径向金属密封唇部结构接触力学研究

由于初始过盈量和介质压力的作用,井下流量控制阀径向金属密封唇部的应力和应变梯度变化很大,很容易发生塑性变形。为研究径向金属密封唇部接触力学行为,提出径向金属密封唇部的圆弧结构,基于接触力学建立径向金属密封唇部轴对称结构的圆弧-平面接触模型,得出径向金属密封唇部结构接触力学参数的理论关系式,并基于有限元方法进行验证。径向金属密封唇部接触力学参数的理论解与数值解相符,接触宽度、最大接触应力、初始过盈量和平均接触应力的平均相对误差分别为8.86%、6.96%、8.88%和4.33%,满足工程设计要求。研究表明：径向金属密封唇部的最大接触应力与初始过盈量、径向金属密封唇部径向厚度和轴向厚度成正比,与径向金属密封唇部圆弧半径成反比,因此可通过增加初始过盈量、径向金属密封唇部径向厚度和轴向厚度来增加径向金属密封唇部的最大接触应力。研究结果为井下流量控制阀径向金属密封的设计提供了理论指导。     

井下智能流量控制阀开度控制系统设计

井下流量自动控制是实现油层分层开采和控制的重要手段,井下流量自动控制阀则是现代智能井技术的重要装备。为实现井下流量控制阀的开度控制,采用直流电机作为执行元件带动阀门机构达到预定的开度位置。以高性能低成本的STM32系列芯片为核心控制器设计了井下智能流量控制阀开度控制系统,提出了控制系统的软硬件设计方案和控制策略。针对流量控制阀的开度控制系统,研究了模糊PID控制算法。实验结果表明,所开发的开度控制系统结构简单,控制精度高,能够满足井下应用要求。     

流量控制阀在智能完井中的应用分析

智能井技术是一种新兴油藏生产管理技术,通过地面控制系统,协调控制井下各产层的生产。从单井开采控制、多层合采控制等方面介绍流量控制阀的应用,并通过流体动力学来探讨节流面积、过流流量和阀前后压差间的数值关系,为节流阀的设计提供有力的理论依据。并通过CFX建立流量控制阀的流场数值模型,进一步的验证节流面积、过流流量和阀前后压差间的关系。     

井下V形金属密封环密封性能研究

提出一种适用于井下复杂环境的V形金属密封环,利用压力密封装置模拟40 MPa压差工作环境,研究V形金属密封环在井下流量控制阀中的密封性能。将V形环的力学模型分解为圆筒过盈配合与悬臂梁力学模型进行理论分析,得出密封接触面的应力计算公式,并利用ABAQUS进行仿真验证。建立V形环两种密封面(曲面与平面)的轴对称模型,分析密封环在40 MPa压差下,不同过盈量与倾角对密封性能的影响,并对比2种结构的性能。结果表明,在满足密封性能的前提下,平面密封结构的过盈量取值范围更广,并且在相同结构参数时的接触应力大于曲面密封。确定平面密封结构过盈量与倾角的取值范围,为井下流量控制阀中V形金属密封环的设计提供了参考,应力计算公式也为密封环的设计提供了一个初步的接触面应力。     

智能井井下流入控制阀结构设计及密封性能分析

流入控制阀是智能井技术的核心,在油气井高温高压等复杂的环境中,流入控制阀的密封效果直接影响阀的正常工作。依据智能完井工况,设计流入控制阀的结构及其金属密封结构。利用有限元分析软件ANSYS建立金属密封结构的有限元模型,分析最大过盈量、密封圈接触面的锥度、密封圈内部槽的几何尺寸、井下压力状态等敏感性参数对密封结构密封性能的影响。结果表明,随着金属密封圈最大过盈量的增加,最大接触应力降低而最大等效应力增加,而随着接触面锥度的增大接触面长度变长,接触压力和最大等效应力均呈下降趋势;内槽锥度对金属接触对影响较小,对密封圈的等效应力影响较大,内槽锥度增大,等效应力大幅增加。综合考虑应力的影响,应选择合适的最大过盈量,密封圈接触锥度不宜太大,且应尽量减小内槽面的锥度。     

金属与金属接触型石墨密封垫片高温力学性能的试验研究

研究了金属与金属接触型石墨密封垫片在高温下的力学性能,包括压缩性能、回弹性能和蠕变松弛性能。根据试验结果获得了表征石墨垫片力学性能的拟合曲线和曲线方程,同时得到了石墨垫片在各温度下发生金属与金属接触时对应的接触应力。试验结果表明,温度影响石墨密封垫片的力学性能和接触应力。     

具有圆度误差的径向金属密封接触应力研究

由于加工圆度误差的影响,井下流量控制阀径向金属密封接触应力分布不均匀,从而影响密封性能。利用有限元方法研究具有圆度误差的径向金属密封唇部接触应力分布,并分析圆度误差对径向金属密封接触应力的影响;基于有限元分析结果提出径向金属密封接触应力分布的理论解析式,并进行误差分析。具有圆度误差的径向金属密封唇部接触应力分布的理论解与数值解相符,各参数引起的最大接触应力的平均相对误差约为10%。根据具有圆度误差的径向金属密封副接触应力的分布规律,提出合理的过盈量函数,修正了径向金属密封轴对称结构的悬臂梁模型的接触应力理论关系式,得出了圆度误差下的径向金属密封接触应力分布规律。研究结果为井下流量控制阀径向金属密封的设计提供了理论指导。     

