材料及循環內壓對VX鋼圈密封性能的影響

孟文波 黃 熠 劉書杰 劉和興 李 磊 黃 亮 唐咸弟

1. 中海石油(中國)有限公司湛江分公司, 廣東 湛江 524000;2. 中海油能源發展股份有限公司工程技術深水鉆采技術公司, 廣東 湛江 524000

0 前言

水下生產設施的國產化是中國深海油氣勘探開發的重大戰略之一,而水下井口連接器作為水下生產系統中關鍵的連接設備[1-4]研究意義重大。VX密封圈作為關鍵密封件,既要承受水下井口連接器內部高溫高壓的流體,又要承受工作水深的壓力,因此,其密封性能的設計要求較高[5-8]。

國內外學者已針對水下井口連接器進行了多方面的研究工作。Teodoriu C等人[9]分析了API標準連接器VX鋼圈的密封性能,并通過實驗進行了驗證。羅曉蘭等人[10]通過對預緊和生產工況下的VX鋼圈進行受力分析,得到了最大和最小預留軸向密封間隙計算公式。程子云等人[11]通過三維有限元分析了水下井口連接器在多種工況下的連接性能。陳曉芳等人[12]建立了預緊和生產工況下的VX鋼圈接觸應力的理論模型,并通過有限元進行了驗證。王立權等人[13]建立了金屬密封接觸理論模型,使用有限元分析了金屬密封圈的密封性能。唐洋等人[14]對現有水下生產系統各類連接器及其關鍵技術進行分析,為實現水下井口連接器的國產化提供了建議和發展方向。曾威等人[15]認為使用密封接觸強度作為金屬對金屬密封性能的評價標準更準確。

國內外學者對水下井口連接器的研究工作取得了許多成果,但研究還不夠完善,具體表現在:大多數學者都是通過二維軸對稱模型進行研究,不能真實反映水下井口連接器的密封性能;缺少密封圈材料屬性和循環內壓對其密封性能的影響研究。針對以上的不足,通過ABAQUS軟件建立水下井口連接器有限元三維模型,分析其在預緊和生產工況下的VX鋼圈密封性能,研究VX密封圈材料屬性和循環內壓對密封性能的影響,以期為水下井口連接器的國產化提供理論依據。

1 水下井口連接器工作原理

水下井口連接器作為連接水下高壓井口與水下采油樹、防止井內高溫高壓流體泄漏的關鍵設備,面臨極其惡劣的受載,其密封性能要求較高。水下井口連接器結構見圖1。

圖1 水下井口連接器結構示意圖Fig.1 Structural diagram of subsea wellhead connector

預緊時,通過鎖緊液壓使驅動環產生微量的向下位移,通過驅動環的斜面擠壓鎖塊,使其與水下高壓井口的嚙合面嚙合,實現鎖緊。解鎖時,在液壓作用下驅動環向上運動,釋放鎖塊,通過鎖塊之間的彈簧片使鎖塊與水下高壓井口的嚙合面分離,實現解鎖[16]。

2 水下井口連接器有限元分析

2.1 有限元三維模型的建立

因建立水下井口連接器—水下井口系統的二維軸對稱模型不能準確得出力學分析結果,因此，首先通過Pro/E軟件建立三維模型,再導入ABAQUS軟件建立三維有限元模型。建模時忽略次要部件,將連接器計算模型簡化為連接器本體、VX鋼圈、鎖塊、驅動環和水下井口組成的集合[17],簡化模型見圖2。

圖2 水下井口連接器簡化模型圖Fig.2 Simplified model of subsea wellhead connector

水下井口連接器有限元三維模型截面見圖3,對于存在接觸的表面,例如VX鋼圈的上、下表面與水下井口和連接器本體，鎖塊與水下井口，驅動環與鎖塊，鎖塊與連接器本體接觸的表面使用邊界種子來精細化網格,提高分析精度[18]。

圖3 水下井口連接器有限元模型圖Fig.3 Finite element model of subsea wellhead connector

2.2 材料屬性

VX鋼圈的材料為316L不銹鋼,連接器本體、驅動環和水下井口的材料為4145合金鋼,鎖塊的材料為8630合金鋼,各材料的物理性能參數見表1。

表1 各材料物理性能參數表

2.3 載荷與邊界條件

預緊工況下,模型邊界條件設定為水下井口底面固定,對驅動環施加軸向位移模擬安裝預緊過程。

生產工況下,模型邊界條件同預緊工況,內部再施加0～155.25 MPa(工作內壓為103.5 MPa,此處取1.5倍工作內壓即155.25 MPa內壓)壓強模擬不同內壓。

