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牙轮钻头用单金属密封瞬态启动动力学模型与密封性能

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中国机械工程 2022年第7期33卷 777-785页

作者：马艺陈宇涛孟祥铠赵文静彭旭东浙江工业大学机械工程学院杭州310023 过程装备及其再制造教育部工程研究中心杭州310023

牙轮钻头的频繁启动以及振动工况直接影响单金属密封的可靠性和工作寿命。基于热-流-固-动耦合场,建立了复杂工况下单金属密封瞬态启动动力学模型,采用有限差分法和Newmark法联合求解润滑方程和动力学方程,考察钻头转速和轴向激励对单... 详细信息

牙轮钻头的频繁启动以及振动工况直接影响单金属密封的可靠性和工作寿命。基于热-流-固-动耦合场,建立了复杂工况下单金属密封瞬态启动动力学模型,采用有限差分法和Newmark法联合求解润滑方程和动力学方程,考察钻头转速和轴向激励对单金属密封动态密封性能的影响,结果表明:随着钻头不断启动至恒转速阶段,高压(p_(0)=30 MPa)下单金属密封端面液膜沿径向始终呈发散型分布,端面温升在轴向激励下振荡增加至稳定波动,瞬时泄漏率呈正负交替波动状态,幅值远大于稳态泄漏率幅值,特别是当泄漏率为负值时,外径侧泥浆极易侵入密封间隙;单金属密封动态性能随钻头转速和轴向激励载荷增大而进一步恶化。

关键词：牙轮钻头单金属密封动力学模型数值模拟密封性能

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单金属密封的结构优化及其密封性能研究

工程设计学报 2018年第2期25卷 167-172页

作者：张毅张晓东常学平吴倩西南石油大学机电工程学院四川成都610500

针对油气田勘探中,复杂的钻井工况导致动密封工作性能极不稳定的问题,结合单金属密封结构和井底高压环境,利用有限元方法对单金属密封受压情况下的接触压力进行分析。用雷诺方程计算单金属动密封的泄漏率,以减小最大接触压力和泄漏率为... 详细信息

针对油气田勘探中,复杂的钻井工况导致动密封工作性能极不稳定的问题,结合单金属密封结构和井底高压环境,利用有限元方法对单金属密封受压情况下的接触压力进行分析。用雷诺方程计算单金属动密封的泄漏率,以减小最大接触压力和泄漏率为优化目标,利用正交试验和F评价方法对单金属密封结构参数进行优化,得到密封结构参数对密封面接触压力和泄漏率的影响情况,并将每个水平数对应的优化目标计算结果分别取平均值,得到不同水平影响下接触压力和泄露率平均值的变化趋势,从而确定密封结构的最优水平值,并借助有限元仿真对优化前后的密封性能进行对比。最后根据优化前后的密封结构参数加工2套密封试件,进行密封实验。仿真分析和实验结果表明:高压工况下优化前的密封面内侧磨损严重,钻井液颗粒容易侵入密封面;而优化后密封面的最大接触压力有所降低,动密封面的最高温度和泄漏率明显降低。研究结果对改进单金属密封的工作性能、提高井下动密封的可靠性有重要的现实意义。

关键词：单金属密封有限元接触压力泄漏率动密封实验

牙轮钻头用单金属密封热-流-固耦合模型与性能分析

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中国机械工程 2020年第19期31卷 2295-2303页

作者：马艺倪洋孟祥铠彭旭东江锦波浙江工业大学机械工程学院杭州310023 浙江工业大学过程装备及其再制造教育部工程研究中心杭州310023

综合考虑密封端面间的粗糙接触、热力变形和黏温特性,构建了密封环与辅助密封件、润滑液膜与密封介质的关联体系,建立了牙轮钻头单金属密封热-流-固耦合数学模型,并研究了关键钻井参数如环境压力、钻头转速对单金属密封端面膜厚分布形... 详细信息

综合考虑密封端面间的粗糙接触、热力变形和黏温特性,构建了密封环与辅助密封件、润滑液膜与密封介质的关联体系,建立了牙轮钻头单金属密封热-流-固耦合数学模型,并研究了关键钻井参数如环境压力、钻头转速对单金属密封端面膜厚分布形态、温升变化及密封性能的影响规律。研究结果表明:随钻井深度和环境压力的增大,单金属密封端面间隙逐渐由收敛型演化为发散型,膜厚及温升极值点由外径侧向内径侧迁移,其临界转折点为环境压力p0=11 MPa附近;高压工况下,密封端面内径侧接触压力递增,不利于润滑油膜的形成;密封系统的泄漏率和摩擦力随钻头转速增大均有所增大,但在低压工况下可通过合理增大钻头转速来提高钻井效率。

