本文關(guān)鍵詞：水下采油樹油管懸掛器出油口K形金屬密封性能研究

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【摘要】：水下采油樹是水下石油開發(fā)的一個(gè)重要工具。油管懸掛器作為其最主要的部件之一,具有為油流提供生產(chǎn)通道和懸掛油管的作用,油管懸掛器出油口處的密封具有阻止油液外流以及阻擋外部雜質(zhì)進(jìn)入油管懸掛器內(nèi)部的作用,其密封性能的好壞直接關(guān)系到水下采油能否順利進(jìn)行。目前國外水下采油樹油管懸掛器的密封技術(shù)比較成熟,掌握較多的核心技術(shù),其對材料性能的研究以及對密封件的加工工藝方面的研究都走在世界前列,具有代表性的主要有Cameron公司的MEC密封,FMC公司的SBMS密封等。但是國外對國內(nèi)實(shí)行技術(shù)封鎖,國內(nèi)在該方面的研究仍處于起步階段,僅有少數(shù)針對油管懸掛器的結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)的仿真研究,所以自主研發(fā)油管懸掛器出油口處的金屬密封對推動我國的水下石油鉆采的發(fā)展有著重要的意義。本文提出在水下臥式采油樹油管懸掛器出油口處使用K形金屬密封,并對K形金屬密封的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì),使用有限元的方法分析環(huán)境參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對K形金屬密封性能的影響規(guī)律,判定其密封性能能否滿足水下真實(shí)工況。最后對K形金屬密封的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),在保證易于加工和易于安裝的基礎(chǔ)上,使K形金屬密封的性能達(dá)到最佳。具體內(nèi)容如下：(1)結(jié)合國內(nèi)外對金屬密封和非金屬唇形密封的研究,總結(jié)了金屬密封性能的分析及判定方法,根據(jù)該油管懸掛器密封設(shè)計(jì)要求確定K形金屬密封的材料,并對其結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)還介紹了K形金屬密封的下放安裝方法,根據(jù)兩球體之間的接觸理論引入K形金屬密封的密封接觸表面的接觸應(yīng)力計(jì)算,對K形金屬密封的受力模型進(jìn)行簡化,推導(dǎo)出金屬密封圈在預(yù)緊工況下的密封表面接觸應(yīng)力的計(jì)算公式。(2)使用ABAQUS有限元分析軟件建立K形金屬密封實(shí)際工況下的簡化二維軸對稱模型,分析不同工況下過盈量以及介質(zhì)壓力的變化對金屬密封圈的密封性能的影響,得到K形金屬密封的最佳過盈量范圍為0.2mm-0.34mm,在此范圍內(nèi)取一固定值0.3mm不變,分析介質(zhì)壓力變化對K形金屬密封最大MISES應(yīng)力、最大接觸應(yīng)力以及接觸寬度的影響規(guī)律,得到K形金屬密封的最大MISES應(yīng)力為1152MPa,略微超出材料屈服強(qiáng)度極限,密封圈的外唇內(nèi)側(cè)根部產(chǎn)生了較小的塑性變形。密封圈的最大接觸應(yīng)力為1556MPa,超過了材料的屈服強(qiáng)度極限,但最大接觸應(yīng)力位置發(fā)生在右唇頂端位置,此處發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象,密封圈會發(fā)生一定的塑性變形,但密封圈內(nèi)外密封接觸表面的接觸應(yīng)力分別為538.39MPa和637.9MPa,始終大于介質(zhì)壓力的三倍,所以能夠?qū)崿F(xiàn)密封。