材料及循环内压对VX钢圈密封性能的影响

孟文波 黄 熠 刘书杰 刘和兴 李 磊 黄 亮 唐咸弟

1. 中海石油(中国)有限公司湛江分公司, 广东 湛江 524000;2. 中海油能源发展股份有限公司工程技术深水钻采技术公司, 广东 湛江 524000

0 前言

水下生产设施的国产化是中国深海油气勘探开发的重大战略之一,而水下井口连接器作为水下生产系统中关键的连接设备[1-4]研究意义重大。VX密封圈作为关键密封件,既要承受水下井口连接器内部高温高压的流体,又要承受工作水深的压力,因此,其密封性能的设计要求较高[5-8]。

国内外学者已针对水下井口连接器进行了多方面的研究工作。Teodoriu C等人[9]分析了API标准连接器VX钢圈的密封性能,并通过实验进行了验证。罗晓兰等人[10]通过对预紧和生产工况下的VX钢圈进行受力分析,得到了最大和最小预留轴向密封间隙计算公式。程子云等人[11]通过三维有限元分析了水下井口连接器在多种工况下的连接性能。陈晓芳等人[12]建立了预紧和生产工况下的VX钢圈接触应力的理论模型,并通过有限元进行了验证。王立权等人[13]建立了金属密封接触理论模型,使用有限元分析了金属密封圈的密封性能。唐洋等人[14]对现有水下生产系统各类连接器及其关键技术进行分析,为实现水下井口连接器的国产化提供了建议和发展方向。曾威等人[15]认为使用密封接触强度作为金属对金属密封性能的评价标准更准确。

国内外学者对水下井口连接器的研究工作取得了许多成果,但研究还不够完善,具体表现在:大多数学者都是通过二维轴对称模型进行研究,不能真实反映水下井口连接器的密封性能;缺少密封圈材料属性和循环内压对其密封性能的影响研究。针对以上的不足,通过ABAQUS软件建立水下井口连接器有限元三维模型,分析其在预紧和生产工况下的VX钢圈密封性能,研究VX密封圈材料属性和循环内压对密封性能的影响,以期为水下井口连接器的国产化提供理论依据。

1 水下井口连接器工作原理

水下井口连接器作为连接水下高压井口与水下采油树、防止井内高温高压流体泄漏的关键设备,面临极其恶劣的受载,其密封性能要求较高。水下井口连接器结构见图1。

图1 水下井口连接器结构示意图Fig.1 Structural diagram of subsea wellhead connector

预紧时,通过锁紧液压使驱动环产生微量的向下位移,通过驱动环的斜面挤压锁块,使其与水下高压井口的啮合面啮合,实现锁紧。解锁时,在液压作用下驱动环向上运动,释放锁块,通过锁块之间的弹簧片使锁块与水下高压井口的啮合面分离,实现解锁[16]。

2 水下井口连接器有限元分析

2.1 有限元三维模型的建立

因建立水下井口连接器—水下井口系统的二维轴对称模型不能准确得出力学分析结果,因此，首先通过Pro/E软件建立三维模型,再导入ABAQUS软件建立三维有限元模型。建模时忽略次要部件,将连接器计算模型简化为连接器本体、VX钢圈、锁块、驱动环和水下井口组成的集合[17],简化模型见图2。

图2 水下井口连接器简化模型图Fig.2 Simplified model of subsea wellhead connector

水下井口连接器有限元三维模型截面见图3,对于存在接触的表面,例如VX钢圈的上、下表面与水下井口和连接器本体，锁块与水下井口，驱动环与锁块，锁块与连接器本体接触的表面使用边界种子来精细化网格,提高分析精度[18]。

图3 水下井口连接器有限元模型图Fig.3 Finite element model of subsea wellhead connector

2.2 材料属性

VX钢圈的材料为316L不锈钢,连接器本体、驱动环和水下井口的材料为4145合金钢,锁块的材料为8630合金钢,各材料的物理性能参数见表1。

表1 各材料物理性能参数表

2.3 载荷与边界条件

预紧工况下,模型边界条件设定为水下井口底面固定,对驱动环施加轴向位移模拟安装预紧过程。

生产工况下,模型边界条件同预紧工况,内部再施加0～155.25 MPa(工作内压为103.5 MPa,此处取1.5倍工作内压即155.25 MPa内压)压强模拟不同内压。

