基于Abaqus的井下U形金属密封环性能研究*

智能完井技术是一项新兴的油藏油田生产管理技术，主要利用在井下的传感器，对井下的各项参数进行实时监控，并通过地面平台对井下开采进行合理地控制，以提高油田的采收率，降低生产成本[1]。智能完井的核心技术是通过井下流量控制阀(ICV)对井下油层进行调控，ICV的密封性对整个智能完井系统至关重要。在井下高温、高压、强腐蚀的恶劣工作条件下，非金属密封难以满足使用寿命耐久性的要求，金属密封具有更高的可靠性和耐久性，可以极大地提高ICV密封性能，保证密封效果[2]。

国内外从20世纪70年代开始针对金属密封做了一系列研究。目前工业上常用的金属密封的形式主要有 O 形环、C 形环、U形环、W 形环、K形环、金属垫片、三角垫密封等[3]。O 形环气密性好，C形环拥有良好的回弹性，U形环具有较大的变形范围，W形环吸振能力强，K形环具有良好的自紧性[4-6]。目前国内对U形金属环的研究比较少。毛剑峰等[7]对U形密封环在汽轮机进气阀门上的应用做了研究，主要分析温度和压力对密封环的接触面积、接触应力和蠕变现象的影响。李玉婷等[8]对U形金属密封环在火箭发动机上的应用进行了研究，分析了密封环厚度、腿部厚度和圆弧半径等结构参数对密封环的Mises应力和接触应力的影响。

井下流量控制阀通常是在高温高压、强腐蚀和夹杂着油气泥沙等恶劣工况下工作，常用的密封形式为端面密封。为了研究U形金属环在石油矿场机械方面的应用，本文作者提出了一种能适用于径向密封的U形环，相对于端面密封需要弹簧或者外部施加力，径向密封仅需要通过油液压力作用便可形成密封[9-11]。运用 Abaqus软件建立了U形金属密封环的有限元轴对称模型，计算了在预紧工况和井下工作条件下U形金属环所受的Mises应力和接触压力的分布情况，分析了初始压缩量、厚度、井下压力对密封性能的影响，并得出了最佳参数范围，对U形金属密封环在石油矿场机械方面的设计和应用具有一定的指导意义。

1 U形金属密封环密封机制及材料选择

流量控制阀密封的关键是过流套筒与阀座之间的密封，通常采用的是弹性体与非弹性体的组合形式。金属具有广泛的环境适应性和对绝大多数化学品的不敏感性，因此设计的流量控制阀密封采用金属密封[12]。U 形金属密封环与阀套之间的密封形式为动密封，采用过盈配合，通过施加载荷挤压套筒使其变形与管筒内壁接触，利用接触压力使金属密封圈变形用以填充空隙，从而起到密封作用。图1是文中提出的流量控制阀的径向密封示意图，图2是U形金属密封环截面结构示意图，U形环截面结构参数见表1。

图1 流量控制阀径向密封示意

Fig 1 Schematic of radial seal of flow control valve

图2 U形金属密封环截面示意

Fig 2 Schematic of U-shaped metal seal ring section

表1 U形环截面结构参数 单位:mm

Table 1 Structural parameters of U-ring section Unit:mm

U形金属密封环选用镍基高温合金GH4169。GH4169合金在-253～700 ℃温度范围内具有良好的抗氧化、抗疲劳、耐腐蚀性，并具有良好的稳定性以及加工性能，广泛地运用于航天、核能、挤压模具以及石油工业中[8]。常温下GH4169的性能参数如表2所示。

表2 GH4169的性能参数

Table 2 Performance parameters of GH4169

2 有限元模型的建立与分析

2.1 有限元模型的建立

由于U形金属密封结构是轴对称模型，综合考虑精度与计算效率的要求，进行有限元分析时将模型简化为平面轴对称。对径向密封模型进行有限元网格划分时，对各部件采用标注化网格划分技术，单元类型选择4节点双线性轴对称减缩积分单元CAX4R划分网格[13]。文中重点研究的是U形密封圈与滑套间的接触压力，并对密封圈的受力进行分析，因此在进行划分网格时，对U形金属密封圈的网格划分较细，单元格大小为0.15 mm，而外阀体与过流套管的单元格大小为0.3 mm。网格划分如图3所示。

