闸板防喷器胶芯密封及损坏机理分析
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图１ 闸板防喷器胶芯与钻杆的接触网格模型
２．３边界条件 根据闸板防喷器实际工况，将钻杆设为全约束，
闸板设置两个方向的约束，使它只能在径向｝运动， 胶芯两端约束ｚ方向。沿径向在闸板的两后平面 施加井压助封，并同时施加１５ ＭＰａ关井液压力（活 塞直径０１５０ ｒａｍ）的载荷。由于关井时井内压力的 不同，分别取１０、３０、５０、７０ ＭＰａ ４种不同压力施加 到闸板的下表面以及胶芯凸出闸板以外的区域。 ３计算结果分析
起和橡胶根部这条不连续接触应力极值线周边，沿
通过大量现场的调研，发现９０％以上胶芯损坏
该线在胶芯圆弧区域呈小块状分布，并在靠近圆弧
都出现在胶芯唇部的圆弧面处，且比平面部分损伤
两端角部位出现最大应力集中值；胶芯平面上的接
严重，圆弧面与平面之间交汇处的尖角部分损伤也
触应力状态要比圆弧面好。
很严重，出现ｒ掉胶、撕裂等情况；当胶芯密封面掉
防喷器是发生井涌或井喷时起密封或封井作用 的关键设备，其封井原理就足靠胶芯唇部橡胶与钻 杆之间的接触密封压力来实现，因此，井口防喷器，
尤其是高压防喷器，其密封性能就显得特别重要。 防喷器胶芯在工作过程中，由于工作条件十分恶劣， 胶芯很容易发生冲击损坏、与钻杆之间接触区磨损、
收稿日期：２００９－０８—０７ 基金项目：中石化先导性研究项目“钻柱连续循环系统技术研究”（Ｐ０７０４４）｝西南石油大学科技基金（２００７ｘＪＺ０９０） 作者简介：王锡洲（１９７０一），男，山东青岛人，高级工程师，博上研究生，１９９４年毕业于西南石油学院钻井工程专业，目前从
２０１０年第３９卷 第２期第１ ６页
石油矿场机械 Ｏｉｌ．ＦＩＥＬＤ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ
文章编号：１００１－３４８２（２０１０）０２一００１６－０３
２０１０．３９（２）：１ ６～１８
闸板防喷器胶芯密封及损坏机理分析
王锡洲１’２， 付玉坤１，朱海燕３，韩传军
（１．西南白．油大学，成都６１０５００；２．中国７了油化Ｔ股份有限公司科技开发部，北京１００７２８； ３．汀汉石油钻头股份有限公司，武汉４３０２２３）
通过对胶芯在４种不同井内压力下的分析，可 以得出不同压力下胶芯与钻杆之间的接触应力云 图。图２～３分别为１０ ＭＰａ和５０ ＭＰａ井压下胶芯 的接触应力云图。
２闸板防喷器有限元模型
２．１材料性能参数 采用Ｙｅｏｈ模型来模拟胶芯材料，其本构模型
系数选取６０℃下的材料常数：Ｃｌｏ一２．５３９ ８ ＭＰａ，
摘要：以闸板防喷器胶芯为研究对象，通过试验确定了胶芯的本构关系，建立了闸板防喷器胶芯与
钻杆的三维简化模型，对胶芯与钻杆进行了接触分析。研究了４种不同冲击载荷作用下胶芯与钻
杆之间的接触应力分布规律，结果表明，在胶芯与钻杆的接触面上出现了一个长条形的应力集中
区，对密封起主要作用；冲击压力的不断增加，使得胶芯与钻杆之间的接触面积不断减小是导致胶
线上。
分出现应力集中；随着井内压力的不断增大，圆弧面
通过对Ｓ，和Ｓ。２种路径上不同接触应力值的
上的接触压力区域逐渐减小，应力集中现象越来越
读取，分别绘制出了２种路径４种不同载荷作用下
明显，导致密封失效，这与现场胶芯失效情况是非常
的曲线，如图４～５。
吻合的。
２０
鸯 １５
－、Ｒ ＩＯ
基ｓ
辎 Ｏ
－５
路径距离／呻
［Ｊ］．石油学报，１９９４，５（３）：１０３－１１０． ［３］王志远，赵胜英，赵利，等．防喷器领域的最新进展
［Ｊ］．石油机械，２００５，３３（３）：７１－７２． ［４］署恒木，罗文丽．自封式封井器胶ｊ芑：大变形分析ＦＪ］．
石油大学学报，１９９７，２１（３）：６８－７２． ［５］李晓芳，杨晓翔．橡胶材料的超弹性本构模型［Ｊ］．弹
性体，２００５，１５（１）：５０—５８． ［６］韩传军，张 茂，陈珂，等．水龙头耐高压盘根密封
及接触压力分析［Ｊ］．石油矿场机械，２００７，３６（９）：５８－
６０．
［７］ 陈丽霞，刘清友，单代伟，等．防喷器控制系统故障树 的建立与定性分析［Ｊ］．石油矿场机械，２００８，３７（１０）：
