封隔器胶筒结构改进及优势分析

已经对其实物的力学试验跏、有限元数值模拟：“、封 隔器与管柱之间的力学关系ｉ《等进行了大量研究， 对封隔器的结构优化以及接触应力的分布关系得出 了初步的结论：６Ｉ。研究接触应力与胶筒外形及结构 参数之间的关系，对理论上认清胶筒的密封机理和
收稿日期：２０１２－０７
１７
基金项目：国家重大专项课题（２０１１ＺＸ０５０３８—００２）；中国石油大学（华东）自主创新科研计划项目“连续管钻井力学分析及 配套工具研究”（１２ＣＸ０６０６２Ａ） 作者简介：张辛（１９８７一），女。山东泰安人，博士研究生，主要从事钻井用连续管的力学分析与研究，Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｘｉｎ０９２７＠
弹性模量２．０６×１０ｊ ＭＰａ，泊松比０．３。 胶筒采用４节点ＣＡＸ４ＲＨ单元划分网格，中 心管、套管和隔环采用ＣＡＸ４Ｒ划分网格。 考虑接触时的摩擦因数，橡胶自接触以及橡胶 与隔环、橡胶与套管之间的接触摩擦因数取为０．３， 隔环与中心套管之间的摩擦因数定为０．１。 约束条件：模型最下面隔环、中心管下端、套管 下端节点施加竖直方向的约束；套管外层施加水平 方向的约束。 施加载荷：最上面刚性隔环上施加坐封力，为均 布压力作用。
５
ＭＰａ
图５
ｄ
１ ６
ＭＰａ
不等长胶筒应力云跨
万方数据
・６６・
石油矿场机械
２０１３年１月
改进型封隔器胶筒接触应力分布如图６所示， 可知：这种上、下胶筒不等长的改进型封隔器在１６ ＭＰａ的轴向压力下，其接触应力已高达２８ ＭＰａ，比 胶筒等长度时大很多，密封性能也较之更好。因为 此种结构的封隔器所承受的轴向压力最多只有１６ ＭＰａ，如果工作条件限制在１６ ＭＰａ以内，采用这种 结构密封更好一些；但如果轴向力要求较高，则应该 选用等长度的双胶筒型封隔器，其密封性能也很可 靠，而且加工更简单一些。
改进型封隔器较常规封隔器的优势分析
结构
２０
４０
６０
轴向距离／ｍｍ
１ｊ
改进型封隔器与常规封隔器在结构模型上的区
ｃ
ＭＰａ
万方数据
第４２卷第１期
张辛，等：封隔器胶筒结构改进及优势分析
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Ｏ ８ 山 至 ６ ４ ２ Ｏ ８ ６ ４ ２ ２０ ４０ ６０ ８０
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３０
ＭＰａ
硬度大于橡胶；当轴向距离增大，紫铜随着橡胶被压 缩直到被压实紧贴在套管内壁，接触应力就远大于 常规胶筒，密封性能也就更好：
图２封隔器胶筒应力云图
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ｏ ０ ４ ２ ｏ ２０ ４０ ６０ ８０
轴向距离Ｉｍｍ
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肩突，但未发生胶筒割裂现象，肩突在允许范围
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之内。
改进型封隔器结构及网格划分
封隔器在进行有限元分析时，有３种不同性能 的材料：胶筒为橡胶材料，属高度非线性复合材 料Ⅲ１；外包络紫铜；隔环、中心管、套管为金属材料。 胶筒需要用单轴拉伸、等双轴拉伸、剪切试验得 到的橡胶材料试验数据进行超弹性材料曲线拟合， 进而选择合适的超弹性材料模型。本文采用超弹性
ｃａｎｔ
ｐｌａｙｅｄ
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ｌｅａｄｉｎｇ ｓｅａｌｉｎｇ ｒｏｌｅ，ａｎｄ ｔｈｅ
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ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ，ｃｏｍｐａｒｅｄ
ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｓｏ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｉｓ
ｖｅｒｉｆｉｅｄ．
２０１３年第４２卷 第１期第６２页
石油矿场机械
ＯＩＬ ＦＩＥＬＤ
ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ
２０１３，４２（１）：６２～６６
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ｏ
文章编号：１００１－３４８２（２０１３）０１－００６２—０５
封隔器胶筒结构改进及优势分析
张 辛，徐兴平，王 雷
（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛２６６５８０）
