水龍頭高壓盤根密封失效分析與結構改進

2016-08-26 by:CAE仿真在線來源:互聯網

摘要: 盤根密封是水龍頭的關鍵環(huán)節(jié),其性能直接影響水龍頭的壽命和鉆井速度。通過對國民油井公司的一種高壓水龍頭與現有水龍頭密封結構的對比,綜合分析了密封的破壞原因。按其工作原理,利用ANSYS 有限元工程分析軟件分析了密封圈接觸壓力,指出了采用高壓潤滑油隔離泥漿的合理依據。針對目前國內水龍頭在高壓下密封壽命極短這一問題,提出了改進措施與方法,對于國內高壓水龍頭設計具有一定的參考價值。

關鍵詞: 水龍頭; 盤根裝置; 高壓; 磨料磨損; 動密封

石油鉆井中的水龍頭上部通過鵝頸管與水龍帶、泥漿泵相連接,下部連接旋轉中心管,向旋轉著的鉆柱內引輸高壓鉆井液。水龍頭盤根旋轉動密封是水龍頭設計的關鍵環(huán)節(jié),密封介質為高壓、磨礪性強的鉆井液,盤根密封是轉與不轉的動密封。尤其是在高壓下,鉆井液盤根密封系統(tǒng)是水龍頭的最薄弱環(huán)節(jié),其密封性能直接影響水龍頭的壽命和鉆井速度。

1 水龍頭密封結構

1. 1 現有水龍頭密封結構與工作原理

國內目前使用的水龍頭大多采用液壓自封式密封結構,如圖1 ,在泥漿壓力作用下 Y型密封圈唇部始終壓緊沖管外壁,基本可以滿足中深井工作要求。

圖 1 Y 型密封圈結構

傳統(tǒng)旋轉鉆井水龍頭盤根密封結構如圖 2 ,與泥漿接觸的第1 級密封圈一側承受全部泥漿壓力,而背部則為大氣壓力,其他密封圈處于閑置狀態(tài),直到上一級密封圈失效,下一級密封圈就如同第1 級密封圈一樣作用。

圖 2 傳統(tǒng)盤根密封結構

密封盤根與下密封盒一起隨中心管旋轉,沖管工作時不旋轉,但允許略有軸向竄動,沖管磨損均勻。

1. 2 水龍頭失效分析

根據現場使用情況,傳統(tǒng)水龍頭基本上能滿足6 000 m 以下的鉆井要求。但是,隨著泥漿壓力增高,傳統(tǒng)水龍頭壽命急劇減少,當壓力升高到 35MPa時,沖管和盤根只能滿負荷工作 100 h ,當泵壓急劇升高時,通常只能維持50h。而當前鉆井技術要求的泥漿壓力非常高,因此,許多傳統(tǒng)水龍頭裝置已經達不到使用要求。

分析其失效原因,主要是泥漿壓力增大,磨損加劇,導致壽命減少; 另一方面是盤根轉動慣量和離心力較大而引起的附加振動。

摩爾認為,兩表面在相對滑動時,橡膠的磨損有3 種形式, 即磨料磨損、疲勞磨損、卷筒形成磨損。

水龍頭的密封介質是磨礪性強的鉆井液,磨粒磨損是盤根密封磨損的主要原因。根據拉賓諾維奇( Rabinowicz) 提出的磨料磨損簡化模型,可以粗略解釋來說明磨損率大小的相對變化。假設n 個具有頂角為 2θ的硬圓錐微凸體,在法向載荷F 的作用下,在σ sy為軟材料的屈服應力軟表面上的滑動距離為L ,則在軟表面上除去的材料體積WV 為

可見,磨損量與法向載荷和滑動距離基本上成正比利用ANSYS 有限元軟件,分析在不同泥漿壓力下Y 型密封圈抱緊盤根的接觸壓力,分析模型簡化為軸對稱模型,如圖 1。橡膠單元采用超彈性單元 HYPER56 , 模型中的接觸單元由接觸單元CONTA171 和目標單元TA RG E169 配對組成。分析中采用的橡膠材料模型為近似不可壓縮彈性材料的Moo ney-Rirlin 模型,與材料的應變能偏量部分有關的2 個材料常數C1 和C2 分別為1 . 87 和0 . 47

圖3 是泥漿壓力為 15 MPa 下的密封圈 Von Mises應力和接觸壓力分布云圖。

圖 3 15 MPa下的密封圈 Von Mises 應力和接觸壓力

不同泥漿壓力下的接觸壓力如表1 ,密封圈接觸壓力變化如圖4。由表 1 和圖 4 可見, Y 型密封圈接觸壓力高于泥漿壓力,滿足密封要求; 隨著泥漿壓力升高,Y 型密封圈抱緊盤根的接觸應力相應增高,其磨損速度加快,導致水龍頭的壽命極短。