两种工况的分析中,在锁块与驱动环、锁块与水下井口、VX钢圈与连接器本体以及水下井口均设置了接触对,采用罚函数摩擦公式,取钢与钢接触时的摩擦因数0.15[19]。

3 结果分析

3.1 预紧工况下密封性能分析

VX钢圈在预紧工况下的接触应力云图见图4。

图4 预紧工况下VX钢圈接触应力云图Fig.4 Contact stress cloud diagram of VX gasketunder preloaded condition

由图4 可知,下表面最大接触应力为361.7 MPa,发生在密封圈下表面与水下井口的接触部位,上表面最大接触应力为342.8 MPa,发生在密封圈上表面与连接器本体的接触部位,二者均大于密封比压[20]179.3 MPa,密封面接触应力满足密封要求。

VX钢圈上、下表面接触部位局部放大图见图5～6。由图5～6可看到,VX钢圈接触表面的接触应力在环向上的分布并不是均匀的,上表面接触应力分布基本呈规则的环状带,下表面接触应力分布存在着一定的波动。

图5 预紧工况下VX钢圈上表面接触应力局部放大图Fig.5 Magnified view of local contact stress on upper surfaceof gasket under preloaded condition

图6 预紧工况下VX钢圈下表面接触应力局部放大图Fig.6 Magnified view of local contact stress on lowersurface of gasket under preloaded condition

提取VX钢圈上、下表面接触中心部位的环向接触应力分布结果,见图7。VX钢圈上表面接触应力的波动幅度较小,基本稳定在340 MPa左右；而下表面接触应力波动幅度较大,最小值为344.8 MPa,最大值为361.7 MPa,波动幅值为16.9 MPa。因此，下表面的接触应力均大于上表面接触应力,这是由于VX钢圈下部受到水下井口的挤压作用,从而使得接触应力增加。

图7 预紧工况下VX钢圈接触应力环向分布图Fig.7 Circumferential distribution of VX gasket contactstress under preloaded condition

预紧时接触应力沿VX钢圈密封表面的分布曲线见图8～9。由图8～9可看出,上、下密封面在轴向上的接触应力分布规律一致,并且上密封面有效接触宽度为4.8 mm,下密封面有效接触宽度为5 mm,均超过了最小值1.6 mm,接触宽度满足密封要求。

图8 预紧工况下上密封面接触宽度图Fig.8 Contact width of upper sealing surface underpreloaded condition

图9 预紧工况下下密封面接触宽度图Fig.9 Contact width of lower sealing surface underpreloaded condition

3.2 生产工况下密封性能分析

VX钢圈表面发生塑性变形是形成有效密封的基础,对于生产工况,还需要接触面的接触应力超过3倍介质压力,即接触应力大于465.75 MPa(3×155.25 MPa)。生产工况下VX钢圈接触应力云图见图10,最大接触应力为519.1 MPa,发生在VX钢圈下表面与水下井口的接触部位,VX钢圈上表面最大接触应力为504.8 MPa,发生在VX钢圈上表面与水下井口连接器本体的接触部位,二者均大于密封判定标准 465.75 MPa,密封面接触应力满足密封要求。

图10 生产工况下VX钢圈接触应力云图Fig.10 Contact stress cloud diagram of VX gasketunder working conditions

VX钢圈上、下表面接触部位局部放大图见图11～12。由图11～12可看到,生产工况下VX钢圈接触表面的接触应力在环向上的分布虽不均匀,但上、下密封面接触应力值基本呈规则的环状带,波动较小。

图11 生产工况下VX钢圈上表面接触应力局部放大图Fig.11 Magnified view of contact stress on uppersurface of VX gasket under working conditions

图12 生产工况下VX钢圈下表面接触应力局部放大图Fig.12 Magnified view of contact stress on lowersurface of VX gasket under working conditions

生产工况下VX钢圈接触应力环向分布见图13。由图13可看出,上、下接触表面的波动幅度都较小,上表面接触应力基本稳定在495 MPa左右,下表面接触应力基本稳定在515 MPa左右。同时,上表面的整体接触应力依然小于下表面的整体接触应力,这主要是因为VX钢圈在内部压力逐渐增大的过程中发生了翘曲变形。

图13 生产工况下VX钢圈接触应力环向分布图Fig.13 Circumferential contact stress distribution ofVX gasket under working condition

生产时接触应力沿上、下密封表面的分布曲线见图14～15。

图14 生产工况下上密封面接触宽度图Fig.14 Contact width of upper sealing surface underworking condition

