摘要: 盤根密封是水龍頭的關鍵環(huán)節(jié),其性能直接影響水龍頭的壽命和鉆井速度。通過對國民油井公司的一種高壓水龍頭與現(xiàn)有水龍頭密封結(jié)構(gòu)的對比,綜合分析了密封的破壞原因。按其工作原理,利用ANSYS 有限元工程分析軟件分析了密封圈接觸壓力,指出了采用高壓潤滑油隔離泥漿的合理依據(jù)。針對目前國內(nèi)水龍頭在高壓下密封壽命極短這一問題,提出了改進措施與方法,對于國內(nèi)高壓水龍頭設計具有一定的參考價值。

　　關鍵詞: 水龍頭; 盤根裝置; 高壓; 磨料磨損; 動密封

　　石油鉆井中的水龍頭上部通過鵝頸管與水龍帶、泥漿泵相連接,下部連接旋轉(zhuǎn)中心管,向旋轉(zhuǎn)著的鉆柱內(nèi)引輸高壓鉆井液。水龍頭盤根旋轉(zhuǎn)動密封是水龍頭設計的關鍵環(huán)節(jié),密封介質(zhì)為高壓、磨礪性強的鉆井液,盤根密封是轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)的動密封。尤其是在高壓下,鉆井液盤根密封系統(tǒng)是水龍頭的薄弱環(huán)節(jié),其密封性能直接影響水龍頭的壽命和鉆井速度。

　　1　水龍頭密封結(jié)構(gòu)

　　1. 1　現(xiàn)有水龍頭密封結(jié)構(gòu)與工作原理

　　國內(nèi)目前使用的水龍頭大多采用液壓自封式密封結(jié)構(gòu),如圖1 ,在泥漿壓力作用下 Y型密封圈唇部始終壓緊沖管外壁,基本可以滿足中深井工作要求。

　　圖 1　Y 型密封圈結(jié)構(gòu)

　　傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆井水龍頭盤根密封結(jié)構(gòu)如圖 2 ,與泥漿接觸的第1 級密封圈一側(cè)承受全部泥漿壓力,而背部則為大氣壓力,其他密封圈處于閑置狀態(tài),直到上一級密封圈失效,下一級密封圈就如同第1 級密封圈一樣作用。

　　圖 2　傳統(tǒng)盤根密封結(jié)構(gòu)

　　密封盤根與下密封盒一起隨中心管旋轉(zhuǎn),沖管工作時不旋轉(zhuǎn),但允許略有軸向竄動,沖管磨損均勻。

　　1. 2　水龍頭失效分析

　　根據(jù)現(xiàn)場使用情況,傳統(tǒng)水龍頭基本上能滿足6 000 m 以下的鉆井要求。但是,隨著泥漿壓力增高,傳統(tǒng)水龍頭壽命急劇減少,當壓力升高到 35MPa時,沖管和盤根只能滿負荷工作 100 h ,當泵壓急劇升高時,通常只能維持50h。而當前鉆井技術要求的泥漿壓力非常高,因此,許多傳統(tǒng)水龍頭裝置已經(jīng)達不到使用要求。

　　分析其失效原因,主要是泥漿壓力增大,磨損加劇,導致壽命減少; 另一方面是盤根轉(zhuǎn)動慣量和離心力較大而引起的附加振動。

　　摩爾認為,兩表面在相對滑動時,橡膠的磨損有3 種形式, 即磨料磨損、疲勞磨損、卷筒形成磨損。

　　水龍頭的密封介質(zhì)是磨礪性強的鉆井液,磨粒磨損是盤根密封磨損的主要原因。根據(jù)拉賓諾維奇( Rabinowicz) 提出的磨料磨損簡化模型,可以粗略解釋來說明磨損率大小的相對變化。假設n 個具有頂角為 2θ的硬圓錐微凸體,在法向載荷F 的作用下,在σ sy為軟材料的屈服應力軟表面上的滑動距離為L ,則在軟表面上除去的材料體積WV 為

　　可見,磨損量與法向載荷和滑動距離基本上成正比利用ANSYS 有限元軟件,分析在不同泥漿壓力下Y 型密封圈抱緊盤根的接觸壓力,分析模型簡化為軸對稱模型,如圖 1。橡膠單元采用超彈性單元 HYPER56 , 模型中的接觸單元由接觸單元CONTA171 和目標單元TA RG E169 配對組成。分析中采用的橡膠材料模型為近似不可壓縮彈性材料的Moo ney-Rirlin 模型,與材料的應變能偏量部分有關的2 個材料常數(shù)C1 和C2 分別為1 . 87 和0 . 47

　　圖3 是泥漿壓力為 15 MPa 下的密封圈 Von Mises應力和接觸壓力分布云圖。

　　圖 3　15 MPa下的密封圈 Von Mises 應力和接觸壓力

　　不同泥漿壓力下的接觸壓力如表1 ,密封圈接觸壓力變化如圖4。由表 1 和圖 4 可見, Y 型密封圈接觸壓力高于泥漿壓力,滿足密封要求; 隨著泥漿壓力升高,Y 型密封圈抱緊盤根的接觸應力相應增高,其磨損速度加快,導致水龍頭的壽命極短。