表１ ３０℃和６０℃下橡胶材料的Ｙｅｏｈ模型材料常数
Ｃ２０一一１．８１６１ ＭＰａ，Ｃ３０—１．２４６ ０ ＭＰａ，硬度Ｈ。 一７０；钻杆设为解析刚体，闸板设为离散刚体。胶芯 与胶芯之问的摩擦因数为０．５，胶芯与闸板、钻杆之 间的摩擦因数定为０．２５。 ２．２ 网格划分
对胶芯采用六面体减缩积分Ｃ３Ｄ１０Ｍ单元进 行网格划分，并在胶芯唇部进行网格细分，共划分 ７０ ３３０个单元；将闸板定义为离散刚体，对其采用 Ｒ３Ｄ３单元进行划分，总共划分了５ ０２０个单元；将钻 杆没置为解析刚体，不需要对其进行网格划分。划 分的网格模型如图１。
ｂ） 在胶芯唇部取２条不同的路径Ｓ。、Ｓ：来研 胶到一定程度或者撕裂，使上、下密封面贯通，胶芯
究不同载荷作用下胶芯不同位置上的接触应力分布
即会失去密封能力而失效。
规律，Ｓ，取沿闸板厚度方向并处在平面接触区的中
有限元分析显示，在胶芯圆弧面的局部接触应
线上，Ｓ。取沿闸板厚度方向并处在圆弧接触区的中
力极值要大于唇部平面处，圆弧面与平面的尖角部
图４的曲线反映的是胶芯唇部平面部分的接触 压力变化情况，可以看出，随着井压不断增大，接触 压力产生区域沿冲击力方向不断上移，同时接触压
参考文献： ［１３伍开松，林 军．闸板防喷器主要结构参数的优化设
计［Ｊ］．机械设计，１９９５（１１）：４８—４９． ［２］崔 岚．闸板防喷器管子闸板胶芯的失效机理分析
选取６０℃下的橡胶试验数据，通过有限元分析 软件拟合双轴和平面下的相对应力一应变曲线，将该 温度下橡胶材料的应力一应变数据代入有限元分析 软件进行拟合，得出Ｍｏｏｎｅｙ－Ｒｉｖｌｉｎ ９常数——Ｃ，。、 Ｃｏ。、Ｃ２０、Ｃ。，、Ｃｏ。、Ｃ３。、Ｃ２，、Ｃ，：、Ｃ…但是其中Ｃｏ·、 Ｃ¨、Ｃｏ。、Ｃ。，、Ｃ。：、Ｃｏ。的值均为零，表明这种橡胶材 料适用Ｙｅｏｈ模刑［５－６］，可得到在３０℃和６０℃度下 的Ｙｅｏｈ模型橡胶材料常数，如表１。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ Ｃａｒｒｙｉｎｇ ｏｕｔ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｒｕｂｂｅｒ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｐｒｅｓ— ｓｕｒｅｓ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｕｂｂｅｒ ｃｏｒｅ。ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌ ｂｅ— ｔｗｅｅｎ ｒｕｂｂｅｒ ｃｏｒｅ ａｎｄ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｐｉｐｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｏｍ ＢＯＰ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｃｏｎｔａｃｔ ａ— ｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｍａｄｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｔｒｅｓｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｒｕｂｂｅｒ ｃｏｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｐｉｐｅ ｉｎ ｆｏｕｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｏａｄｉｎｇｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ａ ｌｏｎｇ ｓｔｒｉｐ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｚｏｎｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｕｒｆａｃｅ ｗｈｉｃｈ ｐｌａｙｅｄ ａ．