图15 生产工况下下密封面接触宽度图Fig.15 Contact width of lower sealing surface underworking condition

由图14～15可看出,生产工况下VX钢圈上、下密封面在轴向上的接触应力分布规律一致,并且上密封面的有效接触宽度为1.9 mm,下密封面有效接触宽度为2.3 mm,均超过了最小值1.6 mm,接触宽度满足密封要求。

4 敏感性分析

4.1 材料属性对密封性能的影响

为探究材料属性对水下井口连接器密封性能的影响,通过添加真实应力应变数据,分析了304不锈钢、316L不锈钢和Inconel625合金钢3种材料在内压155.25 MPa时的接触应力分布规律,见图16。

由图16可知,304不锈钢的最大接触应力为423.3 MPa,小于3倍介质压力465.75 MPa,因此可能会产生泄漏,不满足密封要求。Inconel625合金钢的下表面最大接触应力为555.2 MPa,上表面最大接触应力为512.7 MPa,均超过了3倍介质压力465.75 MPa,接触应力满足密封要求。但Inconel625合金钢上表面有效接触宽度较小,接触应力超过介质压力465.75 MPa的部分仅有1.4 mm,不满足最低密封宽度要求。

a)304不锈钢材料a)304 stainless steel

对于316L不锈钢,从3.2节的分析可知,在预紧和生产工况下其密封性能良好。因此综合考虑以上因素,采用316L不锈钢作为VX钢圈的材料更能保证密封性能。

材料属性对密封性能的影响主要体现在屈服强度上,屈服强度越小,在相同内压的作用下,就越容易发生塑性变形,导致VX钢圈的接触应力有下降的趋势。屈服强度若是过大则会导致发生的塑性变形不够,使有效接触宽度减小,降低密封性能。

4.2 循环内压对密封性能的影响

生产工况下,水下井口连接器的内部主要受到循环内压的作用,即内部介质在0～155.25 MPa循环加压。为研究循环内压对水下井口连接器密封性能的影响,对水下井口连接器内部连续施加了15次的0～155.25 MPa 循环内压载荷。循环加压前后下表面的最大接触应力的变化曲线见图17～18。

图17 循环加压前预紧接触应力变化曲线图Fig.17 Variation curve of preloaded contact stressbefore cyclic compression

图18 循环加压后生产接触应力变化曲线图Fig.18 Variation curve of preloaded contact stressafter cyclic compression

由图17可以看出,在第1次加压后预紧接触应力由361.7 MPa下降到352.8 MPa,波动幅度较大,这是因为在第1次加压后,VX钢圈已经发生了塑性变形,泄压后,VX钢圈并未恢复原样,导致下表面形成应力重分布,接触面积较预紧时有所增加,接触应力变小。随着加压次数的增加,预紧接触应力逐渐减小,且趋势较为缓慢,在第9次加压后,预紧接触应力稳定在346.2 MPa。

由图18可看出,在第1次加压后生产接触应力由519.1 MPa下降到507.4 MPa,波动幅度较大,这是因为在第1次加压后,由于VX钢圈未恢复原样使得接触面积增大,从而导致接触应力减小。随着加压次数的增加,生产接触应力在逐渐减小,第15次加压后接触应力为504.1 MPa。因此,根据接触应力减小的趋势,预计在3 000次的0～155.25 MPa循环加压后,密封面接触应力将小于判定标准,此时密封将失效。

综合图17～18的分析,多次加压过后,密封面接触应力在逐渐降低,特别是第1次加压过后,接触应力大幅度降低,说明VX钢圈为一次性易损件,在多次使用后,其密封性能会降低,应注意及时更换。

5 结论

1)通过对水下井口连接器进行实际工况下的仿真模拟,分析了其在预紧和生产工况下VX钢圈的密封性能,结果表明:两种工况下,接触应力在环向分布上存在一定的波动,下表面接触应力值大于上表面接触应力值,水下井口连接器密封性能良好。

2)对不同材料VX钢圈密封性能分析表明,316L不锈钢更适合作为钢圈的材料;材料属性对密封性能的影响主要体现在屈服强度上,屈服强度越小,会导致VX钢圈接触应力有下降的趋势，屈服强度若是过大则会导致有效接触宽度减小,降低密封性能。

3)在循环内压作用下,VX钢圈密封性能会降低,应尽量避免多次使用。