密封模块在堵塞器上的应用及其有限元分析

2022-09-11

引言

堵塞器作为常见的钻完井工具之一,与坐落接头配合,实现封堵管柱端的功能。常见的堵塞器一般采用O形圈作为密封元件,在使用过程中发生扭转变形,即局部翻转,沿圆周塑性变形不均匀[1],进而导致失效是其无法密封的原因之一。密封模块是一种将矩形密封圈与金属本体紧密结合的新型密封元件,其主要起密封作用的部分即矩形圈,因此,密封模块具备矩形圈常见的,如受力变形时应力分布均匀、稳定性好、可靠性好、使用寿命长等优点[2]。本文将从密封模块应用于堵塞器上入手,开展了有限元计算工作,为今后继续开展堵塞器优化设计提供了理论依据。

1.有限元模型的建立

适用密封模块代替原有堵塞器中的密封元件O形密封圈,并根据堵塞器、密封模块和坐落接头的几何特点,将其简化为二维结构进行有限元分析。划分网格后的有限元模型如图1所示。

2.有限元计算分析

(1)有限元计算

在装配过程中,矩形圈被压缩发生了变形从而产生应力和应变,初始接触压力的产生,是实现密封的开始,随着系统内压力的上升,会有进一步应力和应变的产生,只要接触应力大于等于系统内压力,即能够实现密封效果[3]。

通过将堵塞器内部压力分别设置为10MPa、20MPa和30MPa,开展有限元的计算。随着系统内压力的增大,应力和应变也逐渐增大,且有限元模型方向最上部的矩形圈最为明显。后文的计算将以最上部矩形圈为对象,开展密封能力的分析。

图2～图7分别显示了不同内压下矩形圈的变形和应力分布情况,其应力峰值如表1所示。

(2)有限元结果分析

在10MPa、20MPa 和30MPa内压下,矩形圈的最大变形均发生在上部。且随着内压的增大,矩形圈上部的变形越来越大,应力明显增加,且最大应力逐渐由两侧向矩形圈的内部转移。通过对接触应力峰值的分析,接触压力的最大值随着内压的增大而增大,且始终大于内压值,说明其密封效果良好。

但从变形分布图中可以看出,三个内压下矩形圈右下角都被挤入到密封沟槽的间隙中,被挤入的部分呈尖角状,此处容易在拉伸和剪切力作用下发生损伤。

3.结论

本文针对密封模块在堵塞器上的应用开展了有限元计算,并针对关键密封部件——矩形圈的密封能力进行了分析,得出结论如下:在内压为10MPa、20MPa和30MPa时,密封模块的接触应力均大于内压力,能够起到良好的密封作用;在有内部压力时,密封模块上的矩形圈均被挤入缝隙,易发生损伤,因此在设计密封模块时,应注意此处的倒角;密封模块的内部的O形圈不在此次分析讨论的范围内,但计算过程中发现O形圈与矩形圈均发生作用,建议在今后的研究过程中考虑两个密封部件互相干涉的可能。

摘要：密封模块作为一种新型密封元件,常用于插入密封,而传统堵塞器的密封元件一般采用O形密封圈,在实际使用过程中易失效。本文从密封模块在堵塞器上的应用入手,提出了将密封模块在堵塞器上应用的思路,并通过有限元计算开展了分析工作,为堵塞器优化设计提供了一个新的方向。

关键词：密封模块,矩形圈,堵塞器,有限元