水下卧式采油树井口连接器VX钢圈力学特性研究

VX钢圈是水下卧式采油树连接器上的全金属锥形密封圈,其性能好坏直接影响着采油树功能的实现。为保证密封件的性能,需要进行密封件力学特性及相关参数的计算。根据VX钢圈密封的工作原理,对VX钢圈密封锥面进行预紧及操作工况下的力学分析,推导出了VX密封钢圈的预紧接触应力和操作接触应力公式,并用ABAQUS有限元法对推导的VX钢圈的设计计算公式进行验证及相关分析,指出在操作工况下,钢圈接触应力与内压呈线性关系,先随内压增大而降低,到达最低值后,则随内压增大而线性增大,钢圈实现自紧密封。     

双楔角环垫法兰接头密封性能研究

螺栓法兰接头的泄漏直接影响工业生产安全及环保达标,其密封性能的提高和研究具有重要意义。针对双楔角环垫法兰接头,利用有限元分析软件ABAQUS分别进行了预紧、操作工况下的密封性能分析。研究结果表明,在螺栓预紧力、内压及端部载荷的作用下,垫片在操作工况的接触应力整体略高于在预紧工况的,主法兰最大应力出现在凸出端,从法兰最大应力出现在与垫片配合使用的台阶处,法兰最大位移及转角均发生在操作工况下,各部件均满足强度及刚度要求且垫片最小接触应力满足密封所需的要求。     

水下采油树油管挂K形金属密封性能分析

水下采油树是水下生产系统中的重要设备,其中油管悬挂器作为井液的必经通道,其密封性能不容忽视。利用ABAQUS软件对油管悬挂器K形金属密封建立二维轴对称模型,对K形密封在预紧工况以及69 MPa介质压力的工作工况下进行有限元分析,得出其装配时最佳过盈量的范围以及在此范围内的最大MISES应力、接触应力的分布情况。结果表明:在工作工况下,K形密封圈的最大MISES应力略大于材料的屈服强度,密封圈发生了较小的塑性应变,其最大接触应力能很好地满足密封要求,可以实现密封。     

水下井口连接器密封结构性能分析

水下井口连接器在生产过程中面临的工况和环境较复杂。通过有限元计算,分析了连接器在安装预紧工况和生产工况下密封圈的密封性能。研究了轴向预紧力、密封圈接触应力和径向压缩量等参数之间的相互影响规律。通过编写Abaqus的inp程序,分析完井与修井工况下承受弯矩载荷的井口连接器密封性能,研究了金属密封圈左右接触面不同弯矩载荷下的接触应力相互影响规律。分析结果表明,连接器在承受2.02×10~6N·m的弯矩条件下,金属密封圈虽然发生面积较大的屈服,但是仍然具有密封性,能够有效密封内压。研究成果可为水下井口连接器的安全应用提供参考。     

特殊螺纹石油套管接头密封结构优选

为了保证石油套管接头在高温、高压及强腐蚀工作环境下的密封完整性,采用金属对金属的密封方式代替橡胶密封。阐述了金属对金属密封的密封机理,根据厚壁圆筒弹性力学理论,推导出了石油套管接头锥形密封面最大过盈量的计算方法。利用有限元分析软件Marc建立石油套管接头的二维轴对称模型,分析了不同过盈量下密封面锥度和扭矩台肩角度对接头密封性能的影响,并对密封结构参数进行优化。采用有限元法与全尺寸试验相结合的方法验证石油套管接头在机紧、机紧+拉伸、机紧+拉伸+内压3种工况下的密封性能,结果表明该石油套管接头满足密封要求,在机紧+拉伸工况下接头的密封强度最差,设计时应优先考虑该工况。研究结果对特殊螺纹接头的开发和使用具有较高的参考价值。     

基于ANSYS的法兰应力分析与评定

应用ANSYS有限元分析软件,建立法兰的力学模型,分别计算预紧工况和操作工况下的法兰应力分布,进而得出法兰的交变应力强度幅,并对其进行应力强度和疲劳强度评定。     

油气压力随机波动下水下连接器密封特性对比

为获得油气压力随机波动下具有不同密封结构的水下连接器的密封特性,以透镜式密封结构和VX钢圈密封结构连接器为研究对象,建立了油气压力的随机波动模型,以密封面最大接触应力、有效接触宽度和密封件回弹量为密封性能指标,采用有限元方法对比分析了不同连接器的密封特性。分析结果表明:在考虑油气压力随机波动时,透镜式密封结构的最大接触应力、接触宽度和回弹量的均值及方差均高于VX钢圈密封结构的对应值;在油气压力随机波动下,透镜式密封结构密封性能优于VX钢圈密封结构; VX钢圈密封结构在密封面有效接触宽度和密封件回弹量指标方面具有更好的统计稳定性。所得结论可为水下生产连接器的优化设计及现场应用提供参考。     