关键词：牙轮钻头单金属密封热-流-固耦合黏温特性

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单金属密封总装设计和润滑理论分析

机械设计与研究 2013年第6期29卷 132-134,137页

作者：张晓东张毅李一岚张也罗毅西南石油大学机电工程学院成都610500

针对钻井领域的单金属密封端面比压难以控制的问题,结合涡轮钻具支承节结构进行了动密封的总装式设计;初步建立SEMS2单金属密封的计算模型,推导出了SEMS2单金属密封环的轴向载荷公式;考虑润滑油的的挤压效应项,提出SEMS2单金属密封面的... 详细信息

针对钻井领域的单金属密封端面比压难以控制的问题,结合涡轮钻具支承节结构进行了动密封的总装式设计;初步建立SEMS2单金属密封的计算模型,推导出了SEMS2单金属密封环的轴向载荷公式;考虑润滑油的的挤压效应项,提出SEMS2单金属密封面的油膜压力方程和泄漏率公式;通过有限元软件对SEMS2单金属密封的装配过程进行了应力分析,在此基础上对不同环境压力下密封面的应力特征进行了仿真分析,结果显示低压工况下密封面呈收敛状态,有利于润滑油膜的形成;高压工况下,动环接触面上从内到外的应力逐渐降低,不利于形成润滑油膜。

关键词：单金属密封总装设计润滑油膜有限元仿真

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牙轮钻头单金属密封性能分析及结构创新

机电工程技术 2023年第4期52卷 95-99页

作者：杨晨娟杜倩李济彤赵桓祯西安石油大学机械工程学院西安710065

针对石油钻采过程中牙轮钻头密封易失效的问题,在ANSYS Workbench软件中建立单金属密封模型并进行有限元分析,研究其预装配以及环境压力2个载荷步下的整体密封状态。分析不同环境压力、装配位移、O形圈硬度、静环尺寸等重要参数对动密... 详细信息

针对石油钻采过程中牙轮钻头密封易失效的问题,在ANSYS Workbench软件中建立单金属密封模型并进行有限元分析,研究其预装配以及环境压力2个载荷步下的整体密封状态。分析不同环境压力、装配位移、O形圈硬度、静环尺寸等重要参数对动密封面以及橡胶圈表面接触压力的影响。数值模拟结果表明:动密封面接触压力呈线性分布,保证了良好的内外压差;橡胶圈两侧接触压力为33 MPa,支撑环处接触压力达到37 MPa,满足密封要求。为改善静环外侧易磨损导致密封失效的问题,对静环和支撑环结构进行创新,增加O形圈与支撑环之间的接触面积。结果表明:新结构的动密封面接触压力呈矩形分布,在保证了密封效果的前提下解决了静环易变形磨损的问题;静环支撑环之间的接触压力由37 MPa提高至55 MPa,同时增加了静环底部接触面的接触压力,有效地提高了单金属的密封性能。

关键词： ANSYS Workbench O形圈单金属密封接触压力磨损动密封面

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单金属密封变形分析与结构优化

单金属密封变形分析与结构优化

作者：卢美亮西南石油大学

学位级别：硕士

随着常规石油与天然气资源的日益减少,勘探开发朝着深部地层、沙漠及高原等复杂环境发展,钻井及开采难度不断增大,对井下钻井工具的使用性能提出了更高的要求。单金属密封作为井下动力工具中常用的旋转动密封,具有结构简单、占用空间小... 详细信息

