石油钻井设备新型密封圈密封性能研究

沈桓宇

（南充职业技术学院，四川 南充637000）

1 新型密封圈结构

随着石油钻井越来越深，石油钻井设备中密封圈在钻井过程高温高压的环境影响下，存在着密封性差、接触应力低、密封圈容易发生翻转等问题，导致密封性能不能完全满足钻井设备的工作需要[1-2]。为此，通过对密封圈结构进行改进，设计出一种带有支撑结构的新型密封圈，有效提高了密封圈密封性能。

新型密封圈结构如图1所示，外径59 mm、内径45 mm、底宽3 mm、两斜面斜度1∶2.5、两斜面唇厚1.15 mm、两斜面唇高5 mm、中间厚度2.4 mm、中间部分高度6 mm。该密封圈中间部分有支撑作用，当密封圈受到径向较大压缩或主轴偏斜时能够顶住两唇，增大其稳定性，能有效防止密封圈发生翻转。新型密封圈的有效密封压力等于预压力和流体压力的总和，同时，可以有效地将流体压力施加到唇部从而提高接触应力。

图1 新型密封圈结构示意图

2 新型密封圈有限元分析

新型密封圈进行初始装配，并施加压缩2 mm的位移载荷，使其产生预压力，得到新型密封圈与壳体、轴接触面的接触应力云图，如图2所示。

图2 接触应力云图

根据密封圈密封的工作原理，在位移载荷作用下，密封圈产生径向压缩，旁边轴和外壳之间的部分环形空间因此被填满，密封圈与外壳之间产生的接触应力起到密封作用[3-4]。由图2可知，新型密封圈与外壳、轴之间的接触应力分布呈现“U”形分布，最大接触应力位于密封圈两侧。

影响新型密封圈密封性能的因素有很多，包括压缩位移、压差和橡胶硬度等，研究不同因素对新型密封圈密封性能的影响规律具有重要意义。采用控制变量的方法，在保证其他参数相同的条件下，研究不同因素对新型密封圈与接触面间接触应力大小的影响[5-8]。

3 压缩位移对新型密封圈的影响

在内外压差为0.5 MPa、橡胶硬度为85 HA的情况下，对其施加压缩位移分别为1.0 mm、1.3 mm、1.5 mm、1.7 mm、2.0 mm、2.3 mm。不同压缩位移下新型密封圈与接触面间的最大接触应力曲线，如图3所示，由图3可知，当压缩位移量在1.6 mm~1.8 mm之间时，接触应力最大值相对较小，影响新型密封圈密封性能。不同压缩位移下密封圈与外壳接触面的接触应力沿接触路径分布曲线呈凸形，如图4所示，表现为接触应力逐渐增大到最大值后又逐渐下降。

图3 不同压缩位移下密封面最大接触应力曲线

图4 不同压缩位移下接触面接触应力分布曲线

4 压差对新型密封圈的影响

在压缩位移为2 mm、橡胶硬度为85 HA的情况下，对新型密封圈施加大小分别为0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa的压差。经仿真分析得到，不同压差下新型密封圈与接触面间的最大接触应力曲线，如图5所示；不同压差下密封圈与外壳接触面的接触应力沿接触路径分布曲线，如图6所示。

图5 不同压差下密封面最大接触应力曲线

图6 不同内外压差下沿路径接触应力分布曲线

由图5、图6可知，密封圈内外的压差由0.2 MPa逐渐增加的时候，密封接触面的最大接触应力呈线性增加；密封圈两端，接触面的接触应力较小，接触面的接触应力最大值出现在密封圈中下部。在密封的情况下，与密封介质的每个接触点处的压力都等于介质的压力，当压差增加后，唇环底部轴向压缩，在槽边的阻挡下，唇环底部沿周向方向被压缩，故使得密封圈与壳体接触表面扩大，接触应力增加。

5 硬度对新型密封圈的影响

在密封圈压差为0.5 MPa、压缩位移为2 mm的情况下，取密封圈橡胶硬度分别为70 HA、75 HA、80 HA、85 HA。经仿真分析得到，不同橡胶硬度下新型密封圈与接触面间的最大接触应力曲线，如图7所示；不同橡胶硬度下密封圈与外壳接触面的接触应力沿接触路径分布曲线，如图8所示。

图7 不同橡胶硬度下密封面最大接触应力曲线

图8 不同橡胶硬度下沿路径接触应力分布曲线

由图7、图8可知，随着橡胶硬度的增大，密封圈与外壳接触面最大接触应力值逐渐增大。在密封圈的两端，接触应力较小；在密封圈的中下部，接触应力较大且出现峰值。在一定硬度范围内，最大接触应力值随橡胶硬度的增加而增加，这是因为随着硬度的增加，密封圈接触得更加紧密，接触面积增加，接触应力变大。

6 结论

通过有限元软件对新型密封圈的密封性能进行分析，并研究了不同因素对新型密封圈密封性能的影响，得到以下结果：

1）随着压缩位移量的增加，新型密封圈密封面最大接触应力先减小后增大，当压缩位移量在1.6 mm~1.8 mm之间时，接触应力最大值相对较小，不利于新型密封圈的密封。

2）随着密封圈压差、橡胶硬度的增加，新型密封圈接触面最大接触应力也随之增加。因此，选择合适的压差和密封圈硬度对获得可靠的密封性能非常重要。