基于ANSYS的法兰应力分析与评定

应用ANSYS有限元分析软件,建立法兰的力学模型,分别计算预紧工况和操作工况下的法兰应力分布,得出法兰的交变应力强度幅,并按照JB4732标准对其进行应力强度和疲劳强度评定。     

非圆形平盖下透镜垫密封研究

采用有限元方法,建立了非圆形平盖下透镜垫密封结构模型,分析了预紧状态和操作状态下透镜垫应力及透镜垫密封面的应力,分析了预紧力及内压对密封性能的影响,验证了此密封结构的可靠性。指出预紧力在透镜垫密封结构中起主要作用,自紧性起次要作用。     

管程介质温差对管箱法兰密封性能的影响

利用ANSYS软件建立了U形管换热器或浮头式换热器管箱法兰密封系统三维有限元模型,并将预紧状态与操作状态紧密联系,在一定程度上分析了在预紧、只有压力作用以及压力与温差共同作用时3种工况下管箱法兰的密封性能。     

尾管顶部封隔器密封元件的设计计算与有限元分析

密封元件是封隔式尾管悬挂器的核心部件，其性能好坏直接影响到整套工具的作用效果。对封隔式尾管悬挂器的核心元件——胶筒进行了分析研究，通过理论分析计算出了胶筒坐封后的接触应力、坐封力，分析了影响密封元件接触应力和坐封力的因素。建立了胶筒几何模型，并应用ANSYS软件对密封元件进行了有限元分析，得出了胶筒胀封时的应力云图，为封隔式尾管悬挂器密封元件的设计提供了依据。     

井下封堵球密封副接触应力建模与分析

封堵球密封副的密封性能是井下作业成败的关键,密封副接触应力的大小反映其密封能力。针对井下封堵球密封副的密封原理,分别建立了密封副接触应力的物理模型和有限元模型,通过实例模拟对比了二者的计算结果,分析了密封副几何结构和密封副材料特性对接触应力的影响规律。分析结果表明,封堵球密封副的接触应力可通过物理模型法或有限元法计算,二者模拟结果近似程度高,偏差较小;物理模型法可以反映模拟参数对最大接触应力的连续影响关系,有限元法可以模拟接触应力在密封副上的分布;在相同工况下采用小半锥角设计或选用较高弹性模量的封堵球材料均可增大密封副的接触应力,从而提高密封性能。     

水下采油树油管悬挂器K形金属密封环密封性能模拟分析

水下采油树油管悬挂器的密封性能直接关系到水下采油树工作的可靠性,密封一旦失效,将会导致生产通道中的原油及生产过程中注入的化学试剂发生泄漏,造成环境污染。本文利用ABAQUS软件建立了真实工况下(最大水深1 500 m,压力等级69 MPa,温度等级180℃)水下采油树油管悬挂器K形金属密封环的有限元模型,分析了不同初始过盈量、工作压力和工作温度对金属密封环最大Mises应力和最大接触应力的影响。分析结果表明,K形金属密封环的最大Mises应力和两侧的最大接触应力随着工作压力的增加而增加,最大Mises应力和外侧的最大接触应力随着过盈量的增大而减小,内侧的最大接触应力则随着过盈量的增大而增大,而工作温度对其影响不大。在不同工作温度和过盈量一定的条件下,当工作压强小于40MPa时,K形金属密封环两侧的最大接触应力均超过介质压力的2~3倍,而当工作压强大于40 MPa时,K形金属密封环外侧的最大接触应力超过介质压力的10倍,因此K形金属密封环在各种工况下均能满足密封准则,能对油管挂形成良好的密封。本文研究结果对水下采油树油管悬挂器的密封设计有一定的指导意义。     

基于有限元的法兰接头强度特性分析

法兰连接具有较高的强度和密封性,被广泛地用于石油化工设备和管道中。依据有限元原理,建立了由法兰、垫片和螺栓组成的连接有限元模型,并在有限元软件中对法兰的应力、应变进行了分析,研究了螺栓预紧力、介质压力对法兰应力、应变和密封性能的影响。分析结果表明,螺栓的预紧力越大,法兰的Von Mises应力、接触应力和变形量就越大;当螺栓预紧力大于140 kN时,法兰盘的螺栓孔附近发生塑性变形;预紧状态下的法兰面接触应力大于工作中的接触应力;介质压力越大,法兰的Von Mises应力值越大,法兰面上的接触应力越小。     

