带压作业闸板防喷器胶芯失效机理研究*

马卫国，陈　婷，王　炜，吴霁薇，刘少胡，梅雪松，卢　雷

(1.长江大学 机械工程学院，湖北 荆州 434023；2.中石化石油机械股份有限公司 第四机械厂，湖北 荆州 434024)

0　引言

带压作业装置在进行油气井检修、打捞工具等作业时，不放喷、不进行压井作业，这为实现真正意义上的油气层保护提供了可能[1-2]。闸板防喷器是带压作业的核心设备，决定了带压作业的压力等级，其闸板胶芯是关键部件。胶芯的密封性能直接决定了带压作业成功与否[2-7]。

目前，国内油气田使用的带压作业闸板防喷器胶芯主要依靠进口。国内生产的闸板防喷器胶芯的压力等级和寿命与国外同类产品相比具有较大差距，影响了带压作业设备的国产化[3-5]。此外，在国内外研究带压作业闸板防喷器的相关文献中，井筒压力对胶芯疲劳寿命和密封失效影响的研究较少。基于此，以下研究了胶芯疲劳寿命和密封失效的机理。

1　胶芯的本构关系

带压作业防喷器闸板胶芯的密封是组合式密封(如图1所示)，其中，由橡胶基体完成的密封为副密封，由聚乙烯耐磨块完成的密封为主密封。带压作业闸板防喷器胶芯的橡胶基体是1种典型的超弹性材料,其橡胶配方和制作工艺的不同对材料性能有很大的影响。因此,以下通过实验测定橡胶材料的力学性能,得到橡胶基体的应力-应变本构关系,为胶芯有限元仿真分析提供必要的材料数据，如图2所示。

1-闸体；2-橡胶基体；3-耐磨块图1　带压作业闸板防喷器胶芯模型Fig.1　Model of the snubbing rubber core in ram BOP

图2　胶芯的本构实验Fig.2　Experimental pictures of rubber core about constitutive relations

实验采用施加压缩力的金属板经润滑剂润滑的方法，橡胶试样为圆柱体，直径为28.0±0.5 mm，高度为12.5±0.5 mm，试样表面平整、光滑，且上下表面平行。实验时,实验机以10 mm/min的速度压缩试样,直到应变达到25%为止，再以相同速度放松试样。如此反复、连续地压缩和放松试样，共重复4次,记录4次测定的力-变形曲线,对最后的1次结果进行数据处理[8]。通过5个试样测试，确定压缩应力-应变性能。在上述实验的基础上，采用Arrude-Boyce，Mooney-Rivin，Yeoh，Ogden(N=3)和Ogden(N=4)5种常用的橡胶本构模型[9-12]对橡胶试样的应力-应变曲线进行拟合。

由图3可知，在应变相对较小的区域(<0.66)内，5种模型的拟合曲线与实验数据曲线相近；在应变相对较大的区域(>0.66)内，Arrude-Boyce模型和Yeoh模型拟合结果与实验数据曲线相差大；Ogden模型拟合结果与实验数据曲线最相近，表明Ogden模型适用于描述这种橡胶材料的本构关系。

图3　实验数据拟合曲线Fig.3　Fitting curve of experimental data

Ogden模型是基于连续介质力学理论，直接采用主伸长比λ1，λ2，λ3为变量，以级数形式表述应变能密度函数。在有限元软件中应变能的形式如下：

(1)

式中：J为变形体积与未变形体积之比，无量纲；λ1，λ2，λ3为3个方向的主伸长率,无量纲；αi，μi为材料常量；Di表示材料是否可压缩，对于不可压缩材料Di=0；N为多项式的阶数。

对橡胶实验数据进行拟合时，Ogden模型一般取N=3或者N=4，因为高阶的Ogden模型虽然可以提供更精确的解，但由于误差累积，用于有限元计算时会导致收敛困难。本文在拟合曲线时，Ogden(N=3)和Ogden(N=4)2种模型拟合的曲线基本吻合，与实验曲线也吻合。为易于有限元计算收敛，取N=3。

2　防喷器闸板胶芯有限元模型

2.1　材料性能参数设置

以密封64.4 mm管杆的胶芯为例,建立了带压作业防喷器闸板胶芯与管柱的三维接触有限元模型,并对胶芯与管柱之间的非线性接触问题进行有限元分析,研究闸板防喷器胶芯与管柱之间应力的分布规律。

橡胶基体本构模型采用Ogden模型，其材料参数采用上述实验结果。耐磨块材料基本参数[13-14]为：E=600 MPa；μ=0.3；屈服强度δs=60 MPa。管柱设置为解析刚体,闸板壳体设置为离散刚体。模型各接触对之间的摩擦系数[13-15]如表1所示。

表1　模型接触对间的摩擦系数

2.2　网格划分

橡胶基体采用四面体线性C3D4H单元，耐磨块采用六面体减缩单元C3D8R，同时对耐磨块圆弧面进行网格细分；管柱为解析刚体,不需要对其进行网格划分，闸板壳体设置为离散刚体,采用R3D3单元。网格模型如图4所示。

图4　带压作业防喷器闸板网格划分Fig.4　Finite element mesh model of the rubber core

2.3　边界条件

根据带压作业防喷器闸板胶芯的实际工况，将管柱设为全约束，管柱轴线与y轴重合，约束闸板其他方向的自由度，使它只能沿z轴移动。闸板设置2个方向的约束，使它只能在径向上运动，胶芯两端约束x方向。沿z轴方向在2闸板的后平面施加20 MPa关井液压力(活塞直径为150 mm)[7,16]。分别对闸板下表面及胶芯凸出闸板以外区域施加0 MPa，14 MPa，21 MPa，35 MPa等4种不同井筒压力。