摘要：井下用封隔器的关键部件为弹性密封元件（胶筒），其结构影响到封隔器的密封性能。由于传 统的封隔器结构为三胶筒，浪费材料、装配复杂，对胶筒结构进行改进，在精简胶筒数量的基础上， 增加了１层紫铜包络层。采用非线性有限元分析方法，对传统胶筒结构和改进型胶筒结构的对比 分析发现：改进型结构上胶筒起主要密封作用，接触应力比传统胶筒结构有明显提高，验证了改进 型结构的可行性。 关键词：封隔器胶筒；改进；接触应力；有限元分析 中图分类号：ＴＥ９３１．２ 文献标识码：Ｂ
ｌ有限元模型的建立
常用的封隔器上串有３个胶筒［１…，分为上、中、 下３个胶筒结构尺寸相同和上下胶筒为长胶筒、中 胶筒为短胶筒２种结构形式［１川。通过对传统三胶 筒结构的研究发现，起主要密封作用的是上胶筒。 为了节省材料，降低制造工艺难度，笔者对传统三胶 筒结构进行简化，将封隔器结构改进为双胶筒结构。 由于封隔器的本体和胶筒为柱和筒结构形式， 利用轴对称条件口２３对其简化，胶筒的结构和有限元 网格划分如图１所示。上、下２个胶筒长度均为８０ ｍｍ，橡胶材料，外层包络１层紫铜，紫铜厚度为２ ｍｍ，胶筒采用５０。倾角，直边长８ ｍｍ，斜边长１１ ｍｍ，直边与斜边比为０．７３。
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ａ
ｃｏｎｔａｉｎｓ
ｔｈｒｅｅ ｅｌｅ
ｗａｓｔｅ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｅｘ ａｓｓｅｍｂｌｙ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｉｓ ｉｓｓｕｅ，ｔｈｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ
ｈａｓ ｂｅｅｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｐａｃｋｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ ｒｕｂｂｅｒ ｌａｙｉｎｇ ｒｅｄ ｃｏｐｐｅｒ．Ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｐａｃｋｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔｓ
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ Ａｄｖａｎｔａｇｅ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｐａｃｋｅｒ Ｒｕｂｂｅｒ ＺＨＡＮＧ Ｘｉｎ，ＸＵ
Ｘｉｎｇ—ｐｉｎｇ，ＷＡＮＧ
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（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６５８０，Ｃｈｉｎａ）
Ｒ 毪 蓬 楚
０ ５ ０ ２０ ４０ ６０
轴向距离／ｍｍ
２０
４０
６０
轴向距离／ｒａｍ
ｂ下胶筒 图３胶筒接触应力分布
由图２～３可知：工作压力为３０ ＭＰａ时，上胶 筒最大接触应力为２５．５ ＭＰａ，下胶筒最大接触应力
为５．４ ＭＰａ，上胶筒的接触应力为下胶筒的４倍多，
因此上胶筒起主要坐封作用。
３
３．１
ｅ
改进型封隔器工作压力为２５ ＭＰａ时，上胶筒 的最大接触应力超过２０ ＭＰａ，而常规的封隔器在相 同的条件下，接触应力≤１４ ＭＰａ；工作压力为３０ ＭＰａ时，常规封隔器只有１８ ＭＰａ的接触应力，而改 进型封隔器的接触应力可以达到２５ ＭＰａ，因此改进 型封隔器有一定的可行性。 ３．３不等长双胶简封隔器的设计分析 对于改进型的双胶筒的封隔器，当２个胶筒不 等长，上胶筒采用原设计长度８０ ｍｍ，下胶筒采用
由分析结果可知：随着轴向载荷增大，轴向压缩 量也增大，开始时压缩量增大较明显，随后压缩量增
既 豳
图１
紫铜 ｝：胶筒
大变缓，胶筒变形趋于稳定；随着坐封力的增大，胶 筒与套管接触长度逐渐增加。胶筒外表柱面部分径 向变形受限制，胶筒内表面变形如外表一样向外鼓，
套管
当载荷增加时胶筒被压扁并在最后压实。但由于结 构限制，只有上胶筒能够被压实。在工作压力为３０ ＭＰａ时，上胶筒基本完全压实，胶筒上端出现轻微
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轴向距离／ｒａｍ
图４
２种封隔器上胶筒接触应力分布
＋８．１６７ｅ＋０ｌ ＋７．４８６ｅ＋０ ｌ ＋６．８０％＋０ Ｉ ＋６．１２５ｅ＋０ｌ ＋５．４４４ｅ＋０１ ＋４，７６４ｅ＋０ ｌ ＋４ ０８３Ｈ．０ｌ ＋３ ４０３Ｈ０ｌ ＋８２．７２２ｅＯ １ ＋１ ０４２ｅ＋０ｌ ＋ｌ ３６ｌ ｅ＋Ｏｌ ＋６ ８０６ｅ＋００ ＋９ １５ｌ ０４
３。２密封性能
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封隔器密封性能的好坏，关键在于胶筒与套管 内径之间接触应力的大小。在同样的坐封力下，接 触应力越大，密封性能越好。 施加工作压力５～３０ ＭＰａ时，分别对两者接触 应力进行比较，如图４所示。 通过比较发现：在轴向距离较小时，常规胶筒的 接触应力略大于改进型胶筒，这是因为紫铜材料的