(3)對有限元熱分析的基本理論進(jìn)行簡要概述,使用ABAQUS有限元分析軟件建立K形金屬密封的熱力學(xué)有限元模型,分析不同溫度對整個(gè)模型傳熱的影響,得到不同溫度影響下模型的節(jié)點(diǎn)溫度云圖,將得到的熱傳遞分析的結(jié)果作為載荷邊界條件導(dǎo)入到應(yīng)力應(yīng)變場中,分析K形金屬密封在介質(zhì)壓力以及安裝過盈量不變情況下,溫度從-200C-1210C之間變化時(shí)密封圈性能變化規(guī)律,得到最大的耦合應(yīng)力為1250MPa,略微超出材料屈服強(qiáng)度極限,內(nèi)外唇的接觸應(yīng)力分別為637.26MPa和535.224MPa,均能夠滿足大于介質(zhì)壓力的三倍。最后得出結(jié)論,溫度從-200C-1210C之間變化時(shí),K形金屬密封能夠良好的實(shí)現(xiàn)密封功能。(4)分析右唇頂端傾斜角對金屬密封圈密封性能的影響,得出K形金屬密封外唇頂端傾斜角度為3度時(shí),密封的最大MISES應(yīng)力略微超出材料的屈服極限,外唇根部發(fā)生了較小的塑性變形,最大接觸應(yīng)力與0度傾斜角相比大大減少,應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了解除,且內(nèi)外密封表面的接觸應(yīng)力均大于三倍的介質(zhì)壓力,根據(jù)密封判定標(biāo)準(zhǔn)得出此時(shí)K形金屬密封能夠?qū)崿F(xiàn)密封。然后分析3度的外唇頂端傾斜角度的情況下,中心圓弧以及外側(cè)圓弧的尺寸變化對金屬密封圈的密封性能的影響,根據(jù)分析結(jié)果中最大MISES應(yīng)力、最大接觸應(yīng)力以及金屬密封圈內(nèi)外接觸表面的接觸應(yīng)力的變化情況,得出當(dāng)中心圓弧半徑為2mm,外側(cè)圓弧半徑為3mm-3.2mm之間時(shí),金屬密封圈在滿足便于加工和便于安裝的基礎(chǔ)上,能夠更良好的實(shí)現(xiàn)其密封功能。
【關(guān)鍵詞】：K形金屬密封 油管懸掛器 臥式采油樹 深水
【學(xué)位授予單位】：長江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TE952
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-21
• 1.1 研究背景和意義10-11
• 1.2 水下臥式采油樹油管懸掛器簡介11-14
• 1.3 水下采油樹油管懸掛器密封國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀14-19
• 1.4 本文研究的主要內(nèi)容19-21
• 第2章 金屬密封原理及K形金屬密封設(shè)計(jì)21-35
• 2.1 密封的發(fā)展21-22
• 2.2 金屬對金屬密封理論22-23
• 2.3 金屬密封的密封性能的研究及判定方法23-24
• 2.4 K形金屬密封的設(shè)計(jì)24-28
• 2.5 K形金屬密封受力分析28-34
• 2.6 本章小結(jié)34-35
• 第3章 K形金屬密封性能分析35-51
• 3.1 ABAQUS軟件在密封圈有限元分析中的應(yīng)用35-36
• 3.2 K形金屬密封的有限元模型36-39
• 3.3 K形金屬密封的密封性能有限元結(jié)果分析39-45
• 3.4 油液壓力對密封性能的影響45-49
• 3.5 本章小結(jié)49-51
• 第4章 K形金屬密封的熱分析51-67
• 4.1 熱分析理論概述51-55
• 4.2 K形金屬密封熱力耦合計(jì)算分析55-66
• 4.3 本章小結(jié)66-67
• 第5章 K形金屬密封的結(jié)構(gòu)參數(shù)分析67-75
• 5.1 右唇頂部傾斜角度變化對密封性能的影響67-70
• 5.2 中心圓弧的尺寸變化對密封性能的影響70-72
• 5.3 外側(cè)圓弧的尺寸變化對密封性能的影響72-74
• 5.4 本章小結(jié)74-75
• 第6章 總結(jié)與展望75-77
• 6.1 總結(jié)75
• 6.2 展望75-77
• 致謝77-78
• 參考文獻(xiàn)78-82
• 個(gè)人簡介82-83

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本文編號：1083397