井下封堵球密封副密封性能理论分析

封堵球密封副是石油钻采施工中常用的井下工具密封形式,目前其设计缺乏理论指导。建立密封副接触应力(比压)和接触宽度的理论模型和有限元模型,分别采用理论计算方法和有限元模拟方法分析几何参数和材料特性对密封副密封性能的影响规律。结果表明:在一定的施工工况下,井下封堵球的密封性能主要受球座锥面半锥角以及材料特性的影响;采用小半锥角设计可以同时增大密封比压和接触宽度,而选用较高弹性模量的封堵球材料在提高密封比压的同时却减小了接触宽度,因此,当以提高密封副密封性能为目标进行优化设计时,应选用较小的半锥角,同时选择合适弹性模量的封堵球材料,以达到密封效果最优。采用理论模型和有限元分析对封堵球密封副密封性能的分析结果相近。     

基于Abaqus的井下U形金属密封环性能研究

为满足井下流量控制阀在高温高压、强腐蚀工况下的密封要求,提出一种可用于径向密封的U形金属密封环;利用Abaqus软件建立密封环的二维有限元分析模型,计算在预紧和井下实际工况条件下的最大Mises应力和接触压力的分布情况,分析初始压缩量、密封环厚度和井下压力对密封性能的影响。结果表明:随着初始压缩量的增加,最大接触压力先增大后减小再增大;随密封环厚度增加,最大接触压力先减小后增大;随井下压力增加,最大接触压力波动增加。初压缩量为0.4 mm、密封环厚度为3.7 mm时密封效果最优;在井下工作压力为30 MPa时,U形金属密封环能够满足密封条件,实现紧密密封。     

新型流量控制阀的研究与设计

介绍一种具有两个腔体的新型ＩＣ卡燃气表流量控制阀。它的减速机构输出轴上用储油槽与密封件配合进行气隔离。这种控制阀具有转矩大,工作可靠,响应时间短等特点。     

撑拢式双向金属密封球阀

介绍了撑拢式双向金属密封球阀的工作原理、结构特点以及主要技术数据的选取与计算。     

温度对机械密封金属波纹管力学性能的影响

为了研究温度对机械密封金属波纹管力学性能的影响,建立高温泵用机械密封焊接金属波纹管计算模型,利用ANSYS软件计算波片的温度场,并通过间接耦合法计算不同介质温度下的热应力与热应变场,得到温度对波纹管力学性能的影响规律.计算结果表明:在高温工况下波纹管波片内产生了较大的热应力和热应变,增大了波纹管断裂、失弹等形式的失效的危险,在设计和使用过程中必须对此引起足够重视;在高温工况下波纹管波片等效热应力、热应变的最大值均出现在波片波谷处.     

接触式机械密封端面的分形磨损模型

基于分形理论将动、静环端面的接触简化为粗糙表面与理想刚性平面的接触,讨论了接触式机械密封端面形貌的表征方法,建立了接触式机械密封的磨损模型。根据建立的模型,分析各分形参数、材料参数及工作参数对磨损的影响,并,将所建模型与实验数据进行对比,验证了模型的合理性。结果表明：接触式机械密封分形维数D与其磨损率γ呈浴盆曲线的关系;特征长度尺度参数G、端面比载荷pg、转速n与其磨损率γ成正比;接触式机械密封的综合弹性模量E与其磨损率γ成反比。     

机械密封端面接触状态测控技术

介绍了目前常用来描述端面接触情况的状态参量，探讨了端面间隙、温度及声波常用的测量方方法，重点分析了主动式超声波检测方法，并对机械密封端面接触状态测控技术的研究状况进行了总结。     

机械密封环端面各向异性分形接触分析

在 M-B 分形接触模型的基础上,建立机械密封环端面各向异性的数学模型。在考虑表面各向异性的情况下,分别利用弹性力学和分形接触模型相关原理求出端面接触载荷和弹塑性接触面积,分析表面纹理参数、端面接触载荷和接触面积三者之间的关系。结果表明：当施加一定的接触载荷时,随着表面纹理参数增大,真实接触面积增大,但增速逐渐变缓,弹塑性接触面积的比值在增大;在表面纹理参数不变时,随着真实接触面积的增加所需的接触载荷增大,但增加速逐渐变缓,弹塑性接触面积的比值随着接触载荷的增大而增大。在粗糙表面各向同性和各向异性两种情况下,接触载荷与接触面积的变化趋势是一致的,但考虑表面各向异性时,能更好地反映出真实粗糙表面各个参数之间的关系。     

激光加工多孔端面机械密封的理论研究

通过建立矩形截面轮廓激光加工多孔端面机械密封的理论分析模型,采用有限元方法求解雷诺方程,研究了不同微孔结构参数及工况参数对密封端面平均压力的影响规律,以能够产生最大端面平均压力为优化目标,指出微孔深径比最优值应不小于0．1,面积密度最优值大约为0．2。该研究方法与结果对多孔端机械密封的设计和使用具有重要意义。     

一种套管悬挂器金属密封结构设计与研究

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,设计线型、正弦、椭圆、抛物线4种不同的密封结构,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。结果表明:随顶丝压力的增加,线型密封各接触面处的平均接触压力增幅较小,正弦和抛物线型密封各接触面处的平均接触压力起伏式增加,椭圆密封各接触面处的平均接触压力平稳增加,表明采用椭圆型接触面有利于密封的稳定。实验结果表明,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。