ｍａｊｏｒ ｒｏｌｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅａｌ；ｔｈｅ ｒｅａ～ ｓｏｎ ｂｙ ｔｈｅ ｅｖｅｒ－ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｉｍｐａｃｔ ｆｏｒ ｓｅａｌｅｄ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｒｕｂｂｅｒ ｃｏｒｅ ｗａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔａｃｔ ａｒｅａ。ａｎｄ ｗｈｅｎ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｉｌｆｉｅｌｄ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｒｕｂｂｅｒ ｃｏｒｅ ｗａｓ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｒｕｂｂｅｒ ｃｏｒｅ，ｗｈｉｃｈ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒｕｂｂｅｒ ｃｏｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒａｍ ＢＯＰ；ｒｕｂｂｅｒ ｃｏｒｅ；ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ；ｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒ；ｃｏｎｔａｃｔ ｓｔｒｅｓｓ
事石油装备现代没计及仿真技术方面的研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｘｚｈ＠ｓｉｎｏｐｅｃ．ｃｏｍ．ｃａ。
万方数据
第３９卷第２期
乇锡洲．等：闸板防喷器胶芯镪封及损坏机理分析
。１７’
滑伤、变形过度等形式的失效［１。４］。本文以密封 口１１４．３ ｒａｍ（４％英寸）钻杆为例。建立了闸板防喷器 胶芯与钻杆的三维接触有限元模型，并对胶芯与钻 杆之间的非线性接触问题进行了有限元分析，寻找 闸板防喷器胶芯与钻杆之间接触应力的分布规律， 为闸板防喷器胶芯的设计和优化提供理论参考。
（１．Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１０５００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｉｃｉｎｃｅａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｉｎｏｐｅｃ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １００７２８，Ｃｈｉｎａ；３．Ｋｉｎｇｄｒｅａｍ Ｐｕｂｌｉｃ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｗｕｈａｎ ４３０２２３，Ｃｈｉｎａ）
芯密封失效的原因，并将该分析结果与油田现场胶芯密封钻杆的实际情况进行了比较，发现胶芯损
坏的部位均处于胶芯接触应力集中处。
关键词：闸板防喷器；胶芯；三维；非线性；接触应力
中图分类号：ＴＥ９２１．５
文献标识码：Ａ
Ｃｏｎｔａｃｔ Ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ Ｄａｍａｇｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｒｕｂｂｅｒ Ｃｏｒｅ ｉｎ Ｒａｍ ＢＯＰ ＷＡＮＧ Ｘｉ—ｚｈｏｕｌ”，ＦＵ Ｙｕ－ｋｕｎｌ，ＺＨＵ Ｈａｌ—ｙａｎ３，ＨＡＮ Ｃｈｕａｎ—ｊｕｎｌ
１胶芯的本构关系
