水下采油树油管悬挂器出油口K形金属密封性能研究

发布时间：2017-10-23 12:22

  本文关键词：水下采油树油管悬挂器出油口K形金属密封性能研究

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【摘要】：水下采油树是水下石油开发的一个重要工具。油管悬挂器作为其最主要的部件之一,具有为油流提供生产通道和悬挂油管的作用,油管悬挂器出油口处的密封具有阻止油液外流以及阻挡外部杂质进入油管悬挂器内部的作用,其密封性能的好坏直接关系到水下采油能否顺利进行。目前国外水下采油树油管悬挂器的密封技术比较成熟,掌握较多的核心技术,其对材料性能的研究以及对密封件的加工工艺方面的研究都走在世界前列,具有代表性的主要有Cameron公司的MEC密封,FMC公司的SBMS密封等。但是国外对国内实行技术封锁,国内在该方面的研究仍处于起步阶段,仅有少数针对油管悬挂器的结构和密封结构的仿真研究,所以自主研发油管悬挂器出油口处的金属密封对推动我国的水下石油钻采的发展有着重要的意义。本文提出在水下卧式采油树油管悬挂器出油口处使用K形金属密封,并对K形金属密封的结构形式进行设计,使用有限元的方法分析环境参数和结构参数对K形金属密封性能的影响规律,判定其密封性能能否满足水下真实工况。最后对K形金属密封的部分结构参数进行改进设计,在保证易于加工和易于安装的基础上,使K形金属密封的性能达到最佳。具体内容如下：(1)结合国内外对金属密封和非金属唇形密封的研究,总结了金属密封性能的分析及判定方法,根据该油管悬挂器密封设计要求确定K形金属密封的材料,并对其结构形式进行设计。同时还介绍了K形金属密封的下放安装方法,根据两球体之间的接触理论引入K形金属密封的密封接触表面的接触应力计算,对K形金属密封的受力模型进行简化,推导出金属密封圈在预紧工况下的密封表面接触应力的计算公式。(2)使用ABAQUS有限元分析软件建立K形金属密封实际工况下的简化二维轴对称模型,分析不同工况下过盈量以及介质压力的变化对金属密封圈的密封性能的影响,得到K形金属密封的最佳过盈量范围为0.2mm-0.34mm,在此范围内取一固定值0.3mm不变,分析介质压力变化对K形金属密封最大MISES应力、最大接触应力以及接触宽度的影响规律,得到K形金属密封的最大MISES应力为1152MPa,略微超出材料屈服强度极限,密封圈的外唇内侧根部产生了较小的塑性变形。密封圈的最大接触应力为1556MPa,超过了材料的屈服强度极限,但最大接触应力位置发生在右唇顶端位置,此处发生了应力集中现象,密封圈会发生一定的塑性变形,但密封圈内外密封接触表面的接触应力分别为538.39MPa和637.9MPa,始终大于介质压力的三倍,所以能够实现密封。(3)对有限元热分析的基本理论进行简要概述,使用ABAQUS有限元分析软件建立K形金属密封的热力学有限元模型,分析不同温度对整个模型传热的影响,得到不同温度影响下模型的节点温度云图,将得到的热传递分析的结果作为载荷边界条件导入到应力应变场中,分析K形金属密封在介质压力以及安装过盈量不变情况下,温度从-200C-1210C之间变化时密封圈性能变化规律,得到最大的耦合应力为1250MPa,略微超出材料屈服强度极限,内外唇的接触应力分别为637.26MPa和535.224MPa,均能够满足大于介质压力的三倍。最后得出结论,温度从-200C-1210C之间变化时,K形金属密封能够良好的实现密封功能。(4)分析右唇顶端倾斜角对金属密封圈密封性能的影响,得出K形金属密封外唇顶端倾斜角度为3度时,密封的最大MISES应力略微超出材料的屈服极限,外唇根部发生了较小的塑性变形,最大接触应力与0度倾斜角相比大大减少,应力集中现象得到了解除,且内外密封表面的接触应力均大于三倍的介质压力,根据密封判定标准得出此时K形金属密封能够实现密封。然后分析3度的外唇顶端倾斜角度的情况下,中心圆弧以及外侧圆弧的尺寸变化对金属密封圈的密封性能的影响,根据分析结果中最大MISES应力、最大接触应力以及金属密封圈内外接触表面的接触应力的变化情况,得出当中心圆弧半径为2mm,外侧圆弧半径为3mm-3.2mm之间时,金属密封圈在满足便于加工和便于安装的基础上,能够更良好的实现其密封功能。
【关键词】：K形金属密封 油管悬挂器 卧式采油树 深水
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE952
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 研究背景和意义10-11
• 1.2 水下卧式采油树油管悬挂器简介11-14
• 1.3 水下采油树油管悬挂器密封国内外发展现状14-19
• 1.4 本文研究的主要内容19-21
• 第2章 金属密封原理及K形金属密封设计21-35
• 2.1 密封的发展21-22
• 2.2 金属对金属密封理论22-23
• 2.3 金属密封的密封性能的研究及判定方法23-24
• 2.4 K形金属密封的设计24-28
• 2.5 K形金属密封受力分析28-34
• 2.6 本章小结34-35
• 第3章 K形金属密封性能分析35-51
• 3.1 ABAQUS软件在密封圈有限元分析中的应用35-36
• 3.2 K形金属密封的有限元模型36-39
• 3.3 K形金属密封的密封性能有限元结果分析39-45
• 3.4 油液压力对密封性能的影响45-49
• 3.5 本章小结49-51
• 第4章 K形金属密封的热分析51-67
• 4.1 热分析理论概述51-55
• 4.2 K形金属密封热力耦合计算分析55-66
• 4.3 本章小结66-67
• 第5章 K形金属密封的结构参数分析67-75
• 5.1 右唇顶部倾斜角度变化对密封性能的影响67-70
• 5.2 中心圆弧的尺寸变化对密封性能的影响70-72
• 5.3 外侧圆弧的尺寸变化对密封性能的影响72-74
• 5.4 本章小结74-75
• 第6章 总结与展望75-77
• 6.1 总结75
• 6.2 展望75-77
• 致谢77-78
• 参考文献78-82
• 个人简介82-83

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