特殊密封面O形圈非标密封槽结构研究

针对恶劣环境下卡爪式水下连接器工作可靠性问题,对连接器的环境外压密封性能进行研究。通过对现有连接器金属密封圈上O形密封圈沟槽进行分析,指出原标准密封槽的改进方向,即对O形密封圈提供很好固定且有一定容纳空间。在现有标准密封槽基础上,提出一种特殊密封面O形圈非标密封槽结构,根据设计的沟槽参数,对O形圈的密封性能进行理论计算,验证了非标沟槽的可行性。最后对具有非标密封槽的金属密封圈进行外密封性能试验研究,验证了该非标密封槽在正常工作环境及恶劣工作环境下的外密封性能。     

水下井口连接器密封性能影响因素分析与优化

水下井口连接器作为连接高压井口与水下采油树、防止井内高温高压流体泄漏的关键设备,其承受着极其恶劣的载荷作用。为研究内压工况下流体渗透压力对井口连接器金属-金属密封的影响,以自主研制的井口连接器为对象,考虑流体渗透压力对VX钢圈密封性能的影响,运用ABAQUS软件分析了井口连接器在预紧和内压工况下的密封性能,探究了预紧力、介质压力、密封圈材料性能和结构参数对其接触应力的影响规律。研究结果表明：轴向预紧力是影响连接器密封性能的重要因素,在保证连接器结构强度下应尽量增大预紧力;随着内压的增大,上密封面的接触应力增加,趋势与下密封面相比较增加速率变低,且下密封面接触应力大于上密封面;316L不锈钢满足密封准则,用其作为密封圈材料更为经济;最优密封锥面锥角α为22.75°,最优密封面宽度b₀为28mm。所得结论可为其他类型水下井口连接器的密封结构设计提供依据。     

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。     

水下采油树油管悬挂器密封技术研究与发展趋势

水下采油树油管悬挂器是水下生产系统的关键设备,其密封性能关系到深水石油开发的成败。介绍了国外ABB Vetco Gray公司、Cameron公司、Dril-Quip公司和FMC公司的水下油管悬挂器密封技术,阐述了密封作用的原理,并对国外公司不同类型密封圈的性能进行了对比。同时分析了水下油管悬挂器密封的关键技术,总结了高温、高压、强腐蚀环境下油管悬挂器密封的发展趋势,最后指出金属与非金属组合的密封形式是当前水下油管悬挂器密封设计的主流,PTFE和PEEK等密封材料的发展将大大增强悬挂器的密封性能,其他新材料的出现也必将提高悬挂器密封的可靠性。     

深海水下闸阀和驱动器密封可靠性研究

深海水下闸阀和驱动器是水下采油树、出油管线、水下管汇系统等水下生产系统装备中不可或缺的设备，其密封的可靠性是影响使用性能和寿命的关键，同时也是该类阀门及驱动器国产化研究的重点。基于对国内外水下闸阀及驱动器的技术特点和应用情况的分析，结合该部件国产化研制的情况，围绕水下闸阀和驱动器密封性能研究这一关键技术问题，从密封结构设计、密封性能分析、密封可靠性验证方法研究、产品样机密封试验验证过程和问题处理等内容进行了全面的分析和研究。针对故障率较高的闸阀密封，创建了阀座密封分析模型，对比分析了不同工况下C形金属密封环的受力和变形趋势，得出了该类密封圈结构优化方案，通过PR2F性能试验验证了设计的可行性，指出影响产品密封性能的主要因素，解决了水下闸阀和驱动器国产化关键技术问题。研究结果可为提升该产品性能和国产化开发提供技术指导。     

磁记忆信号用于高压金属密封的密封性检测

为了实现金属密封圈密封状态的在线检测和早期诊断,采用金属磁记忆检测技术监测法兰螺栓所受应力。法兰受内压作用时,金属密封圈弹性变形量发生改变,从而使螺栓所受应力发生改变,因此可由螺栓所受应力判断金属密封的密封状态。磁记忆检测结果分析表明,金属密封环的密封性与螺栓应力状态相关联,可通过检测螺栓应力状态反映金属密封环的密封性;便携式磁记忆监测装置可以很好地同时监测法兰盘上多个螺栓的应力状态,进而实现对密封圈密封状态的快速在线检测。通过对磁记忆检测结果的分析,结合螺栓应力状态与金属密封性之间的关系,得到了高压金属密封密封性失效的磁记忆判定准则。     

