骨架对旋转自封胶芯密封应力的影响0不锈钢板

骨架对旋转自封胶芯密封应力的影响

骨架对旋转自封胶芯密封应力的影响 2011年12月09日 来源： 利用液体压力的自封封井器最初使用的密封胶芯是只用橡胶一种材料制成的。经现场使用发现，胶芯存在两点不足。一是胶芯承受井下液体压力较低,遇高压井液时变形大;二是当钻具接箍通过胶芯内表面时,钻具接头的上下移动造成胶芯在轴向和径向产生很大的变形,尤其轴向的伸缩变形量,会大大缩短胶芯的使用寿命。自封封井器胶芯经过多年的不断改进，证实在胶芯中加入钢质骨架可有效地增大胶芯抗压、抗变形能力,从而提高胶芯刚度。旋转自封封井器的密封原理也是靠胶芯本身弹性变形的恢复和井下液体压力作用抱紧钻具来密封环空的。在旋转自封胶芯设计中,我们采用用于计算大变形材料的高级有限元软件,对在胶芯中置入钢骨架和不置入钢骨架两种情况于各种工况下的应力和变形情况进行深入细致的分析,得出一系列对比数据,根据这一计算结果来分析骨架对胶芯密封应力的影响。现文所说的胶芯对钻具的密封应力，实质上就是胶芯的内表面与钻具外表面的接触应力。1　胶芯结构　　胶芯结构如图1,胶芯内表面由方密封面、补偿腔和圆密封面组成。橡胶内置入钢骨架。钢骨架由骨架主体、钢筋和固定套组成,钢筋挂在骨架主体上,通过固定套固定。这样骨架下部的筋就相当于一悬臂梁,上端为固定端,下端为自由端,随胶体的胀缩而胀缩。骨架材料采用的是弹簧钢,在注入胶体内之前,需经热处理,使其具有能满足密封要求的弹性和适度的刚性。这样设计的骨架,经现场数十井次的使用证实,胶芯的静密封力能达到15MPa,动密封力也能达到10MPa,而且能有效地延长胶芯的使用寿命,达到了设计要求。骨架对胶芯密封应力的影响,可通过胶芯与钻具之间的接触应力分布的计算结果来分析,这是现文讨论的重点。图1　胶芯结构2　有限元计算的基本原理　　骨架对旋转自封胶芯密封应力影响的研究是采用美国高级有限元软件ANSYS，此有限元分析方法是在给出大变形下的应力应变关系、平衡方程及边界条件，以及有限元离散方程,对有骨架和无骨架的胶芯在给定条件下测算出的应力和变形进行分析，并得出可进行比较的计算结果。3　骨架对胶芯密封应力影响的分析　　钻具尺寸:　　　　方钻杆尺寸A=89mm×89mm　　　　圆钻具接箍直径DC=φ110mm　　　　圆钻具外径DD=φ73mm　　井液压力:p=0.0MPa　p=5.0MPa　　胶芯方密封面截面尺寸:A1=84min×84mm　　胶芯圆密封段尺寸:DB=φ64mm　　旋转自封胶芯进行有限元计算时所划分的横、纵截面有限元网格图如图2、图3所示。 图2　胶芯横截面有限元网格 图3　胶芯纵截面　　骨架只影响胶芯方密封段的密封应力,而对胶芯的圆密封面的密封应力影响不大。　　a)　胶芯内不置入骨架,在外压p=0.0MPa、p=5.0MPa方钻杆通过时,方密封段横截面上各节点接触应力分布的计算结果如表1。　　b)　胶芯内置入骨架,在外压p=0.0MPa、p=5.0MPa方钻杆通过时,方密封段纵截面上各节点接触应力分布的计算结果从表1、表2中可看出:　　a)　当胶芯内没有置入骨架时,［SY(SR)］在横截面上胶芯方密封段与方钻杆的接触应力(节点号为2～57)分布比较均匀。表1　胶芯不带骨架通过方钻具时的横截面上的接触应力　　MPa压力p直角坐标系极坐标系节点号2111213141056570.0SX(Sθ)0.0740.0750.0780.0820.1080.1570.2050.230SY(SR)－0.029－0.030－0.035－0.046－0.069－0.080－0.083－0.1175.0SX(Sθ)－4.900－4.900－4.900－4.920－4.710－4.620－4.680－5.380SY(SR)－5.010－5.040－5.040－5.080－5.080－5.010－5.170－5.090表2　胶芯带骨架与不带骨架通过方钻具时纵截面上接触应力比较　　MPa节点号71727374757677787967无筋－5.778－5.481－5.242－5.160－5.114－5.086－5.072－5.067－5.064－5.059有筋－4.141－4.046－4.260－4.630－4.930－5.179－5.373－5.500－5.636－5.677左移δ／mm－3.510－3.683－4.125－4.570－4.986－5.320－5.558－5.711－5.774－5.763右移δ／mm－4.647－4.461－4.566－4.798－4.992－5.184－5.318－5.420－5.491－5.595　　当p=0.0MPa时平均接触应力值为0.061MPa；当p=5.0MPa时平均接触应力值为5

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