胶芯是一种典型的超弹性材料，其橡胶配方的 不同对材料性能有相当大的影响，因此，必须通过试 验测定橡胶材料的力学性能，主要是应力一应变性能 的测定，为胶芯的有限元仿真分析提供必要的材料 参数。本次试验采用施加压缩力的金属板经润滑剂 润滑的方法，采用某井控公司提供的橡胶试件为试 验件（试样直径为０２９．０ ｍｍ±０．５ ｍｍ，高度为 １２．５ ｍｍ±０．５ ｍｍ的圆柱体，试样表面应平整、光 滑，且上下表面平行）来进行试验。试验时，将试验 件固定在热一机综合疲劳试验机上、下夹头之间的油 池中，通过控制调功器调节加温器的加温温度来控 制油池中的试验件的温度；通过控制加压、卸压泵改 变热一机综合疲劳试验机的上、下夹头位移来控制对 试验件施加的载荷，载荷变化时，读出试验件变形 量，获取应力一应变关系及橡胶的压缩模量、杨氏模 量等数值。
图３ ５０ ＭＰａ下的胶芯接触应力
虽然平均接触应力要小于胶芯平面的平均接触应 力，但接触应力极值要大于胶芯平面接触应力极值。
通过对４种不同压力下的接触应力云图进行分 析，可以得出如下结果：
因此，随着井内压力的不断增大，圆弧面会因局部接 触应力过大而首先发生密封失效。
ａ） 在胶芯与钻杆的接触面产生了一条ｚ方向４ 结论 上的应力集中区，该应力集中区分布在唇部平面凸
＋１０船ａ 一３０Ⅷ）ａ
－－０－－５０船ａ
—，卜７０姗）ａ
图４不同压力下Ｓ－路径的接触应力曲线
６０ｒ
５０｝
重４０｝
＋１０Ⅷ）ａ ＋３０Ⅷ）ａ
。么。．△撼霉东罴五 －Ｒ、３０｝
墨２０｝
／Ａ ｋ
＋５０Ⅷ）ａ
…一７０Ⅷ）ａ
暴１０｝ 。么：：盖撼霉东罴聂：＝：＝
ＯＬｌ’
９
．１８
２７
３６
４５
５４
路径距离／ｍ
图５不同压力下Ｓｚ路径的接触应力曲线
万方数据
图２ ｌＯ ＭＰ。下的胶芯接触应力
石油矿场机械
２０１０年２月
力为零的区域也在不断增大，司知，当井压增加到某
个值时，接触压力为零区域将达到整个接触区域，当
ຫໍສະໝຸດ Baidu
该区域厚度大于闸板胶芯厚度时，将导致胶芯密封 失效。
图５的曲线反映的是胶芯唇部圆弧面部分的接
触压力变化情况，其变化规律与图４曲线比较相似，
２．３边界条件 根据闸板防喷器实际工况，将钻杆设为全约束，
闸板设置两个方向的约束，使它只能在径向｝运动， 胶芯两端约束ｚ方向。沿径向在闸板的两后平面 施加井压助封，并同时施加１５ ＭＰａ关井液压力（活 塞直径０１５０ ｒａｍ）的载荷。由于关井时井内压力的 不同，分别取１０、３０、５０、７０ ＭＰａ ４种不同压力施加 到闸板的下表面以及胶芯凸出闸板以外的区域。 ３计算结果分析
起和橡胶根部这条不连续接触应力极值线周边，沿
通过大量现场的调研，发现９０％以上胶芯损坏
该线在胶芯圆弧区域呈小块状分布，并在靠近圆弧
都出现在胶芯唇部的圆弧面处，且比平面部分损伤
两端角部位出现最大应力集中值；胶芯平面上的接
严重，圆弧面与平面之间交汇处的尖角部分损伤也
触应力状态要比圆弧面好。
很严重，出现ｒ掉胶、撕裂等情况；当胶芯密封面掉
防喷器是发生井涌或井喷时起密封或封井作用 的关键设备，其封井原理就足靠胶芯唇部橡胶与钻 杆之间的接触密封压力来实现，因此，井口防喷器，
尤其是高压防喷器，其密封性能就显得特别重要。 防喷器胶芯在工作过程中，由于工作条件十分恶劣， 胶芯很容易发生冲击损坏、与钻杆之间接触区磨损、
收稿日期：２００９－０８—０７ 基金项目：中石化先导性研究项目“钻柱连续循环系统技术研究”（Ｐ０７０４４）｝西南石油大学科技基金（２００７ｘＪＺ０９０） 作者简介：王锡洲（１９７０一），男，山东青岛人，高级工程师，博上研究生，１９９４年毕业于西南石油学院钻井工程专业，目前从
２０１０年第３９卷 第２期第１ ６页
石油矿场机械 Ｏｉｌ．ＦＩＥＬＤ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ
文章编号：１００１－３４８２（２０１０）０２一００１６－０３
２０１０．３９（２）：１ ６～１８
闸板防喷器胶芯密封及损坏机理分析
王锡洲１’２， 付玉坤１，朱海燕３，韩传军
（１．西南白．油大学，成都６１０５００；２．中国７了油化Ｔ股份有限公司科技开发部，北京１００７２８； ３．汀汉石油钻头股份有限公司，武汉４３０２２３）