3　计算结果分析

3.1　井筒压力对胶芯疲劳寿命的影响

通过对带压作业防喷器闸板胶芯在4种不同井筒压力下的分析，可以得出不同压力下胶芯与钻杆之间的Mises应力和接触应力云图。14 MPa和35 MPa井筒压力下胶芯的Mises应力云图见图5。

图5　胶芯的Mises应力Fig.5　Contours of Mises stress of the rubber core

分析4种不同井筒压力下的Mises云图，得出如下结果：井筒压力为0时，胶芯的Mises应力主要集中在胶芯密封面的上下部棱角区域，上下对称，平均Mises应力约为22 MPa，其中，最大Mises应力(100 MPa)位置在橡胶基体与闸板壳体的上下的4个尖角接触区域；井筒压力为35 MPa时，胶芯的Mises应力主要集中在胶芯密封面的上部棱角区域，平均Mises应力约为30 MPa，其中，最大Mises应力(110 MPa)位置在橡胶基体与闸板壳体的上部的2个尖角接触区域；随着井筒压力的增大，胶芯密封面上靠近闸板壳体下部区域内的Mises应力逐渐变小，胶芯密封面上靠近闸板壳体上部区域内的Mises应力相对增大。

材料疲劳曲线σ-N曲线描述了零件在一定的循环特性r(σmin/σmax)下，疲劳极限(以最大应力σmax表示)与应力循环次数N的关系曲线，其中，σmin是指最小应力。该曲线表明，在一定循环特性r作用下，零件所受的最大应力越大，零件发生破坏的应力循坏次数N越小[13,17]。在带压作业工况下，闸板防喷器需要高频率的开关，胶芯所受载荷特性属于循环载荷，为循环特性r=0的等幅交变应力。所以，σ-N曲线可以用于描述带压作业工况下，胶芯材料的疲劳特性。

根据有限元分析结果可知，在带压作业闸板防喷器胶芯关井状态下，橡胶基体与闸板壳体上下部的4个尖角接触区域应力集中，因受井筒压力的影响，靠近闸板壳体上部区域内的应力集中严重。因此，在1次开关井周期内，闸板壳体上部区域的σmax最大。随着开关井次数增加，橡胶基体与闸板壳体上部的4个尖角接触区域首先发生疲劳性损坏，且橡胶基体密封面上靠近闸板壳体上部区域内的疲劳性损坏最严重。

3.2　井筒压力对胶芯密封失效的影响

通过4种不同井压下的接触应力云图分析，得出如下结果：耐磨块密封面上接触应力分布不均，接触应力集中区域位于耐磨块与橡胶基体接触区域以及靠近耐磨块圆弧面的中间位置；橡胶基体密封面上接触应力分布状态相对均匀，平均接触应力约为45 MPa(见图6)。

图6　胶芯密封面上的接触应力Fig.6　Contours of contact stress of sealing surface of the rubber core

在胶芯的密封面上取2条路径S1和S2,来研究不同井筒压力作用下橡胶基体密封面和耐磨块密封面上的接触应力分布规律。S1取沿Y轴负方向并处在橡胶基体密封面的中线上，S2取沿Y轴负方向并处在耐磨块圆弧密封区域的中线上，如图1所示。提取S1和S2这2种路径上的接触应力值，绘制路径S1和S2在4种井筒压力作用下的接触应力值曲线，如图7和图8所示。

由图7可知，随着井筒压力的增大，产生接触应力的区域沿井压力方向不断上移，接触压力为零的区域不断增大。当井筒压力对闸板防喷器胶芯的冲击较大时，接触应力为零的区域可能会贯穿橡胶基体的整个密封面，导致胶芯的密封失效。

图7　不同井筒压力下S1路径的接触应力曲线Fig.7　Graphs of contact stress of the path S1 in different wellbore pressures

图8　不同井筒压力下S2路径的接触应力曲线Fig.8　Graphs of contact stress of the path S2 in different wellbore pressures

由图8可知，随着井筒压力的增大，产生接触应力的区域并没有明显地沿井压力方向上移，接触压力为零的区域也没有明显增大。

4　失效闸板防喷器的实例分析

图9为重庆某页岩气井带压作业使用过的失效的闸板防喷器胶芯。该胶芯的通径为64.4 mm，压力等级为35 MPa，用于密封井筒压力不大于21 MPa的带压作业环境。

图9　失效的防喷器闸板胶芯Fig.9　Failure charts of the rubber core in snubbing service

从现场使用情况可知，该种类型胶芯的失效形式有2种：疲劳损伤失效和磨损失效，其中，耐磨块的主要失效形式是磨损失效，磨损较严重的位置是耐磨块圆弧面上部区域。橡胶基体的主要失效形式是疲劳失效，失效位置主要集中在橡胶基体密封面与闸板壳体上下部接触区域，其中，橡胶基体在与闸板壳体上下部的4个尖角接触区域均有明显的损伤现象，而且在橡胶基体密封面与闸板壳体上部接触区域的疲劳性损伤严重，橡胶撕裂、掉胶等现象明显，这与有限元仿真分析结果一致。

5　结论

1)对于带压作业的闸板防喷器胶芯，有限元分析结果表明，随着井筒压力的增大，胶芯密封面上靠近闸板壳体下部接触区域内的Mises应力逐渐变小，橡胶基体密封面与闸板壳体上部接触区域疲劳损伤严重，分析结果与现场失效情况相符。建议在橡胶基体与闸板上下部的4个尖角区域补强以增加胶芯寿命。

2)有限元分析显示，井筒压力过大时，闸板防喷器胶芯橡胶基体密封面上接触应力为零的区域将会贯穿整个密封面，这将导致胶芯密封失效。因此，在带压作业时，井筒压力应小于闸板防喷器的额定压力等级。

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