井下流量控制阀金属密封仿真研究

杨仪伟，朱宏武，何东升，郑 严，许亮斌，何玉发,李 川

(1.中国石油大学(北京)机械与储运学院，北京102249；2.西南石油大学，成都 610500；3.中海油研究总院有限责任公司，北京100028)

智能井技术可以优化油井产能和提高油藏的管理水平[1]，并实现实时控制和生产优化，延长油井寿命，控制水侵和降低开发成本[2]。智能井主要由井下流量控制阀(ICV)、井下压力计和隔离封隔器组成[3]。第1代ICV由滑套技术发展而来[4]，这些ICV中的金属对金属(MTM)密封是径向线密封，易受碎屑的影响，因此第1代ICV已被第2代ICV所取代。第2代ICV保留了第1代ICV的大部分部件，主要是对上阀座和下阀座的结构进行了改进。第2代ICV的金属密封为径向金属密封，无需额外的机械结构来维持MTM密封，并且具有径向自清洁功能。

金属密封是采用合适的金属材料，利用密封面的压力使金属发生弹性变形或者塑性变形而与被密封件接触，形成严密耐用的密封接触面，从而获得密封能力[5-6]。侯超等总结了水下井口系统的主要密封装置和关键技术，认为金属密封技术是水下井口系统密封未来发展的主要趋势[7]。秦桦等对水下采油树的油管悬挂器K形金属密封环的密封性能进行了模拟分析，研究发现①当介质压力小于40 MPa时，K形金属密封环接触应力的最大值超过介质压力的2～3倍；②当介质压力大于40 MPa时，K形金属密封环接触应力的最大值超过介质压力的10倍，因此K形金属密封环能形成良好的密封[8]。崔晓杰等设计和研究了井下工具的金属对金属密封，并进行了坐封和试压试验，结果表明，坐封后的金属对金属密封组件的环空密封能力达到60 MPa，证明了金属对金属密封技术在大环空间隙密封应用中的可行性[9]。侯超等利用有限元法分析了水下井口系统用环形金属密封组件的密封机理和工作原理，结果表明，密封环在弹性变形阶段可以实现密封，但是实际的工况无法保证，因此应该使得密封环实现塑性变形，以实现可靠的密封[10]。练章华等针对高温高压下悬挂器橡胶密封件的失效问题，采用316L软金属设计了不同的密封结构，采用ANSYS软件分析套管悬重及不同顶丝压力下的接触压力和接触宽度的变化规律，该全金属多级等锥椭圆曲面密封结构可靠,能满足油田井口装置140 MPa极限工况的密封要求[11]。李纯金等采用镍钛合金材料设计了封隔器用新型金属密封元件,并基于ANSYS软件对密封元件密封性能进行了评价，结果表明，拱形半径和拱形厚度对密封元件密封性能影响较为显著,且适当减小拱形半径或增大拱形厚度，可提高其密封性能[12]。综上所述，对于金属密封副的接触力学行为的研究均是针对具有理想几何形状的密封副。

本文以井下流量控制阀中具有圆度误差的金属密封圈为研究对象，基于ABAQUS模拟分析介质压力、初始过盈量和圆度误差对于金属密封圈接触应力的影响规律。

1 井下流量控制阀金属密封组件结构

为了隔离油套管环空与油管之间的原油流动，在ICV壳体和滑套之间采用金属密封组件和组合密封，如图1所示。金属密封组件和滑套之间具有一定的初始过盈量。该金属密封组件由金属密封件和非金属密封件组成。介质压差通过非金属密封件传递给金属密封件。当滑套向下运动时，滑套外表面会依次与非金属密封件和金属密封件的唇部相接触，此时金属密封面上发生弹性变形，当接触应力足够大时就能够实现油套管环空与油管之间的密封。当滑套向上运动时，滑套外表面会依次与金属密封件和非金属密封件的唇部脱离接触，产层的原油将通过节流孔进入油管。

图1 井下流量控制阀金属密封组件结构原理

金属密封件和滑套的材料性能参数如表1所示。金属密封件由高温镍基合金GH4169制成。该合金在-253 ～700 ℃具有良好的综合性能，能够制造各种形状复杂的零部件，在宇航、核能、石油工业中获得了极为广泛的应用。非金属密封件由氟橡胶制成。氟橡胶是指主链或侧链的碳原子上含有氟原子的合成高分子弹性体，氟原子的引入，赋予橡胶优异的耐热性、抗氧化性、耐油性、耐腐蚀性和耐大气老化性，在航天、航空、汽车、石油和家用电器等领域得到了广泛应用。