兩種工況的分析中,在鎖塊與驅動環、鎖塊與水下井口、VX鋼圈與連接器本體以及水下井口均設置了接觸對,采用罰函數摩擦公式,取鋼與鋼接觸時的摩擦因數0.15[19]。

3 結果分析

3.1 預緊工況下密封性能分析

VX鋼圈在預緊工況下的接觸應力云圖見圖4。

圖4 預緊工況下VX鋼圈接觸應力云圖Fig.4 Contact stress cloud diagram of VX gasketunder preloaded condition

由圖4 可知,下表面最大接觸應力為361.7 MPa,發生在密封圈下表面與水下井口的接觸部位,上表面最大接觸應力為342.8 MPa,發生在密封圈上表面與連接器本體的接觸部位,二者均大于密封比壓[20]179.3 MPa,密封面接觸應力滿足密封要求。

VX鋼圈上、下表面接觸部位局部放大圖見圖5～6。由圖5～6可看到,VX鋼圈接觸表面的接觸應力在環向上的分布并不是均勻的,上表面接觸應力分布基本呈規則的環狀帶,下表面接觸應力分布存在著一定的波動。

圖5 預緊工況下VX鋼圈上表面接觸應力局部放大圖Fig.5 Magnified view of local contact stress on upper surfaceof gasket under preloaded condition

圖6 預緊工況下VX鋼圈下表面接觸應力局部放大圖Fig.6 Magnified view of local contact stress on lowersurface of gasket under preloaded condition

提取VX鋼圈上、下表面接觸中心部位的環向接觸應力分布結果,見圖7。VX鋼圈上表面接觸應力的波動幅度較小,基本穩定在340 MPa左右；而下表面接觸應力波動幅度較大,最小值為344.8 MPa,最大值為361.7 MPa,波動幅值為16.9 MPa。因此，下表面的接觸應力均大于上表面接觸應力,這是由于VX鋼圈下部受到水下井口的擠壓作用,從而使得接觸應力增加。

圖7 預緊工況下VX鋼圈接觸應力環向分布圖Fig.7 Circumferential distribution of VX gasket contactstress under preloaded condition

預緊時接觸應力沿VX鋼圈密封表面的分布曲線見圖8～9。由圖8～9可看出,上、下密封面在軸向上的接觸應力分布規律一致,并且上密封面有效接觸寬度為4.8 mm,下密封面有效接觸寬度為5 mm,均超過了最小值1.6 mm,接觸寬度滿足密封要求。

圖8 預緊工況下上密封面接觸寬度圖Fig.8 Contact width of upper sealing surface underpreloaded condition

圖9 預緊工況下下密封面接觸寬度圖Fig.9 Contact width of lower sealing surface underpreloaded condition

3.2 生產工況下密封性能分析

VX鋼圈表面發生塑性變形是形成有效密封的基礎,對于生產工況,還需要接觸面的接觸應力超過3倍介質壓力,即接觸應力大于465.75 MPa(3×155.25 MPa)。生產工況下VX鋼圈接觸應力云圖見圖10,最大接觸應力為519.1 MPa,發生在VX鋼圈下表面與水下井口的接觸部位,VX鋼圈上表面最大接觸應力為504.8 MPa,發生在VX鋼圈上表面與水下井口連接器本體的接觸部位,二者均大于密封判定標準 465.75 MPa,密封面接觸應力滿足密封要求。

圖10 生產工況下VX鋼圈接觸應力云圖Fig.10 Contact stress cloud diagram of VX gasketunder working conditions

VX鋼圈上、下表面接觸部位局部放大圖見圖11～12。由圖11～12可看到,生產工況下VX鋼圈接觸表面的接觸應力在環向上的分布雖不均勻,但上、下密封面接觸應力值基本呈規則的環狀帶,波動較小。

圖11 生產工況下VX鋼圈上表面接觸應力局部放大圖Fig.11 Magnified view of contact stress on uppersurface of VX gasket under working conditions

圖12 生產工況下VX鋼圈下表面接觸應力局部放大圖Fig.12 Magnified view of contact stress on lowersurface of VX gasket under working conditions

生產工況下VX鋼圈接觸應力環向分布見圖13。由圖13可看出,上、下接觸表面的波動幅度都較小,上表面接觸應力基本穩定在495 MPa左右,下表面接觸應力基本穩定在515 MPa左右。同時,上表面的整體接觸應力依然小于下表面的整體接觸應力,這主要是因為VX鋼圈在內部壓力逐漸增大的過程中發生了翹曲變形。

圖13 生產工況下VX鋼圈接觸應力環向分布圖Fig.13 Circumferential contact stress distribution ofVX gasket under working condition

生產時接觸應力沿上、下密封表面的分布曲線見圖14～15。

圖14 生產工況下上密封面接觸寬度圖Fig.14 Contact width of upper sealing surface underworking condition

