螺纹孔损坏对2FZ35-70闸板防喷器侧门密封性能的影响

俞嘉敏，王小梅，赵琪月，于佩航，郭萌梦，徐 强，李 超

（1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院，四川 广汉 618300；2.四川科特检测技术有限公司，四川 广汉 618300；3.四川宏大安全技术服务有限公司，四川 广汉 618300）

1 研究背景

在石油天然气钻井施工中，为安全钻过高压油、气层并避免发生钻井井喷失控事故，需要在钻井的井口上安装一套钻井井控设备[1]。防喷器的密封性能主要是螺栓组通过预紧扭矩产生螺栓预紧力，使得密封结构之间相互压紧，从而使得密封连接结构产生密封。防喷器的密封性是防喷器正常工作的重要指标，而在使用过程中防喷器结构上产生的各种缺陷，如磨损、腐蚀、螺纹孔损坏等，可能对防喷器密封性能产生不利影响，严重的将会造成井喷事故[2]。因此，研究缺陷对防喷器密封性能的影响是非常必要的。

国内外学者针对闸板防喷器的密封性能开展了相关研究，赵磊等[3]分析了闸板防喷器侧门密封的主要失效方式，主要是由于在高压作用下，侧门容易弯曲变形，侧门螺栓因弹性变形拉上，导致密封接触应力松弛。赵凯来等[4]从旋转动密封的密封机理出发，分析了旋转防喷器密封失效原因，为旋转防喷器旋转动密封的优化设计提供参考。许宏奇[5]针对国内闸板防喷器侧门密封不可靠的问题，提出了侧门变形的简化计算模型和计算方法，设计了2种新型密封结构。肖力彤等[6]对防喷器侧门进行了承载能力分析，考虑了材料的弹塑性特性，分析了侧门密封圈应力应变情况，为防喷器侧门失效原因提供理论基础。祝效华等[7]应用有限元模型分析了连续管作业工况下多种风载对防喷器法兰连接密封性能和螺栓强度的影响。

本文针对双闸板防喷器结构，通过建立防喷器侧门密封三维有限元分析模型，考虑了防喷器运行期间的工作载荷，利用ANSYS软件对侧门密封部位的密封性能进行了分析，获得了不同数目螺纹孔损伤密封部位接触压力的分布特性。研究成果对于保障防喷器的安全运行具有积极意义。

2 侧门密封结构有限元模型

2.1 几何结构及有限元模型

壳体与侧门连接螺纹孔有严重损坏可以等效为连接螺栓不受力，即无螺栓连接的情况，考虑预留的安全裕量，本文通过不同数目螺栓失效的方式来进行有限元仿真计算。

建立了2FZ35-70闸板防喷器侧门密封部位有限元模型，模型中考虑的结构包括侧门、壳体、螺栓、橡胶密封圈。螺栓组通过预紧扭矩产生螺栓预紧力，使得壳体与侧门之间相互压紧，侧门和壳体上环槽随之对橡胶垫圈产生压紧力，从而使得侧门密封连接结构产生密封。模型采用Solid186单元进行网格划分，网格自由度为79.5万。采用接触单元对侧门密封、壳体环槽-橡胶垫圈、侧门-橡胶垫圈、侧门-螺栓等接触区域建立接触关系，同时在螺栓组的横断面上采用螺栓预紧单元建立螺栓预紧力。该有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型

在侧门密封连接结构中，由于油压作用会对侧门产生相对于壳体的拉扯力，为模拟这种拉扯效果，需要对侧门内侧面橡胶圈内区域施加70 MPa（额定工作压力）的压力，压力施加区域如图2所示。

图2 内压施加区域

2.2 材料参数及本构模型

闸板防喷器中侧门与壳体结构的材料本构模型选用线弹性模型；橡胶圈的材质是丁腈橡胶，结构本构模型选取Ogden一阶本构模型。

闸板防喷器中侧门和壳体的材质都为25CrNiMo，材料参数如表1所示。

表1 材料参数

2.3 螺栓预紧力

根据GB/T 22513—2013规定，侧门密封连接结构中的M80螺栓拧紧力矩为21.878 kN·m，由式（1）可求出单个螺栓的预紧力为1 367.38 kN。