水下湿式电连接器密封件寿命预测

水下湿式电连接器是一种工作在海水、油液及钻井液中的连接水下设备的连接装置,基于严酷的工作环境,其密封技术极其重要,因此密封件的寿命很大程度上决定了水下湿式电连接器的工作寿命。以压缩永久变形率作为老化特性指标,研究基于恒定温度作用下的水下湿式电连接器寿命计算方法。通过建立热电耦合的有限元模型,分析得到工况下密封件的温度分布。同时建立了基于阿伦尼乌斯公式的寿命预测模型,依据国标试验中测量出的不同温度下密封件寿命和压缩永久率对应的数据,通过逐步搜索法编程计算公式的系数,编写了温度作用下的寿命预测算法,将有限元计算结果代入算法,得到橡胶密封件的压缩永久变形率和温度对应与其寿命值的曲线关系图。该方法对水下湿式电连接器寿命预测具有重要意义。     

打捞震击器力学分析

针对深井、斜井、水平井打捞作业中遇到的复杂解卡问题,对打捞工况进行了震击力学研究。基于弹性理论与动力学理论相结合的方法对打捞震击器震击力进行分析,推导出震击力计算公式。通过实例计算,建立函数关系分析了大钩拉力载荷、钻柱弹性伸长量、震击器上部悬重和震击器行程对震击力的影响,为打捞震击器的结构设计和现场应用提供参考。     

孔隙流体对井眼稳定的影响

应用固体力学方法推导了孔隙弹性体方程，由渗流力学理论得出孔隙流体压力分布。用有限元方法进行应力分析及设计保持井眼稳定的泥浆密度。本文给出的计算公式对选择完井方式也有指导意义。     

水下湿式电连接器密封组件密封性能模拟与分析

利用ANSYS有限元软件建立了水下湿式电连接器橡胶密封组件在工作工况下(最大水深500 m,往复插拔运动)的二维有限元简化模型,模拟分析了不同表面摩擦系数、不同径向压缩量及动静密封状态下密封区域的接触应力分布情况,分别利用经验公式法和雷诺方程分析法计算了泄漏量,对密封组件密封性能进行了定量分析。结果表明:密封区域的接触应力随表面摩擦系数增大而增大,但当表面摩擦系数为0.20时密封区域局部失效;不同径向压缩量情况下瞬时动密封的接触应力均高于静态密封的接触应力;密封组件径向压缩量增大,接触应力也随之增大,但当径向压缩量为1.0 mm时密封区域局部失效。经验公式法和雷诺方程分析法计算的泄漏量均小于规范的最大泄漏量标尺,表明水下湿式电连接器密封组件具有良好的密封性能,但经验公式法比雷诺方程计算的结果相对偏小,主要原因是雷诺方程计算侧重的是接触面的湿摩擦,而经验公式侧重的是接触面的干摩擦。本文研究结果对水下湿式电连接器密封结构设计和相关参数选取有一定的指导意义。     

水下湿式电连接器密封组件密封性能模拟与分析

利用ANSYS有限元软件建立了水下湿式电连接器橡胶密封组件在工作工况下(最大水深500m,往复插拔运动)的二维有限元简化模型,模拟分析了不同表面摩擦系数、不同径向压缩量及动静密封状态下密封区域的接触应力分布情况,分别利用经验公式法和雷诺方程分析法计算了泄漏量,对密封组件密封性能进行了定量分析。结果表明:密封区域的接触应力随表面摩擦系数增大而增大,但当表面摩擦系数为0.20时密封区域局部失效;不同径向压缩量情况下瞬时动密封的接触应力均高于静态密封的接触应力;密封组件径向压缩量增大,接触应力也随之增大,但当径向压缩量为1.0mm时密封区域局部失效。经验公式法和雷诺方程分析法计算的泄漏量均小于规范的最大泄漏量标尺,表明水下湿式电连接器密封组件具有良好的密封性能,但经验公式法比雷诺方程计算的结果相对偏小,主要原因是雷诺方程计算侧重的是接触面的湿摩擦,而经验公式侧重的是接触面的干摩擦。本文研究结果对水下湿式电连接器密封结构设计和相关参数选取有一定的指导意义。     

基于薄壳理论的焊接金属波纹管失弹机理研究

依据弹性薄壳理论中应变位移关系以及材料的应力松弛理论,导出了机械密封用焊接金属波纹管在实际工况下的失弹方程,得到了波纹管的失弹曲线。根据试验得到的材料应力松弛曲线,确定了材料在工况温度下的应力松弛参数值。在ANSYS Workbench中对波纹管失弹进行有限元分析,将有限元分析结果与理论计算结果对比。研究结果表明,理论计算公式能较好地描述波纹管长期在高温下工作的失弹现象,有限元分析验证了采用弹性薄壳理论建立失弹方程的正确性,可为波纹管的可靠性研究提供依据。