图3 网格划分

Fig 3 Meshing result

边界条件施加情况:在流量控制阀工作过程中，过流滑套在y方向朝下运动，因此在z方向没有位移，在z方向上的所有节点自由度均被约束， U形金属密封圈承受x反向挤压， 在z方向也没有位移，在z方向的所有节点自由度也被约束，阀体在工作中没有位移，采用全约束。以上约束方式能较准确地模拟在井下工作时U形金属密封环的受力情况。在模拟过程中设置2个分析步：第一步过流滑套向下位移，直到其下端与U形圈底部对齐；第二步给密封圈内壁施加30 MPa的压力，模拟井下3 000 m时的压差环境。通过上述步骤模拟过流阀套与U形圈接触，研究密封圈在井下的密封情况。

2.2 预紧条件下的有限元分析

预紧条件下，U形环左侧受到了滑套的挤压，压紧力通过0.2 mm的初始压缩量来实现，结果如图4所示。在预紧条件下，U形环左侧接触处受到了较大的压力，中部受到的压力较小，腿部圆弧过渡处和底部内侧较大区域范围Mises应力在1 000 MPa左右，接近金属材料的屈服极限。

图4 预紧条件分析结果(MPa)

Fig 4 Analysis results of preloading condition(MPa)

2.3 模拟井下工况下的有限元分析

在井下实际工况中，U形环不仅受到预紧力的作用，内部还承受了液压油30 MPa的压力，Mises应力分布如图5所示。通过云图可以观察出，此时应力分布发生了变化。由于压差的作用使U形环产生了一定的回弹，最大应力值相对于预紧力作用降低了，小于材料的屈服极限，材料不会发生屈服 。证明U形环能够适应井下复杂的工况条件，具备井下工作的能力。

图5 模拟井下工况分析结果(MPa)

Fig 5 Simulated downhole working condition analysis results(MPa)

3 操作参数对U形密封环密封性能的影响

鉴于井下恶劣的工况，影响金属密封效果的因素较多，其中U金属密封圈的性能参数对密封效果至关重要。在U形金属密封圈的结构参数中，密封环厚度的选取较为关键：取值过小，则应力值较大，可能超过屈服极限而导致变形失效；选取过大，接触压力可能太小，达不到密封要求。在U形密封圈的工作参数中，由于加工误差的存在，使得初始压缩量对密封效果的影响非常重要；ICV在井下3 000 m深处工作，井下压力对能否保证密封性能尤为关键。综上所述，文中选取初始压缩量、井下压力和密封环厚度展开分析。

3.1 密封性能判断方法

目前对金属密封性能的研究，主要考虑的是接触面的接触应力，当接触应力大于垫片系数与介质压力的乘积时，能够实现密封。秦桦等人[14]对井下1 500 m深处、压力69 MPa、温度180 ℃的水下采油树油管悬挂器K形金属密封环进行了相关试验，根据相关试验得出结论：当工作压力压力小于40 MPa时，K形金属密封环的最大接触压力超过介质压力的3倍；当工作压力大于40 MPa时，最大接触压力超过介质压力的10倍。文中根据ICV在井下的实际工况，选取接触压力大于介质压力10倍作为判断依据。

3.2 工作参数对密封性能的影响3.2.1 初始压缩量对密封性能的影响

由于加工误差无可避免，所以密封接触表面会存在一定的凹凸。在安装U形金属密封环时，若初始压缩量不足，金属环的变形不能填满凹凸，会形成细小的过流通道，造成泄漏；若初始压缩量过大，会引起接触表面的塑性变形甚至是破坏，起不了密封作用。因此，有必要探究初始压缩量对U形金属密封环密封性能的影响。

