橡胶硬度和动环斜度对单金属密封性能的影响

　　采用ANSYS软件建立单金属密封的分析模型，分析在低压和高压情况下，丁晴橡胶O型圈硬度、橡胶支撑环硬度和动环倾斜面斜度3种关键参数对动静环端面接触应力的影响。结果表明：单金属密封的密封面接触应力在低压工况下由内向外逐渐增大，在高压工况下则呈现出边缘突变、中间平缓的分布状况；O 型圈硬度和橡胶支撑环硬度较小时，动静环接触应力分布越平缓，有利于降低密封端面的磨损，提高密封工作寿命；动环倾斜面斜度越大，密封端面接触应力越小且应力分布越平缓，可有效提高密封性能。

　　随着浅层油气资源的日益减少，油气勘探开发正朝着深部底层和深水海洋地层进行。在深井和超深井环境下，各种井下工具承受着外部高压钻井液的作用，旋转动密封的工作寿命则直接影响着钻井工具的工作寿命。单金属密封作为一种具有耐高温、耐磨损和抗振动性能的旋转动密封，广泛地应用于石油、矿山、航空等领域。1998 年，Baker Huges 公司推出一种应用于牙轮钻头的单金属密封SMES，如图1所示。2003 年，该公司针对SMES 密封进行改进，开发出新一代单金属密封SMES2，如图2 所示。

图1 SEMS单金属密封结构图

图2 SEMS2单金属密封结构图

　　国内外学者对单金属密封进行了大量研究。Xiong 和Richard针对牙轮钻头单金属密封的机制进行了研究。罗纬和何其翔针对SEMS单金属密封进行了实验研究; 张宝生等采用加单侧压差情况下对SEMS单金属密封机制进行了有限元分析; 孙健采用有限元方法对SEMS单金属密封在不同工作压力的应力进行了分析；张宝生等通过有限元分析对SEMS2 单金属浮动密封的结构进行了改进；张毅等人采用有限元对SEMS2 单金属密封在双侧充压情况和不同工作压力下进行了热力学分析；张晓东等对SEMS2 单金属密封进行了总装设计和润滑理论分析。

　　单金属密封的动静环表面接触应力直接影响着单金属密封动静环端面间润滑油膜的形成和端面磨损，如果动静环端面内侧至外侧接触应力变化量很大，则会加剧端面间的磨损，使得单金属密封过早失效。而在双侧充压下，橡胶硬度和动环倾斜面斜度对动静环端面接触应力的影响没有相关人研究报道。针对SEMS2 单金属密封动静环端面内侧至外侧接触应力变化量很大的问题，本文作者分析对端面接触应力影响程度高的3 种关键参数———O型橡胶密封圈硬度、橡胶支撑环硬度和金属动环倾斜面角度，并进行有限元分析模拟。

1、SEMS2 单金属密封有限元模型及关键参数设计

　　1.1、材料模型

　　选取内径为70mm 的SMES2单金属密封，O 型橡胶密封圈和橡胶支撑环材料均为丁晴橡胶。由于橡胶为高度非线性材料，假设橡胶材料具有确定的弹性模量和泊松比；橡胶的拉伸与压缩蠕变性质相同; 蠕变不引起体积变化。选取近似不可压缩弹性材料的Mooney-Rivilin 模型描述超弹性材料在大变形情况下的特性，其表达式为

　　式中：W 为应变能密度；I1和I2为第一、二应变张量不变量；C1和C2为Mooney-Rivilin 模型中的材料参数。

　　1.2、关键参数设计

　　SEMS2 单金属密封主要由静环、动环、O 型橡胶密封圈和橡胶支撑环组成，其结构图如图2 所示。其中：α 为单金属密封动环倾斜面角度。

　　由于动静环界面处的接触应力受到O 型橡胶密封圈和橡胶支撑环硬度以及动环倾斜面角度的影响较大，则选取O 型橡胶密封圈和橡胶支撑环的邵氏硬度值所对应的材料参数值如表1 所示; 同时，单金属密封动环的倾斜面角度α 的变化值分别选取:56°、60°、64°、68°和72°。

表1 不同硬度下橡胶的材料参数

　　1.3、有限元模型和载荷步

　　在有限元软件ANSYS 中建立单金属密封的二维轴对称有限元模型。单金属密封的弹性模量为2.1 ×10⁵MPa，泊松比为0.3；橡胶的材料参数和弹性模量E 按表1选取，泊松比为0.499。模型单元选择plane182 轴对称单元; 橡胶接触对采用罚函数算法，动静环处接触对采用扩展拉格朗日算法。在深井、超深井钻井过程中，井下动力钻具和钻头等井下工具处于不同的井深位置时，外部环空流道的压力是不断变化的，内部润滑油压力和外部环空钻井液压差为0.3 ～0.5 MPa。选取内外部压差为0. 3MPa，边界条件为对支撑座的Y 方向进行约束，载荷步主要为两步，如表2 所示。

表2 SEMS2 单金属密封载荷步

　　第一步为单金属密封装配过程静环沿Y 轴负方向移动，第二步为在装配完成后在O 型橡胶密封圈和动环内表面上施加内部润滑油压力，在橡胶支撑环和动环外表面表面上施加外部环空钻井泥浆压力，载荷施加完成后有限单元模型如图3 所示。

图3 单金属密封加载后有限元模型

2、结论

　　(1) 低压工况下，动静环接触应力由内部润滑油侧至外部环空泥浆侧逐渐增大；高压工况下，动静环处接触应力呈现两边边缘突变、中间平缓的分布情况。

　　(2) O 型圈硬度越小，低压工况下动静环接触应力由内至外先增大、1.3 mm 后减小且接触应力分布状态变化更加平缓，高压工况下动静环接触应力分布越平缓，有利于降低动静环端面磨损。

　　(3) 动静环接触应力和变化幅度在低压和高压工况下均随着支撑环硬度的增大而增大。选用硬度小的橡胶支撑环，能够降低密封端面磨损提高密封工作寿命。

　　(4) 在动环倾斜面斜度增大时，动静环接触应力和变化幅度在低压工况下均相对减小，在高压工况中接触应力在接触区域中部处变化不大而在两端峰值处则相对减小。在不减小动静环接触触长度的情况下，尽量增大动环倾斜面角度，有利于提高密封工作寿命。