通过对胶芯在４种不同井内压力下的分析，可 以得出不同压力下胶芯与钻杆之间的接触应力云 图。图２～３分别为１０ ＭＰａ和５０ ＭＰａ井压下胶芯 的接触应力云图。
２闸板防喷器有限元模型
２．１材料性能参数 采用Ｙｅｏｈ模型来模拟胶芯材料，其本构模型
系数选取６０℃下的材料常数：Ｃｌｏ一２．５３９ ８ ＭＰａ，
摘要：以闸板防喷器胶芯为研究对象，通过试验确定了胶芯的本构关系，建立了闸板防喷器胶芯与
钻杆的三维简化模型，对胶芯与钻杆进行了接触分析。研究了４种不同冲击载荷作用下胶芯与钻
杆之间的接触应力分布规律，结果表明，在胶芯与钻杆的接触面上出现了一个长条形的应力集中
区，对密封起主要作用；冲击压力的不断增加，使得胶芯与钻杆之间的接触面积不断减小是导致胶
线上。
分出现应力集中；随着井内压力的不断增大，圆弧面
通过对Ｓ，和Ｓ。２种路径上不同接触应力值的
上的接触压力区域逐渐减小，应力集中现象越来越
读取，分别绘制出了２种路径４种不同载荷作用下
明显，导致密封失效，这与现场胶芯失效情况是非常
的曲线，如图４～５。
吻合的。
２０
鸯 １５
－、Ｒ ＩＯ
基ｓ
辎 Ｏ
－５
路径距离／呻
［Ｊ］．石油学报，１９９４，５（３）：１０３－１１０． ［３］王志远，赵胜英，赵利，等．防喷器领域的最新进展
［Ｊ］．石油机械，２００５，３３（３）：７１－７２． ［４］署恒木，罗文丽．自封式封井器胶ｊ芑：大变形分析ＦＪ］．
石油大学学报，１９９７，２１（３）：６８－７２． ［５］李晓芳，杨晓翔．橡胶材料的超弹性本构模型［Ｊ］．弹
性体，２００５，１５（１）：５０—５８． ［６］韩传军，张 茂，陈珂，等．水龙头耐高压盘根密封
及接触压力分析［Ｊ］．石油矿场机械，２００７，３６（９）：５８－
６０．
［７］ 陈丽霞，刘清友，单代伟，等．防喷器控制系统故障树 的建立与定性分析［Ｊ］．石油矿场机械，２００８，３７（１０）：
表１ ３０℃和６０℃下橡胶材料的Ｙｅｏｈ模型材料常数
Ｃ２０一一１．８１６１ ＭＰａ，Ｃ３０—１．２４６ ０ ＭＰａ，硬度Ｈ。 一７０；钻杆设为解析刚体，闸板设为离散刚体。胶芯 与胶芯之问的摩擦因数为０．５，胶芯与闸板、钻杆之 间的摩擦因数定为０．２５。 ２．２ 网格划分
对胶芯采用六面体减缩积分Ｃ３Ｄ１０Ｍ单元进 行网格划分，并在胶芯唇部进行网格细分，共划分 ７０ ３３０个单元；将闸板定义为离散刚体，对其采用 Ｒ３Ｄ３单元进行划分，总共划分了５ ０２０个单元；将钻 杆没置为解析刚体，不需要对其进行网格划分。划 分的网格模型如图１。
ｂ） 在胶芯唇部取２条不同的路径Ｓ。、Ｓ：来研 胶到一定程度或者撕裂，使上、下密封面贯通，胶芯
究不同载荷作用下胶芯不同位置上的接触应力分布
即会失去密封能力而失效。
规律，Ｓ，取沿闸板厚度方向并处在平面接触区的中
有限元分析显示，在胶芯圆弧面的局部接触应
线上，Ｓ。取沿闸板厚度方向并处在圆弧接触区的中
力极值要大于唇部平面处，圆弧面与平面的尖角部
图４的曲线反映的是胶芯唇部平面部分的接触 压力变化情况，可以看出，随着井压不断增大，接触 压力产生区域沿冲击力方向不断上移，同时接触压
参考文献： ［１３伍开松，林 军．闸板防喷器主要结构参数的优化设
计［Ｊ］．机械设计，１９９５（１１）：４８—４９． ［２］崔 岚．闸板防喷器管子闸板胶芯的失效机理分析
选取６０℃下的橡胶试验数据，通过有限元分析 软件拟合双轴和平面下的相对应力一应变曲线，将该 温度下橡胶材料的应力一应变数据代入有限元分析 软件进行拟合，得出Ｍｏｏｎｅｙ－Ｒｉｖｌｉｎ ９常数——Ｃ，。、 Ｃｏ。、Ｃ２０、Ｃ。，、Ｃｏ。、Ｃ３。、Ｃ２，、Ｃ，：、Ｃ…但是其中Ｃｏ·、 Ｃ¨、Ｃｏ。、Ｃ。，、Ｃ。：、Ｃｏ。的值均为零，表明这种橡胶材 料适用Ｙｅｏｈ模刑［５－６］，可得到在３０℃和６０℃度下 的Ｙｅｏｈ模型橡胶材料常数，如表１。