如图6所示，随着初始压缩量的增加，最大Mises应力递增，当初始压缩量达到0.41 mm时，最大Mises应力接近材料的屈服极限1 030 MPa，在初始压缩量大于0.41 mm后，最大Mises应力已经超过材料的屈服极限，密封环失效；最大接触压力在初始压缩量从0.36 mm增大到0.37 mm时逐渐增大，而在初始压缩量增加到0.39 mm过程中，由于内部压力的作用，最大接触压力有所减小，随后接触压力逐渐增加，最大值接近574 MPa。综合考虑最大Mises应力与接触压力的分布情况，初始压缩量取0.4 mm时，既能保证初始密封，也可以防止产生塑性变形。

图6 初始压缩量对密封性能的影响

Fig 6 Effect of initial compression on sealing performance

3.2.2 井下压力对密封性能的影响

井下压力是影响流量控制阀密封效果的重要因素。ICV在井下3 000 m时所受的压力约30 MPa,为了研究U形金属密封环在井下流量控制阀中的应用，有必要研究井下压力对密封效果的影响。如图7所示，选取的压力范围为0～40 MPa。当井下压力从0逐渐增加到33 MPa时，最大Mises应力值为增长趋势；井下压力超过33 MPa时，最大Mises应力接近材料的屈服极限1 030 MPa；此后随着井下压力的增加，最大Mises应力基本保持不变。井下压力从0增大到28 MPa时，最大接触压力为线性增长，最大接触压力为545 MPa；井下压力为28～33 MPa时最大接触压力类似曲线增加,最大接触压力为632 MPa；随后最大接触压力继续保持线性增长,最高接触压力为748 MPa。综合以上分析可以得出，U形金属密封环在井下压力为30 MPa时，能够达到密封要求。

图7 井下压力对密封性能的影响

Fig 7 Influence of downhole pressure on sealing performance

3.3 密封环厚度对密封性能的影响

U形金属密封环的厚度是影响井下密封的重要因素。若密封环厚度过小，则刚度会增大，接触压力会相应提高，密封环所承受的应力值也会相应增大，可能会超过材料屈服极限而导致变形，甚至引起破坏而导致失效；若密封环厚度过大，刚度会相应减小，同时最大应力值和接触压力也会降低，若接触压力过低，则达不到密封要求。因此有必要研究U形金属密封环的厚度对井下密封的影响。

如图8所示，U形金属密封环的厚度选取范围为3.6～4.4 mm。厚度为4.05 mm时，最大Mises应力值为975 MPa，低于材料的屈服极限1 030 MPa,在此范围内的厚度对Mises应力的影响不大，能够满足材料的强度要求。在选取的厚度范围内，在预紧力和内部压力的共同作用下，最大接触压力在3.6～4.1 mm范围内先减小，随后接触压力与厚度呈正相关。综合材料强度影响与密封实际效果，并考虑经济效应等因素，厚度选取3.7 mm较为合理。

图8 密封环厚度对密封性能的影响

Fig 8 Influence of seal ring thickness on seal performance

4 结论

(1)提出了一种能适用于井下复杂工况的U形金属密封圈，基于井下流量控制阀的实际工作条件，将密封形式由端面密封改为径向密封，能更好地实现紧密密封。

(2)随着U形金属密封圈初始压缩量的增加，最大Mises应力递增，最大接触压力先增大后减小再增大；随井下压力增加，最大Mises应力值先增加，超过材料的屈服极限之后基本保持不变，最大接触压力波动增加；随密封环厚度增加，最大Mises应力先增大后减小，最大接触压力先减小后增大。当初始压缩量为0.4 mm、厚度为3.7 mm时U形金属密封圈性能最佳。

(3)设计的U形环在井下3 000 m、工作压力为30 MPa时能够实现紧密密封，对U形金属密封环在石油矿场机械方面的应用具有一定的指导意义。