　　綜上分析,動密封不能單純依靠密封結(jié)合面之間的間隙來實現(xiàn)密封,因為間隙愈緊密,對偶表面相對運動時的摩擦阻力就愈大,磨損快,使密封很快失效。因此動密封作用原理的要點是既要保持密封而又不產(chǎn)生較大摩擦磨損,包括減小密封兩側(cè)的壓力差、使結(jié)合面之間保持流體潤滑膜等。

　　圖 4　密封圈接觸壓力

　　表 1　不同泥漿壓力下的接觸壓力

　　2　新型液壓密封結(jié)構(gòu)

　　National Oilw ell 和 Kal si Engineering 公司設計的沖管盤根密封系統(tǒng)即新型液壓密封結(jié)構(gòu),其設計壓力達到52. 5 MPa ,工作壽命為傳統(tǒng)水龍頭盤根密封的5 倍。

　　2. 1　結(jié)構(gòu)

　　如圖5 ,沖管與旋轉(zhuǎn)中心管剛性連接,上盤根盒與鵝頸管剛性連接; 下盤根為靜密封,卡環(huán)保持沖管與調(diào)整環(huán)的相對徑向位置,沖管與下盤根盒的徑向間隙通常在0. 5 ～ 0 . 6 mm 之間,以保持沖管相對于中心管完全靜止; 上盤根為動密封,上盤根盒和隔環(huán)的間隙通常在0 . 3 ～ 0. 4 mm 之間,當數(shù)值為0. 3 mm ,以允許一定的徑向偏差。

　　圖 5　國民油井公司的盤根密封結(jié)構(gòu)

　　與傳統(tǒng)水龍頭相比,沖管隨中心管旋轉(zhuǎn),動密封的盤根盒不轉(zhuǎn),沖管磨損比較均勻,避免了盤根轉(zhuǎn)動慣量大可能引起的附加振動。

　　2. 2　原理

　　該沖管盤根密封系統(tǒng)通過給密封圈低壓力側(cè)提供增壓潤滑油來降低有效壓差,提高密封壽命。高壓潤滑油壓力是按泥漿比例預先確定的,其值在泥漿壓力與大氣壓之間,通常設定每個密封圈都承受相同的壓差。潤滑油的壓力一般都低于泥漿壓力,防止?jié)櫥蛪毫^度而泄露。

　　由于泥漿液中含有固體顆粒,因此,與泥漿接觸的第1 個密封圈的背壓實際上高于泥漿壓力。如圖6 ,密封圈設計為“漂浮”在油上,很像汽車車輪在濕路上打滑; 少量的潤滑油從密封圈滲出來,保證鉆井泥漿液不和密封面接觸; 沖管盤根實際上是通過潤滑油的“適量泄露”來延長壽命的。

　　高壓潤滑油是由一套液壓裝置提供的,如圖7。潤滑油壓力源來自泥漿壓力,通過液壓缸分配各級潤滑油壓力。每個與密封圈背部腔室相連的管道都配有止回閥,防止密封盤根的泥漿壓力倒流回液壓缸。

　　圖 6　國民油井公司新型沖管密封結(jié)構(gòu)

　　密封圈采用 Kalsi Engineering 公司開發(fā)的流體動壓圈密封結(jié)構(gòu)( 彈性橡膠流體動壓徑向密封圈),該結(jié)構(gòu)有流體動壓潤滑和阻止磨粒侵入作用2個主要特點。利用流體動壓效應,在動密封面之間形成一層能避免 2個相對運動表面直接接觸的動壓油膜,從而降低密封圈運行時的磨損和摩擦熱[ 6 -7 ]。

　　圖 7　國民油井公司盤根液壓缸系統(tǒng)

　　2. 3　特點

　　a)　隔離密封系統(tǒng)　泥漿中含有大量固體顆粒,磨粒磨損是密封圈主要的磨損形式。因此,該液壓沖管系統(tǒng)的密封首先采用隔離密封系統(tǒng),在與泥漿接觸的密封圈背部提供略高于泥漿壓力的潤滑油,沖洗泥漿,凈化介質(zhì)。工作時,通過潤滑油適量的、有控制的泄露,使泥漿不和密封面接觸,以阻止泥漿磨粒侵入到動密封面之間。

　　b)　Kal si密封圈　Kalsi 密封圈主要有流體動壓潤滑和阻止磨粒侵入2 個作用。

　　3　結(jié)論與建議

　　1) Y 型密封圈接觸壓力高于泥漿壓力,滿足密封要求; 接觸壓力隨泥漿壓力增加而增大。

　　2)　采用高壓潤滑油隔離系統(tǒng)沖洗泥漿,凈化介質(zhì); 在每一級密封圈背部提供高壓潤滑油,減小有效壓差。

　　3)　動壓圈密封結(jié)構(gòu)利用動壓效應能有效潤滑。

　　4)　采用沖管旋轉(zhuǎn)、盤根密封靜止結(jié)構(gòu),減小旋轉(zhuǎn)離心力,消除潛在振動。

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