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ Ｃａｒｒｙｉｎｇ ｏｕｔ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｒｕｂｂｅｒ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｐｒｅｓ— ｓｕｒｅｓ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｕｂｂｅｒ ｃｏｒｅ。ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌ ｂｅ— ｔｗｅｅｎ ｒｕｂｂｅｒ ｃｏｒｅ ａｎｄ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｐｉｐｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｏｍ ＢＯＰ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｃｏｎｔａｃｔ ａ— ｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｍａｄｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｔｒｅｓｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｒｕｂｂｅｒ ｃｏｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｐｉｐｅ ｉｎ ｆｏｕｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｏａｄｉｎｇｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ａ ｌｏｎｇ ｓｔｒｉｐ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｚｏｎｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｕｒｆａｃｅ ｗｈｉｃｈ ｐｌａｙｅｄ ａ．ｍａｊｏｒ ｒｏｌｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅａｌ；ｔｈｅ ｒｅａ～ ｓｏｎ ｂｙ ｔｈｅ ｅｖｅｒ－ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｉｍｐａｃｔ ｆｏｒ ｓｅａｌｅｄ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｒｕｂｂｅｒ ｃｏｒｅ ｗａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔａｃｔ ａｒｅａ。ａｎｄ ｗｈｅｎ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｉｌｆｉｅｌｄ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｒｕｂｂｅｒ ｃｏｒｅ ｗａｓ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｒｕｂｂｅｒ ｃｏｒｅ，ｗｈｉｃｈ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒｕｂｂｅｒ ｃｏｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒａｍ ＢＯＰ；ｒｕｂｂｅｒ ｃｏｒｅ；ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ；ｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒ；ｃｏｎｔａｃｔ ｓｔｒｅｓｓ
事石油装备现代没计及仿真技术方面的研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｘｚｈ＠ｓｉｎｏｐｅｃ．ｃｏｍ．ｃａ。
万方数据
第３９卷第２期
