基于流體壓力滲透的壓裂泵V形組合柱塞密封性能分析

摘要：壓裂泵柱塞密封副長期在變載荷、往復摩擦及高壓、酸性壓裂液的環境下運行，是壓裂泵液力端最容易失效的部件之一。為研究過盈量、介質壓力等對V形密封圈密封性能的影響，采用自動收縮配合模擬V形密封圈的裝配過程，基于流體壓力滲透模擬V形密封圈的實際流體壓力作業工況，建立了V形組合密封圈的有限元模型；分析了V形密封圈在準靜態和動態密封下的最大Mises應力和接觸壓力的變化規律；提出了一種雙級壓差的柱塞密封結構，并對該結構進行了密封性能分析。結果表明，密封圈的最大接觸壓力都出現在靠近高壓流體側的V形密封圈處，最大應力主要在V形密封圈與支撐環和壓環相接觸的唇部和肩部；V形密封圈與柱塞接觸一側更容易發生失效；采用雙級壓差柱塞密封能夠有效減小V形密封圈的Mises應力、剪切應力，以及與柱塞間的摩擦力，可延長壓裂泵柱塞密封的工作壽命，提高壓裂作業的可靠性和經濟性。

關鍵詞：V形密封圈；過盈裝配；流體壓力滲透；結構設計；密封性能

中圖分類號：TE934. 2 DOI： 10. 16579/j. issn. 1001. 9669. 2025. 04. 011

0 引言

隨著油田開發難度的持續增加，壓裂酸化技術已成為提升油氣田開采量及開發速度的重要手段［1-2］。壓裂泵是壓力酸化工藝中的重要設備之一，其工作運行的可靠性將直接影響壓裂酸化的正常施工［3］。V形組合柱塞密封副在變載荷、往復摩擦、高壓及酸性壓裂液的共同作用下，成為壓裂泵液力端最易發生失效的部件之一，密封失效將導致壓裂液泄漏并竄入壓裂泵動力端損壞其他組件，進而降低壓裂泵的使用壽命，影響壓裂酸化作業的正常實施［4-5］。V形密封圈是柱塞密封副的主要密封元件，由于其密封性能良好、可以多圈重疊使用、具有自封作用等特點，被廣泛應用于柱塞密封中。

為了提高V形密封圈的密封性能，延長其使用壽命，研究人員通過理論分析、數值模擬和實驗等方法，對影響V形密封圈密封性能的因素進行了研究。朱維兵等［6-7］從理論和實驗兩方面分析了V形密封圈的軸向壓力分布，研究了V形密封圈結構參數對接觸應力的影響，對密封結構參數進行了優化。楊儉等［8］分析了柱塞在往復運動中的壓力分布、泄漏量的變化規律以及密封元件的變形對密封性能的影響。GANG等［9］1432研究了V形密封圈不同過盈量和唇邊高度對密封性能的影響，通過對密封圈的幾何參數進行優化，提高了密封圈的密封能力和使用壽命。杜堅等［10］對V形組合密封進行了分析，研究了軸向壓緊力、密封圈個數及V形密封圈的結構對組合密封圈密封性能的影響。ZHOU等［11］研究了鉆井泥漿泵柱塞密封在超高壓超深井條件下的密封失效原因，建立了V形密封圈的二維軸對稱有限元模型，分析了柱塞密封應力、應變和接觸壓力的分布規律，并提出了防止密封失效的基本方法。鄭杰文等［12］建立V形組合密封圈的有限元模型，通過仿真分析得知隨壓力的增加，工作中的液膜厚度隨之降低，泄漏量隨之增加。DU等［13］設計了一種新型三級密封結構，探討了不同流體壓力和軸向預緊力對密封圈的接觸應力和最大Mises的影響。秦瑤等［14］利用彈性力學理論，建立了V形填料密封的計算模型，并計算了壓緊力和內外過盈量大小對軸向位移和內外接觸面上的接觸應力分布規律。吳長貴等［15］6利用Abaqus流體壓力滲透載荷的加載方法，對航空作動器VL密封圈進行了有限元仿真分析。

綜上所述，目前的研究只考慮了準靜態密封下V形密封圈的結構參數、軸向壓緊力等因素，沒有深入研究柱塞運動和介質壓力變化對其密封性能的影響。介質壓力會對密封圈產生擠壓變形，例如，膨脹和收縮，從而影響密封圈的尺寸和形狀。如果忽略介質壓力變化對密封性能的影響，可能會誤判密封圈的性能和壽命，例如，一些密封圈在低壓條件下表現出色，但在高壓條件下可能失效。因此，考慮介質壓力變化對密封性能的影響至關重要，在仿真中應該將介質壓力變化考慮在內，以獲得更準確的仿真結果。本文利用自動收縮配合方式來模擬密封圈的裝配安裝過程，采用流體壓力滲透載荷的加載方式來模擬變化介質壓力對密封圈的作用。結合這兩種方式對V形組合密封圈進行數值模擬，重點研究了V形密封圈在準靜態和動態密封下過盈量和工作介質壓力對密封性能的影響。此外，針對目前超高壓壓裂泵柱塞密封的單級壓差承壓模式承受的壓差過大的問題，設計了一種雙級壓差式柱塞密封，并對該結構進行密封性能和結構強度分析。本文的研究工作對超高壓柱塞密封的性能的提高和壓裂泵工作可靠性的提升具有重要的參考價值。