析步組成：填料壓縮變形階段和流體壓力滲透階段。

2） 填料座與電纜上下端面施加固定約束。

3） 在第一個分析步中壓閥施加軸向壓縮載荷，并約束其余方向的自由度，從而實現填料壓縮完成裝配；在第二個分析步中，在填料環下端面上施加流體壓力載荷和臨界接觸壓力載荷。

4） 在各接觸面之間定義接觸行為，并賦予接觸屬性，法向行為定義為“硬”接觸，切向行為定義為摩擦接觸。設置壓閥與電纜之間的摩擦因數為0.1，電纜與填料環、填料座與填料環、壓閥與填料環之間的摩擦因數為0.15，填料環之間的摩擦因數為0.3。

3 模擬結果分析

3.1 壓縮變形階段填料環應力應變分布

為研究密封結構中橡膠填料的承壓性能，向壓閥分別施加5、10、15、20 MPa壓縮載荷，通過后處理得出不同壓縮載荷下填料環的應力應變如圖3所示。

從圖3中可以看出，在壓縮載荷下，填料環應力集中于最上端的密封面上，且主密封面上的應力值小于副密封面上的應力值。隨著施加在壓閥上的壓縮載荷的均勻增大，填料環最大應力值增大，且應力增大得更多。發生大應變的區域同樣在填料環上端的密封面上，隨著壓縮載荷的增大，填料環應變值逐漸增大，并且主密封面上的應變小于副密封面上的應變。但當載荷超過15 MPa時，應力繼續增大而應變不再增加，發生大應變的區域開始向填料環下端轉移，且最大應變值達到0.3 mm。實際工作中，填料環上端易發生破環而導致密封失效，應及時檢查更換填料。

3.2 壓縮變形階段密封面接觸應力分布

如圖4所示為20 MPa壓縮載荷下填料環的接觸應力云圖。通過后處理創建路徑的方法，可以提取出4、10、15、20、25 MPa壓縮載荷下，填料環主密封面上的接觸應力隨軸向位置的變化圖（如圖5），圖中坐標原點對應的是填料環的上方。由圖4～5可以看出，壓縮載荷為20 MPa時，填料環上最大接觸應力出現在壓閥與填料環上端面相接觸的肩部位置，達到了55.95 MPa，但主密封面上的最大接觸應力為31.7 MPa。填料環密封面上的接觸應力沿著軸向位置基本呈現遞減趨勢，且隨著施加的壓縮載荷均勻增大，密封面上的接觸應力也逐漸增大。但當壓縮載荷超過20 MPa時，由于填料環上端與壓閥間存在摩擦，填料環受到切向約束使接觸應力變化并不均勻。從上述分析可得知，增大對壓閥的壓縮載荷可有效增大密封面上的接觸應力，對填料密封起著重要作用。但壓縮載荷不應過大，否則會加速料環的磨損，導致密封性變差。

3.3 流體滲透階段的填料密封性能

為研究電纜填料密封結構的密封性能，壓閥施加的壓縮載荷固定為20 MPa，向填料下方環空區域施加10、15、20、25 MPa流體壓力滲透載荷，分析在不同流體壓力下填料環接觸應力的變化規律，后處理得到填料環接觸應力云圖如圖6所示。

將圖6與流體滲透前填料環的接觸應力（如圖4）比較得出，隨著流體壓力滲透載荷的增加，密封流體逐漸從密封面向上滲透，主、副密封面上的接觸長度不斷減小，表明密封的流體壓力越大，填料密封性能越差。被流體滲透后，密封面上的接觸壓力急劇減小。4 結論

1） 本文提出了一種適用于加熱電纜防噴器的填料密封結構，并建立了填料環在壓縮變形階段和流體滲透階段的理論模型和有限元模型。

2） 在不同壓縮載荷下，填料環最大應力應變發生在密封面上部區域，且都隨著壓縮載荷的增大而增大，但當載荷超過15 MPa時，應力繼續增大而應變不再增加，應變區域開始向下轉移。

3） 在壓縮變形階段，填料環密封面上的接觸應力沿著軸向位置基本呈現遞減趨勢，且隨著施加的壓縮載荷均勻增大，密封面上的接觸應力也逐漸增大。增大壓閥的壓縮載荷可有效增大密封面上的接觸應力，填料的密封性能更好。

4） 在流體滲透階段，一定的壓縮載荷下，隨著流體壓力滲透載荷的增加，密封流體逐漸從密封面向上滲透，主、副密封面上的接觸長度不斷減小，可見密封流體壓力的大小對填料密封性能的影響較大。

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基金項目： 中石化勝利油田科技項目（YKC2202）；新疆自治區“天山英才-優秀工程師”培養計劃項目（2022TSYCGC0002）。

作者簡介： 陳曉春（1980-），男，高級工程師，主要從事于采油工程方面的研究工作，E-mail：chenxiaochun.slyt@sinoepc.com。

通訊作者： 劉啟偉（1984-），男，高級工程師，主要從事于采油工程方面的研究工作，E-mail： liuqiwei.slyt@sinopec.com。