表1 20 ℃时金属密封副材料参数

2 金属密封副接触应力影响因素分析

当考虑圆度误差时，金属密封圈和滑套组成的金属密封副共有3种装配情况，如图2所示。

1) 金属密封圈和滑套两者的椭圆截面的长轴重合。

2) 金属密封圈和滑套两者的椭圆截面的长轴夹角为0～90°的任意角度(图示为45°)。

3) 金属密封圈和滑套两者的椭圆截面的长轴正交。

图2 金属密封副配合示意

有限元分析流程如图3所示。非金属密封元件传递到金属密封元件上的载荷分布不是完全均匀的[13]，为了简化模型，假设分布在金属密封元件上的载荷是均匀分布的。首先建立金属密封件和滑套的三维装配有限元模型，然后对金属密封件的外表面和底面施加完全固定约束,金属密封件的上下两侧施加介质压力，参数如表2。最后在ABAQUS的Visualization模块中，在密封面上建立14条接触路径(path)，提取各路径上各个节点的接触应力值，并绘制成接触应力分布图。

图3 ICV金属密封副有限元分析流程

表2 有限元分析模型的各变量值

2.1 密封面的两椭圆长轴重合时接触应力与介质压力关系

为了研究金属密封副两椭圆截面的长轴重合时，接触应力与介质压力的关系，设定金属密封圈和滑套的结构参数保持不变，而介质压力p在0～40 MPa之间变化，增量为10 MPa。由图4图可以看出(其中的数字1～14代表接触面上的14条接触路径线，下同)，各接触路径上的接触应力沿着密封环面呈“W”型曲线分布，且各条“W”型曲线越靠近最大接触应力，越平缓。“W”型曲线的波峰对应着金属密封圈与滑套两者的椭圆截面的长轴的接触点，因为此处两者椭圆截面的曲率最大，从而接触应力最大。波谷对应着金属密封圈与滑套两者的椭圆截面短轴的接触点，因为此处两者椭圆截面的曲率最小，从而接触应力最小。随着介质压力的增加，“W”型曲线的波峰处和波谷处接触应力的最值和密封面上的平均接触应力均增加。说明此时该密封仍能实现自紧密封。密封面的两椭圆长轴重合时介质压力与接触应力最值关系如图5所示。

a p=0 MPa

b p=20 MPa

c p=40 MPa

图5 密封面的两椭圆长轴重合时介质压力与接触应力最值关系

2.2 密封面的椭圆长轴重合时接触应力与初始过盈量关系

为了研究金属密封副两椭圆截面的长轴重合时，接触应力与初始过盈量的关系，假设金属密封圈和滑套的结构参数保持不变，而初始过盈量δ在0.05～0.25 mm之间变化，增量为0.05 mm。从图6可以看出，各条“W”型曲线随着初始过盈量的增加而变得更加平缓。随着初始过盈量的增加，各条“W”型曲线的波峰和波谷处接触应力的最值和密封面上的平均接触应力均增加。当初始过盈量由0.05 mm增加到0.25 mm时，“W”型曲线波峰接触应力的最大值分别为376.9、552.96、612.38、710.24、1 203 MPa。说明初始过盈量不能太大，否则金属密封将发生塑性变形。

密封面的两椭圆长轴重合时初始过盈量与接触应力最值关系如图7所示。

a δ=0.05 mm

b δ=0.15 mm

c δ=0.25 mm

图7 密封面的两椭圆长轴重合时初始过盈量与接触应力最值关系

2.3 密封面的椭圆长轴重合时接触应力与圆度误差关系

为了研究金属密封副两椭圆截面的长轴重合时，接触应力与圆度误差的关系，金属密封圈和滑套的其他结构参数保持不变，而滑套的圆度误差ø在0.013 ～0.046 mm之间变化。如图8。

a ø=0.0013 mm

b ø=0.03 mm

c ø=0.046 mm

由图8可以看出，当密封副的两椭圆截面长轴重合时，随着滑套的圆度误差的增加，“W”型曲线越来越弯曲，且波峰处和波谷处接触应力的最值和密封面上的平均接触应力也越来越大。当滑套的圆度误差为0.046 mm时，密封面上接触应力的最大值为930.09 MPa，接近其屈服极限。因此，圆度误差过大时，可能会引起金属密封圈发生塑性变形。密封面的两椭圆长轴重合时圆度误差与接触应力最值关系如图9所示。