随着常规石油与天然气资源的日益减少,勘探开发朝着深部地层、沙漠及高原等复杂环境发展,钻井及开采难度不断增大,对井下钻井工具的使用性能提出了更高的要求。单金属密封作为井下动力工具中常用的旋转动密封,具有结构简单、占用空间小、抗冲击振动能力强等特点,能够适应高温高压、复杂地质条件等工况,因而得到广泛的应用。而在井底恶劣工况下,密封环受到力、热载荷的作用,不可避免的会出现密封失效,密封端面产生变形锥度是导致密封失效的主要原因之一。因此,开展单金属密封力、热变形及热力耦合变形的研究,计算变形状态下密封端面流场性能参数以及优化密封结构参数对改善单金属密封性能具有重要意义。本论文的主要研究内容如下:1、根据单金属密封的结构特点,对密封结构和密封机理进行了研究,同时对影响密封性能的参数进行了分析。2、基于有限元分析软件ANSYS,计算了单金属密封端面压力场分布,研究了初始压缩量、工况参数、材料参数以及主要结构参数对单金属密封力学变形的影响。3、建立了单金属密封热力学分析模型,得到了单金属密封温度场分布,研究了材料参数和工况参数对密封端面热变形、热力耦合变形的影响规律,并对力变形、热变形及热力耦合变形进行对比分析。4、建立了力变形状态下单金属密封端面液膜的流体控制方程,得到密封端面径向液膜压力分布、泄漏量以及开启力的计算公式,通过MATLAB软件求解计算,为后期密封性能的优化奠定了基础。5、基于响应曲面法对单金属密封结构进行优化,将正交实验设计中确定的端面接触宽度、静环高度和斜面倾角作为设计变量,以变形锥度与泄漏量作为优化目标,通过BoX-Behnken实验设计方法建立了响应面模型,得到结构参数之间的交互作用对密封性能的影响,并根据F检验、变异系数、复相关系数以及残差正态概率分布对模型进行评估,验证了该模型的可行性;6、通过罚函数法对二次回归模型进行了寻优处理,获得密封环在高温高压工况的优化结构参数组合,并对优化前后单金属密封的性能进行了对比分析,结果表明,密封性能得到有效改善。密封泄漏量降低了 35.98%,端面变形锥度降低了 19.9%,端面最大接触压力降低了 11.369%,内侧接触压力降低了 30.902%,外侧接触压力提高了 61.304%,接触压力分布更为均匀,同时端面最高温度降低了 5.424℃。验证了罚函数寻优法在单金属密封变形锥度以及泄漏量优化中的可行性。

关键词：单金属密封力变形热变形正交设计响应曲面法

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单金属密封结构优化及热结构耦合研究

单金属密封结构优化及热结构耦合研究

作者：周权西南石油大学

学位级别：硕士

单金属密封作为井下工具中的一种旋转动密封件,它能够适用于井下高温、高压、磨砺性和振动等工况;单金属密封性能的好坏直接决定着井下工具中轴承部位的工作寿命,进而影响着机械钻速和钻井成本的大小。随着各种钻井技术的发展,石油天然... 详细信息

单金属密封作为井下工具中的一种旋转动密封件,它能够适用于井下高温、高压、磨砺性和振动等工况;单金属密封性能的好坏直接决定着井下工具中轴承部位的工作寿命,进而影响着机械钻速和钻井成本的大小。随着各种钻井技术的发展,石油天然气开发朝着深海和深部地层发展,各种井下工具在井下恶劣工况中大量的应用,因而迫切需要保证和提高井下工具的工作寿命。因此,为满足使用需求,本文主要对单金属密封的结构参数优化和稳态温度场分布进行研究。论文的主要研究工作如下：(1)根据单金属密封的结构特点和主要工况,以及现场应用情况,分析单金属密封的主要失效原因及形式,并给出单金属密封失效的主要判断准则。(2)基于单金属密封的结构受力特点,对单金属密封的装配和受压过程进行力学分析,得到了单金属密封动密封面接触应力与轴向装配位移和外部压力的理论关系。(3)利用ANSYS有限元分析和Matlab数值理论计算,对单金属密封的装配过程进行模拟,对比单金属密封中橡胶O型圈与静环斜面的接触应力和接触长度的有限元解和数值解,验证了单金属密封有限元模型的有效性,并建立了动密封面最大接触应力与装配位移的拟合关系式。在高、中、低压工况下,研究了动密封面、橡胶O型圈和橡胶支撑环的接触应力分布情况,得到了单金属密封初始结构在密封性能上的不足。(4)分析了在不同O型圈和橡胶支撑环硬度、静环倾斜面角度、静环小端宽度、静环楔入角长度、动密封面宽度、压差和初始压缩量下单金属密封动密封面接触应力的变化,得到各参数对单金属密封密封性能的影响。(5)结合正交法和F分析,以油膜厚度、泄漏量和接触应力等6个参数为评价目标,对影响单金属密封性能的7个结构参数、2个材料参数和2个工况参数进行重要性量化评价,确定出综合影响程度最大的4个结构参数：动密封面宽度L、静环小端宽度L3、静环倾斜面角度α和静环楔入角径向长度L。,以及3个评价目标：内侧接触应力峰值Pnmax、外侧接触应力峰值Pwmax和最小接触应力Pmin°(6)采用BP神经网络和模糊加权系数法,建立4个结构参数与3个评价目标之间的映射函数关系,并转化成单目标优化函数。(7)通过GA遗传算法,建立单金属密封优化的数学模型,结合目标优化函数,确定出在一定取值范围内4个结构参数的优化值;优化后单金属密封的泄露量降低7.45%,最小油膜厚度降低3.837%,Pnmax降低22.733%,Pwmax提高10.031%,Pmin提高0.596%,表明优化后的单金属密封性能得到较大的提高。(8)采用有限元法,分析了在井下工况下优化后单金属密封模型的稳态温度分布,并研究了在不同转速、环境压力、地层深度下动静环的温度分布,从密封结构设计、材料选择和表面技术方面提出改善建议,为单金属密封的温度分布研究提供一定的参考。