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。     

管道快速连接器金属密封环密封性能研究

海洋管道中卡箍式快速连接器采用金属与金属的硬密封,然而有关快速连接器金属密封环密封性能的相关仿真和分析还不够完善。为此,基于弹塑性本构模型,利用ABAQUS软件建立了管道快速连接器的关键密封结构的二维轴对称有限元模型,分析了其密封建立过程,以及材料屈服强度和几何参数对金属密封环密封性能的影响。研究结果表明:金属密封环的接触正压力随着载荷增加呈双线性增大,密封区域由线性密封过渡到面密封;金属密封环线密封比压随屈服强度提高而增加,当屈服强度达到一定值后,将不再对线密封比压产生显著影响;密封接触宽度随屈服强度增大而减小,应选择合适屈服强度的金属材料;线密封比压随着金属密封环厚度、角度差和间隙的增加而逐渐增大,其中间隙影响最大,密封环厚度的影响较小,调节安装间隙可使密封环达到良好的密封状态。研究结果可为海洋管道快速连接器金属密封环的选用和设计提供理论依据。     

油管悬挂器U形金属圈密封性能研究

在油气开采向深水、高温、高压环境发展的大趋势下,密封技术决定了水下生产系统的可靠性和安全性。 设计了一种水下油管悬挂器出油口处U形金属圈,以密封性能和结构强度2个评判指标来评定金属密封圈的性能。参考AMSE Ⅷ-2中的结构塑性垮塌分析和局部失效的分析方法,结合有限元数值模拟研究U形金属圈在1.5倍额定工作压力的测试压力下的密封性能和结构强度。结果表明:在预紧和生产工况下,U形金属圈的密封性能满足设计要求,其接触唇有效接触宽度上的接触压力均满足预紧比压和工作比压要求。在测试工况下,密封圈整体结构满足防止塑性垮塌和局部失效评定的要求,但密封圈接触唇处易发生局部失效,应重点设计其接触唇的圆弧曲率半径。     

水下采油树S密封结构优化与试验研究

S密封作为水下采油树的非金属密封圈，是水下安全生产的关键部件之一。以S密封为研究对象，进行了结构和密封机理的研究并对其结构参数进行优化。通过建立有限元仿真模型，研究了密封圈截面长度、截面宽度、弹簧直径及圆弧半径等参数对密封圈性能的影响规律，并根据影响显著性采用响应面法对密封圈的关键结构参数进行优化分析，以最小等效应力与最大接触应力为目标，对密封圈结构参数进行优化。将优化后的S密封与优化前进行对比，结果得出在安全性能和密封性能上S密封均有显著的提升；最后通过静压试验对S密封进行了密封性能测试，试验结果表明S密封满足密封性能要求。研究方法和结果可为S密封以及其他类似结构密封圈的结构优化提供理论依据及数据参考。     

水下跨接电缆湿式接头多级密封结构设计

针对中国南海某油田开发项目中水下采油树及电潜泵使用的水下跨接电缆,研究了其湿式电接头在插合全过程的密封性能.根据实际工况的湿式电接头母头,设计了一种多级密封结构,对其密封结构及插合过程进行力学分析,并辅以有限元分析进行验证,用以保障湿式电接头在插合全过程的密封性能.     

深海油气管道连接器密封机理与多目标优化研究

深海油气管道连接器的结构参数直接影响其密封性能,因而对连接器进行密封机理分析与结构参数优化研究具有重要的意义。为此,首先分析了金属接触静密封的形成机理,建立了连接器形成可靠密封的临界条件;基于接触力学推导出临界弹塑性接触压力均值的计算公式,并计算出219 mm连接器的临界值为370 MPa;应用ANSYS参数化设计语言(ANSYS Parametric Design Language,APDL),对连接器的结构参数进行了灵敏度分析,确定了影响密封性能的5个关键结构参数。进而以主、次密封面上的接触压力方差为2个目标,以主、次密封面上的接触压力均值和最大塑性应变为约束变量,运用多目标遗传算法(Multi-Objective Genetic Algorithm,MOGA)对连接器进行了优化设计,结果表明:接触压力方差显著减小,接触压力均值大于370 MPa,塑性应变较小。最后对优化前后的深海管道连接器进行了水压和拉伸试验,结果表明:优化之后的连接器承受水压能力大于设计极限压力18 MPa,承受轴向拉力大于7.0×10~5 N。该方法对于其他尺寸深海管道连接器的设计具有参考价值。     