綜上分析,動密封不能單純依靠密封結合面之間的間隙來實現密封,因為間隙愈緊密,對偶表面相對運動時的摩擦阻力就愈大,磨損快,使密封很快失效。因此動密封作用原理的要點是既要保持密封而又不產生較大摩擦磨損,包括減小密封兩側的壓力差、使結合面之間保持流體潤滑膜等。

圖 4 密封圈接觸壓力

表 1 不同泥漿壓力下的接觸壓力

2 新型液壓密封結構

National Oilw ell 和 Kal si Engineering 公司設計的沖管盤根密封系統(tǒng)即新型液壓密封結構,其設計壓力達到52. 5 MPa ,工作壽命為傳統(tǒng)水龍頭盤根密封的5 倍。

2. 1 結構

如圖5 ,沖管與旋轉中心管剛性連接,上盤根盒與鵝頸管剛性連接; 下盤根為靜密封,卡環(huán)保持沖管與調整環(huán)的相對徑向位置,沖管與下盤根盒的徑向間隙通常在0. 5 ~ 0 . 6 mm 之間,以保持沖管相對于中心管完全靜止; 上盤根為動密封,上盤根盒和隔環(huán)的間隙通常在0 . 3 ~ 0. 4 mm 之間,最好為0. 3 mm ,以允許一定的徑向偏差。

圖 5 國民油井公司的盤根密封結構

與傳統(tǒng)水龍頭相比,沖管隨中心管旋轉,動密封的盤根盒不轉,沖管磨損比較均勻,避免了盤根轉動慣量大可能引起的附加振動。

2. 2 原理

該沖管盤根密封系統(tǒng)通過給密封圈低壓力側提供增壓潤滑油來降低有效壓差,提高密封壽命。高壓潤滑油壓力是按泥漿比例預先確定的,其值在泥漿壓力與大氣壓之間,通常設定每個密封圈都承受相同的壓差。潤滑油的壓力一般都低于泥漿壓力,防止?jié)櫥蛪毫^度而泄露。

由于泥漿液中含有固體顆粒,因此,與泥漿接觸的第1 個密封圈的背壓實際上高于泥漿壓力。如圖6 ,密封圈設計為“漂浮”在油上,很像汽車車輪在濕路上打滑; 少量的潤滑油從密封圈滲出來,保證鉆井泥漿液不和密封面接觸; 沖管盤根實際上是通過潤滑油的“適量泄露”來延長壽命的。

高壓潤滑油是由一套液壓裝置提供的,如圖7。潤滑油壓力源來自泥漿壓力,通過液壓缸分配各級潤滑油壓力。每個與密封圈背部腔室相連的管道都配有止回閥,防止密封盤根的泥漿壓力倒流回液壓缸。

圖 6 國民油井公司新型沖管密封結構

密封圈采用 Kalsi Engineering 公司開發(fā)的流體動壓圈密封結構( 彈性橡膠流體動壓徑向密封圈),該結構有流體動壓潤滑和阻止磨粒侵入作用2個主要特點。利用流體動壓效應,在動密封面之間形成一層能避免 2個相對運動表面直接接觸的動壓油膜,從而降低密封圈運行時的磨損和摩擦熱[ 6 -7 ]。

圖 7 國民油井公司盤根液壓缸系統(tǒng)

2. 3 特點

a) 隔離密封系統(tǒng) 泥漿中含有大量固體顆粒,磨粒磨損是密封圈最主要的磨損形式。因此,該液壓沖管系統(tǒng)的密封首先采用隔離密封系統(tǒng),在與泥漿接觸的密封圈背部提供略高于泥漿壓力的潤滑油,沖洗泥漿,凈化介質。工作時,通過潤滑油適量的、有控制的泄露,使泥漿不和密封面接觸,以阻止泥漿磨粒侵入到動密封面之間。

b) Kal si密封圈 Kalsi 密封圈主要有流體動壓潤滑和阻止磨粒侵入2 個作用。

3 結論與建議

1) Y 型密封圈接觸壓力高于泥漿壓力,滿足密封要求; 接觸壓力隨泥漿壓力增加而增大。

2) 采用高壓潤滑油隔離系統(tǒng)沖洗泥漿,凈化介質; 在每一級密封圈背部提供高壓潤滑油,減小有效壓差。

3) 動壓圈密封結構利用動壓效應能有效潤滑。

4) 采用沖管旋轉、盤根密封靜止結構,減小旋轉離心力,消除潛在振動。

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