圖15 生產工況下下密封面接觸寬度圖Fig.15 Contact width of lower sealing surface underworking condition

由圖14～15可看出,生產工況下VX鋼圈上、下密封面在軸向上的接觸應力分布規律一致,并且上密封面的有效接觸寬度為1.9 mm,下密封面有效接觸寬度為2.3 mm,均超過了最小值1.6 mm,接觸寬度滿足密封要求。

4 敏感性分析

4.1 材料屬性對密封性能的影響

為探究材料屬性對水下井口連接器密封性能的影響,通過添加真實應力應變數據,分析了304不銹鋼、316L不銹鋼和Inconel625合金鋼3種材料在內壓155.25 MPa時的接觸應力分布規律,見圖16。

由圖16可知,304不銹鋼的最大接觸應力為423.3 MPa,小于3倍介質壓力465.75 MPa,因此可能會產生泄漏,不滿足密封要求。Inconel625合金鋼的下表面最大接觸應力為555.2 MPa,上表面最大接觸應力為512.7 MPa,均超過了3倍介質壓力465.75 MPa,接觸應力滿足密封要求。但Inconel625合金鋼上表面有效接觸寬度較小,接觸應力超過介質壓力465.75 MPa的部分僅有1.4 mm,不滿足最低密封寬度要求。

a)304不銹鋼材料a)304 stainless steel

對于316L不銹鋼,從3.2節的分析可知,在預緊和生產工況下其密封性能良好。因此綜合考慮以上因素,采用316L不銹鋼作為VX鋼圈的材料更能保證密封性能。

材料屬性對密封性能的影響主要體現在屈服強度上,屈服強度越小,在相同內壓的作用下,就越容易發生塑性變形,導致VX鋼圈的接觸應力有下降的趨勢。屈服強度若是過大則會導致發生的塑性變形不夠,使有效接觸寬度減小,降低密封性能。

4.2 循環內壓對密封性能的影響

生產工況下,水下井口連接器的內部主要受到循環內壓的作用,即內部介質在0～155.25 MPa循環加壓。為研究循環內壓對水下井口連接器密封性能的影響,對水下井口連接器內部連續施加了15次的0～155.25 MPa 循環內壓載荷。循環加壓前后下表面的最大接觸應力的變化曲線見圖17～18。

圖17 循環加壓前預緊接觸應力變化曲線圖Fig.17 Variation curve of preloaded contact stressbefore cyclic compression

圖18 循環加壓后生產接觸應力變化曲線圖Fig.18 Variation curve of preloaded contact stressafter cyclic compression

由圖17可以看出,在第1次加壓后預緊接觸應力由361.7 MPa下降到352.8 MPa,波動幅度較大,這是因為在第1次加壓后,VX鋼圈已經發生了塑性變形,泄壓后,VX鋼圈并未恢復原樣,導致下表面形成應力重分布,接觸面積較預緊時有所增加,接觸應力變小。隨著加壓次數的增加,預緊接觸應力逐漸減小,且趨勢較為緩慢,在第9次加壓后,預緊接觸應力穩定在346.2 MPa。

由圖18可看出,在第1次加壓后生產接觸應力由519.1 MPa下降到507.4 MPa,波動幅度較大,這是因為在第1次加壓后,由于VX鋼圈未恢復原樣使得接觸面積增大,從而導致接觸應力減小。隨著加壓次數的增加,生產接觸應力在逐漸減小,第15次加壓后接觸應力為504.1 MPa。因此,根據接觸應力減小的趨勢,預計在3 000次的0～155.25 MPa循環加壓后,密封面接觸應力將小于判定標準,此時密封將失效。

綜合圖17～18的分析,多次加壓過后,密封面接觸應力在逐漸降低,特別是第1次加壓過后,接觸應力大幅度降低,說明VX鋼圈為一次性易損件,在多次使用后,其密封性能會降低,應注意及時更換。

5 結論

1)通過對水下井口連接器進行實際工況下的仿真模擬,分析了其在預緊和生產工況下VX鋼圈的密封性能,結果表明:兩種工況下,接觸應力在環向分布上存在一定的波動,下表面接觸應力值大于上表面接觸應力值,水下井口連接器密封性能良好。

2)對不同材料VX鋼圈密封性能分析表明,316L不銹鋼更適合作為鋼圈的材料;材料屬性對密封性能的影響主要體現在屈服強度上,屈服強度越小,會導致VX鋼圈接觸應力有下降的趨勢，屈服強度若是過大則會導致有效接觸寬度減小,降低密封性能。

3)在循環內壓作用下,VX鋼圈密封性能會降低,應盡量避免多次使用。