新型金属挤压密封式光缆连接器

光纤测试是油气井井下测试技术研究的热点和难点之一。为解决光纤测试井下光缆的连接问题,研制了新型金属挤压密封式光缆连接器。这种光缆连接器由光缆连接与密封、光纤保护和试压等部分组成。连接器采用光纤熔接、金属双卡套挤压密封方式,解决了安装、密封与光纤连接3项关键技术。现场应用表明,该光缆连接器具有操作简单,连接快速,性能可靠的优点,可用于固定式和活动式光纤井下测试中的传感器连接和光缆连接。     

基于AMESim的深水连接器驱动环液压缸同步仿真

深水垂直套筒式连接器工作过程中最重要的环节是卡爪合拢锁紧密封件,而为了给密封件提供均匀分布的预紧力,3驱动环液压缸的同步运动尤显重要。为此,应用AMESim软件建立了3驱动环液压系统仿真模型,对深水垂直套筒式连接器驱动环3个液压缸进行同步仿真分析。分析结果表明,不同负载对系统同步有很明显的影响,且随着偏载差值的增大,系统同步误差增大,压力损失增大;分流集流阀对液压缸同步有明显的改善作用,消除了系统活塞杆的不稳定运动,控制了系统的流量及活塞杆的运动同步性,改善了系统的动态性能,有利于深水垂直套筒式连接器功能的实现。     

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。     

牙轮钻头SEMS2单金属浮动密封结构的改进

为了解决单金属浮动密封结构复杂和研制困难的问题,提出了一种改进型单金属浮动密封结构(GSEMS),它采用1个异形橡胶密封环代替O形橡胶圈和支持橡胶环,简化了密封结构,也减轻了它与轴颈之间的磨损。采用有限元软件对第2代单金属浮动密封(SEMS2)和GSEMS进行装配过程模拟,结果表明,两者在密封面上具有相近的受力分布和密封能力,能使用较软的橡胶材料得到较大的密封力,减小了静环内锥面和橡胶之间的缝隙,具有良好的密封性能。     

装卸作业接头密封圈失效LNG泄漏数值模拟研究

在LNG槽车装卸作业过程中,LNG快速接头长时间在低温高压下工作,接头的密封圈极易损坏,导致LNG泄漏,其后果不堪设想。使用FLACS建立LNG泄漏扩散模型,并以Falcon系列实验的现场实验数据验证了该LNG泄漏模型有效性。再以装卸作业时LNG快速接头密封圈失效导致LNG泄漏扩散为研究对象,建立LNG装车区实体模型,并分析该泄漏工况下LNG扩散规律、危险区域范围、可燃气云TNT当量和影响因素。结果表明,在密封圈完全失效的情形下,LNG扩散形成的燃烧爆炸危险区域最大直径为58 m,形成的可燃气体云团体积最大为178.7 m³,其TNT当量最大约为24 kg。      

水下基盘导向桩连接器设计与应用

为解决水下基盘在钻完井作业中导向绳和导向桩必须整体取出、整体下入等问题,研制了水下基盘导向桩连接器。在对连接器主要结构进行理论分析的基础上,应用有限元法对该工具的外壳、环形套筒、套筒底座进行分析,证明工具结构的安全性。室内试验表明,水下基盘导向桩连接器能在设计方案下快速连接释放。该工具已应用20多井次,累计使用时间达888 d,表明连接器可使用ROV液压工具进行操作,性能指标满足海洋钻井和修井要求,大幅节省作业时间、降低作业风险、提高作业时效、节省费用。     

端面金属自密封特殊钩形螺纹有限元分析

针对常规API套管螺纹在膨胀时不能保持其结构和密封性能的问题,设计了一种端面金属自密封的膨胀套管特殊钩形螺纹结构,根据弹塑性有限元理论,建立了该特殊螺纹的有限元模型,模型结构中包括膨胀锥、膨胀套管及其特殊螺纹结构,研究了膨胀过程中特殊螺纹部分的Von Mises应力分布大小,结果表明该螺纹满足力学要求。分析了套管膨胀后端面金属自密封处的密封性和特殊螺纹部分的密封性,最终提出在预留退刀槽部分设计安装1个橡胶密封圈,增加1个密封圈后,能够保证该特殊钩形螺纹的密封完整性,为膨胀套管特殊螺纹结构设计提供了理论依据。