图9 密封面的两椭圆长轴重合时圆度误差与接触应力最值关系

2.4 密封面的椭圆长轴正交时接触应力与介质压力关系

为了研究金属密封副两椭圆截面的长轴正交时，接触应力与介质压力的关系，假设金属密封圈和滑套的结构参数保持不变，而介质压力p在0～40 MPa之间变化。由图10可以看出，当密封副的两椭圆截面长轴正交时，各接触路径上的接触应力沿着密封环面呈“M”型曲线分布。介质压力越大，各条“M”型曲线越平缓。“M”型曲线的波峰对应着金属密封圈椭圆截面的短轴与滑套椭圆截面的长轴接触点，因为此处两者椭圆截面的过盈量最大，从而接触应力最大。波谷对应着金属密封圈椭圆截面的长轴与滑套椭圆截面的短轴接触点，因为此处两者椭圆截面的过盈量最小，从而接触应力最小。随着介质压力的增加，“M”型曲线波峰处和波谷处接触应力的最值和密封面上的平均接触应力均增加。这说明此时该密封仍能实现自紧密封。密封面的两椭圆长轴正交时介质压力与接触应力最值关系如图11所示。

a p=0 MPa

b p=20 MPa

c p=40 MPa

图11 密封面的两椭圆长轴正交时介质压力与接触应力最值关系

2.5 密封面的椭圆长轴正交时接触应力与初始过盈量关系

为了研究金属密封副两椭圆截面的长轴正交时，接触应力与初始过盈量的关系，假设金属密封圈和滑套的结构参数保持不变，而初始过盈量δ在0.01～0.20 mm之间变化。

a δ=0.01 mm

b δ=0.10 mm

c δ=0.2 mm

由图12可以看出，各条“M”型曲线随着初始过盈量的增加而变得更加平缓。随着初始过盈量的增加，各条“M”型曲线波峰处和波谷处接触应力的最值和密封面上的平均接触应力均增加。当初始过盈量为0.01 mm时，波谷处接触应力的最大值为0 MPa，说明此时存在泄漏；而当初始过盈量为0.20 mm时，波峰处接触应力的最大值为1 055 MPa，接近材料的屈服极限。说明此时应该合理选择初始过盈量，使得金属密封圈既能实现密封，又不发生塑性变形。密封面的两椭圆长轴正交时初始过盈量与接触应力最值关系如图13所示。

图13 密封面的两椭圆长轴正交时初始过盈量与接触应力最值关系

2.6 密封面的椭圆长轴正交时接触应力与圆度误差关系

为了研究金属密封副两椭圆截面的长轴正交时，接触应力与圆度误差的关系，假设金属密封圈和滑套的其他结构参数保持不变，而滑套的圆度误差ø在0.013 ～0.046 mm之间变化。

a ø=0.013 mm

b ø=0.030 mm

c ø=0.046 mm

由图14可以看出，当密封副的两椭圆截面长轴正交时，随着滑套的椭圆截面圆度误差ø的增加，“M”型曲线的弯曲程度越大，且波峰处和波谷处接触应力的最值和密封面上的平均接触应力也越来越大。

当滑套的圆度误差为0.046 mm时，密封面上接触应力的最大值为1 407 MPa，超过其材料的屈服极限，说明圆度误差过大时可能会引起金属密封圈的塑性变形，应当加强加工精度，从而减小圆度误差。密封面两椭圆长轴正交时圆度误差与接触应力最值关系如图15所示。

2.7 金属密封副两椭圆截面的长轴夹角对接触应力的影响

为了研究金属密封副两椭圆截面的夹角与接触应力的关系，金属密封圈和滑套的结构参数保持不变，而金属密封副的两椭圆截面长轴夹角θ由0°增加到90°。

图15 密封面两椭圆长轴正交时圆度误差与接触应力最值关系

由图16可以看出，接触应力沿接触路径的分布由“W”型转变为“M”型，且分布曲线的波峰处和波谷处接触应力的最值和密封面上的平均接触应力先减小后增加。金属密封副两椭圆长轴夹角与接触应力最值的关系如图17所示，可以看出3条关系曲线关于θ=45°线近似对称。

a θ=0°

b θ=45°

c θ=90°

图17 密封面两椭圆长轴夹角与接触应力最值的关系

3 结论

1) 为了研究井下流量控制阀(ICV)的密封性能，建立了具有圆度误差的金属密封圈和滑套的密封副有限元模型，研究了介质压力和初始过盈量对于ICV金属密封接触应力的影响。

2) 当金属密封副的两椭圆截面长轴重合或正交时，接触应力呈“W”型或“M”型曲线分布。各条“W”型或“M”型曲线随着介质压力、初始过盈量的增加和滑套圆度误差的减小而越来越平缓。“W”型或“M”型曲线波峰和波谷处接触应力的最值和密封面上的平均接触应力均随着介质压力、初始过盈量和滑套圆度误差的增加而增加。

3) 当金属密封副的两椭圆长轴夹角在0～90°变化时，接触应力的分布曲线由“W”型转变为“M”型，且分布曲线波峰和波谷处接触应力的最值和密封面上的平均接触应力先减小后增加。3条接触应力最值曲线与椭圆长轴夹角的关系曲线均关于θ=45°线近似对称。