式（1）中：P0为预紧力，kN；T为拧紧力矩，kN·m；k为拧紧力矩系数，取0.2；d为螺纹的公称直径，mm。

3 有限元计算结果及分析

3.1 强度分析

不同个数螺纹孔损坏侧门密封连接部位结构及螺栓组等效应力分布如图3、图4所示，当损坏螺纹孔个数为0个和1个时，最大等效应力发生在侧门与螺栓接触的拐角部位，大小分别为569 MPa、554 MPa，侧门结构中超过侧门材料屈服强度（438 MPa）的区域仅为与螺栓孔拐角点状区域如图3（a）和图3（b）所示，这些点状区域材料的屈服不会造成结构的破坏；侧门密封连接部位结构螺栓组结构等效应力分布如图4（a）和图（b）所示，最大等效应力分别为834 MPa、863 MPa，螺栓组中结构中超过螺栓屈服应力（795 MPa）的区域仅为其中一颗螺栓的底部极小区域内，此小区域内的材料屈服不会造成螺栓破坏。

当损坏螺纹孔个数为2个时，最大等效应力发生在侧门与螺栓接触的拐角部位，大小为875 MPa，侧门结构中超过侧门材料屈服强度（438 MPa）的区域为螺栓孔拐角片状区域，如图3（c）所示，侧门超过屈服强度区域较大，侧门有破坏风险；侧门密封连接部位结构螺栓组结构等效应力分布如图4（c）所示，最大等效应力为1 587 MPa，螺栓组中结构中超过螺栓屈服应力（795 MPa）的区域为某些螺栓上的片状区域，这些超过屈服强度的片状区域使得螺栓存在被破坏风险。

图3 不同螺纹孔损坏个数侧门结构的强度分析应力云图

图4 不同螺纹孔损坏个数螺栓结构的强度分析应力云图

3.2 位移分析

无螺纹孔损坏的侧门密封连接结构在70 MPa下的位移分布云图如图5（a）和图6（a）所示，橡胶圈最大位移为1.0 mm；对含1个螺纹孔损坏，侧门密封连接结构在工作工况下的位移分布云图如图5（b）和图6（b）所示，橡胶圈最大位移为1.0 mm。对含2个螺纹孔损坏的侧门密封连接结构在工作工况下的位移分布云图如图5（c）和图6（c）所示，最大位移发生在外壳缺失2个螺栓的一角上最大位移为3.0 mm，橡胶圈最大位移为1.2 mm，此时侧门和壳体已经产生较为明显的移动，无法保证侧门密封连接结构的完整性。

图5 不同螺纹孔损坏个数侧门结构的位移分析应力云图

图6 不同螺纹孔损坏个数侧门结构的垫环处位移分析应力云图

3.3 接触压力分析

对含0个、1个、2个连接螺纹孔损坏的侧门密封有限元模型进行非线性求解，计算了橡胶圈与侧门之间的接触压力，如图7所示，接触区域最大接触压力分别2.24 MPa、2.17 MPa和1.71 MPa，接触区域平均接触压力分别为0.32 MPa、0.28 MPa和0.1 MPa。橡胶圈与壳体之间的接触压力分布如图8所示，接触区域最大接触压力为2.31 MPa、2.22 MPa和1.73 MPa，接触区域平均接触压力为0.41 MPa、0.36 MPa和0.14 MPa。

图7 不同螺纹孔损坏个数侧门结构橡胶圈与侧门之间的接触压力分布云图

图8 不同螺纹孔损坏个数侧门结构橡胶圈与壳体之间的接触压力分布云图

如图9所示，当损伤螺孔数目为1个时，橡胶圈与侧门之间的平均接触压力较无缺陷的情况略微下降12.5%，当损伤螺纹孔数目达到2个时，最大接触压力才比无缺陷的情况更低，相比于无缺陷情况下降幅度达67.7%，整体平均接触压力随着损伤螺纹孔数目的增加呈下降趋势。如图10所示，随着结构螺纹孔损坏的数目增加，橡胶圈与壳体之间的平均接触压力下降趋势与橡胶圈与侧门之间的平均接触压力趋势类似，当损伤螺孔数目为1个时，橡胶圈与壳体之间的平均接触压力较无缺陷的情况略微下降12.1%，当损伤螺纹孔数目达到2个时，相比于无缺陷情况下降幅度达65.8%。综上所述，当有2个螺纹孔损坏时，壳体侧门连接结构中橡胶圈与壳体和侧门一侧接触压力下降明显，且在失效螺栓一侧存在较大区域橡胶接触压力明显低于平均接触压力，将会导致结构密封失效。

图9 橡胶圈与侧门之间的平均接触压力

图10 橡胶圈与壳体之间的平均接触压力

4 结论

综合侧门、螺栓等效应力及橡胶圈接触压力分析结果，可以认为2FZ35-70闸板防喷器侧门密封存在2个连接螺纹孔损坏时，螺栓组和侧门有破坏风险，而且侧门密封连接结构密封性能不再满足使用要求；考虑防喷器使用安全性，建议当出现1个连接螺纹孔损坏时就进行维修。