乇锡洲．等：闸板防喷器胶芯镪封及损坏机理分析
。１７’
滑伤、变形过度等形式的失效［１。４］。本文以密封 口１１４．３ ｒａｍ（４％英寸）钻杆为例。建立了闸板防喷器 胶芯与钻杆的三维接触有限元模型，并对胶芯与钻 杆之间的非线性接触问题进行了有限元分析，寻找 闸板防喷器胶芯与钻杆之间接触应力的分布规律， 为闸板防喷器胶芯的设计和优化提供理论参考。
（１．Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１０５００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｉｃｉｎｃｅａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｉｎｏｐｅｃ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １００７２８，Ｃｈｉｎａ；３．Ｋｉｎｇｄｒｅａｍ Ｐｕｂｌｉｃ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｗｕｈａｎ ４３０２２３，Ｃｈｉｎａ）
芯密封失效的原因，并将该分析结果与油田现场胶芯密封钻杆的实际情况进行了比较，发现胶芯损
坏的部位均处于胶芯接触应力集中处。
关键词：闸板防喷器；胶芯；三维；非线性；接触应力
中图分类号：ＴＥ９２１．５
文献标识码：Ａ
Ｃｏｎｔａｃｔ Ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ Ｄａｍａｇｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｒｕｂｂｅｒ Ｃｏｒｅ ｉｎ Ｒａｍ ＢＯＰ ＷＡＮＧ Ｘｉ—ｚｈｏｕｌ”，ＦＵ Ｙｕ－ｋｕｎｌ，ＺＨＵ Ｈａｌ—ｙａｎ３，ＨＡＮ Ｃｈｕａｎ—ｊｕｎｌ
１胶芯的本构关系
胶芯是一种典型的超弹性材料，其橡胶配方的 不同对材料性能有相当大的影响，因此，必须通过试 验测定橡胶材料的力学性能，主要是应力一应变性能 的测定，为胶芯的有限元仿真分析提供必要的材料 参数。本次试验采用施加压缩力的金属板经润滑剂 润滑的方法，采用某井控公司提供的橡胶试件为试 验件（试样直径为０２９．０ ｍｍ±０．５ ｍｍ，高度为 １２．５ ｍｍ±０．５ ｍｍ的圆柱体，试样表面应平整、光 滑，且上下表面平行）来进行试验。试验时，将试验 件固定在热一机综合疲劳试验机上、下夹头之间的油 池中，通过控制调功器调节加温器的加温温度来控 制油池中的试验件的温度；通过控制加压、卸压泵改 变热一机综合疲劳试验机的上、下夹头位移来控制对 试验件施加的载荷，载荷变化时，读出试验件变形 量，获取应力一应变关系及橡胶的压缩模量、杨氏模 量等数值。
图３ ５０ ＭＰａ下的胶芯接触应力
虽然平均接触应力要小于胶芯平面的平均接触应 力，但接触应力极值要大于胶芯平面接触应力极值。
通过对４种不同压力下的接触应力云图进行分 析，可以得出如下结果：
因此，随着井内压力的不断增大，圆弧面会因局部接 触应力过大而首先发生密封失效。
ａ） 在胶芯与钻杆的接触面产生了一条ｚ方向４ 结论 上的应力集中区，该应力集中区分布在唇部平面凸
＋１０船ａ 一３０Ⅷ）ａ
－－０－－５０船ａ
—，卜７０姗）ａ
图４不同压力下Ｓ－路径的接触应力曲线
６０ｒ
５０｝
重４０｝
＋１０Ⅷ）ａ ＋３０Ⅷ）ａ
。么。．△撼霉东罴五 －Ｒ、３０｝
墨２０｝
／Ａ ｋ
＋５０Ⅷ）ａ
…一７０Ⅷ）ａ
暴１０｝ 。么：：盖撼霉东罴聂：＝：＝
ＯＬｌ’
９
．１８
２７
３６
４５
５４
路径距离／ｍ
图５不同压力下Ｓｚ路径的接触应力曲线
万方数据
图２ ｌＯ ＭＰ。下的胶芯接触应力
石油矿场机械
２０１０年２月
力为零的区域也在不断增大，司知，当井压增加到某
个值时，接触压力为零区域将达到整个接触区域，当
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该区域厚度大于闸板胶芯厚度时，将导致胶芯密封 失效。
图５的曲线反映的是胶芯唇部圆弧面部分的接
触压力变化情况，其变化规律与图４曲线比较相似，