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐａｃｋｅｒ；ｐａｃｋｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ
封隔器胶筒是通过轴向压缩力紧贴在封隔器套 管壁上起密封作用，其密封性能直接制约使用性能。 胶筒与套管接触所产生的接触应力是胶筒承受工作 压差的必要条件‘１｜。胶筒的形状优化设计影响着其 密封性能嘲，是设计者密切关注的问题。不少学者
７０
ｍｍ。施加工作压力５、１０、１５、１６ ＭＰａ时，胶筒
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应力云图如图５所示。由图５可知：所设计的这种 封隔器最多只能承受１６ ＭＰａ的轴向力，没有等长 度胶筒所承受的力大，但却比其压缩得好。在１０ ＭＰａ的轴向力下．上胶筒已经完全压实，到１ 时，下胶筒基本已经压实。
匦苴Ｈ蹲附譬
材料模型——Ｍｏｏｎｅｙ Ｒｉｖｌｉｎ模型［１胡计算，根据经
验公式确定模型参数：超弹性材料Ｍｏｏｎｅｙ 常数Ｃ１。一１．８７，Ｃ。，一０．４７；密度为１
５００
Ｒｉｖｌｉｎ
ｋｇ／ｍ３。
Ａｂａｑｕｓ中默认超弹性材料不可压缩，默认泊松比为
０．４７５＂１引。
紫铜材料密度为７
１０ｊ
８３０
ｋｇ／ｍ３，弹性模量１．１９×
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｉｓ ｗｒａｐｐｅｄ ｂｙ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ
ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｐａｃｋｅｒ ｅｌｅ—
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｔｏ
ｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ
刑性隔土１
２有限元软件模拟及结果分析
橡胶属于高度非线性复合材料，在连续介质力 学中将橡胶材料称作超弹性材料，因此用非线性有 限元分析软件Ａｂａｑｕｓ进行非线性分析［１ ６１；计算时
取工作压力为５、１０、１５、２０、２５、３０ ＭＰａ，采用逐步加
载的方式进行迭代计算＿“。胶筒变形及Ｖｏｎ Ｍｉ—
ｓｅｓ应力云图如图２～３所示。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｌａｓｔｉｃ ｐａｃｋｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｐａｒｔ ｏｆ
ａ
ｄｏｗｎｈｏｌｅ ｐａｃｋｅｒ，ｗｈｏｓｅ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ａｆｆｅｃｔｓ
ｔｈｅ ｓｅａｌｉｎｇ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｃｋｅｒ．Ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｐａｃｋｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｍｅｎｔｓ，ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅ
８５０ ｋｇ／ｍ３，
ＭＰａ，泊松比０．３６。金属材料密度７
万方数据
行油矿场机械
２０１３年１月
别在于：改进型封隔器为上、下２个胶筒，且橡胶外 面包络１层厚２ ｍｍ的紫铜。两胶筒较之于三胶筒 一方面节省了材料，另一方面因为上下胶筒为同结 构胶筒，而减少了制造工艺，同时也使封隔器结构简 单，装配简化。
群蕾Ｈ蘑慝匿
长结构大，因此工作压力≤１６ ＭＰａ时，采用不等长 结构密封效果更好。
参考文献： ［１］李晓芳，杨晓翔，王洪涛。封隔器胶筒接触应力的有限
元分析［Ｊ］．润滑与密封，２００５，９（５）：９０
９２．
［２］陈健，田播源，刘玉文．压缩式封隔器胶筒失效因素 分析及措施口］．科技资讯，２０１０（３１）：８０一８２， ［３］ 刘天良，施纪泽．封隔器胶筒对套管接触应力模拟试验 研究ＥＪ］．石油机械，２００１，２９（２）：１０—１１． ［４］周先军，平利，季公明．封隔器胶筒接触应力分布有
１６３．ｃｏｍ。
万方数据
第４２卷第ｌ期
张辛，等：封隔器胶筒结构改进及优势分析
胶筒密封的可靠性具有重要意义Ｈ。８］。笔者对常用 的封隔器胶筒的结构进行了改进，把三胶筒结构简 化为双胶筒，对工作过程进行有限元分析，对其受力 过程中接触应力的变化［９１和分布规律进行了详细研 究，并与常规结构进行比较分析，结果表明改进型结 构具有显著的优势。