关键词：单金属密封结构分析参数优化热分析井下工况

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橡胶硬度和动环斜度对单金属密封性能的影响

润滑与密封 2015年第8期40卷 35-39页

作者：张晓东周权张毅祝伟彪杨韬西南石油大学机电工程学院四川成都610500

采用ANSYS软件建立单金属密封的分析模型,分析在低压和高压情况下,丁晴橡胶O型圈硬度、橡胶支撑环硬度和动环倾斜面斜度3种关键参数对动静环端面接触应力的影响。结果表明:单金属密封的密封面接触应力在低压工况下由内向外逐渐增大,在... 详细信息

采用ANSYS软件建立单金属密封的分析模型,分析在低压和高压情况下,丁晴橡胶O型圈硬度、橡胶支撑环硬度和动环倾斜面斜度3种关键参数对动静环端面接触应力的影响。结果表明:单金属密封的密封面接触应力在低压工况下由内向外逐渐增大,在高压工况下则呈现出边缘突变、中间平缓的分布状况;O型圈硬度和橡胶支撑环硬度较小时,动静环接触应力分布越平缓,有利于降低密封端面的磨损,提高密封工作寿命;动环倾斜面斜度越大,密封端面接触应力越小且应力分布越平缓,可有效提高密封性能。

关键词：单金属密封 O型圈橡胶支撑环接触应力

牙轮钻头单金属密封热—流—固耦合研究与多目标优化设计

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牙轮钻头单金属密封热—流—固耦合研究与多目标优化设计

作者：倪洋浙江工业大学

学位级别：硕士

牙轮钻头是石油开发和矿山开采工程中的主要破岩工具,约占油田钻头总量70%。单金属密封是牙轮钻头系统中的重要组成部分,其性能的好坏直接影响钻井的效率和成本。然而随着钻进地层的多样化和钻井深度的递增,钻头密封系统经常在高温、高... 详细信息

牙轮钻头是石油开发和矿山开采工程中的主要破岩工具,约占油田钻头总量70%。单金属密封是牙轮钻头系统中的重要组成部分,其性能的好坏直接影响钻井的效率和成本。然而随着钻进地层的多样化和钻井深度的递增,钻头密封系统经常在高温、高压和磨粒性颗粒等恶劣工况下工作,其密封稳定性面临巨大考验。特别是在复杂的热力载荷作用下,单金属密封容易出现不规则的端面变形,导致密封泄漏增加、磨损加剧,进而引起密封失效。因此,开展单金属密封热-流-固耦合研究,对预测及改善单金属密封性能、提高井下钻采效率和可靠性等具有重要意义。本文以牙轮钻头用单金属密封为研究对象,综合考虑密封端面间的粗糙接触、热力变形和粘温特性间的耦合关系,建立了单金属密封热-流-固耦合数学模型,研究多参数下单金属密封端面变形与密封性能演化规律,并联合利用BP神经网络和NSGA-Ⅱ遗传算法等,完成单金属密封优化模型的构建与多目标优化求解,进而为牙轮钻头金属密封设计体系的构建提供理论基础,主要研究内容和结论如下:1.根据牙轮钻头运行及密封系统结构特点,建立单金属密封稳态力学分析模型,开展单金属密封结构场和结构-热耦合有限元分析,研究了环境压力、装配位移、材料导热系数等对单金属密封应力场、温度场的影响规律。结果发现,当环境压力由3 MPa升高到30 MPa时,密封端面最大接触压力和最高温升均从外径侧向内径侧迁移;增大装配位移可以有效增加密封力,而增大材料导热系数可以加强密封环散热能力,有效控制端面温升和变形大小。2.综合考虑密封端面间的粗糙接触、热力变形和粘温特性,构建密封环及辅助密封件、润滑液膜及密封介质的关联体系,建立牙轮钻头单金属密封热-流-固耦合数学模型,并进一步研究关键参数如环境压力、接触宽度和O形圈硬度等对单金属密封端面膜厚分布形态、温度变化及密封性能的影响规律,揭示了牙轮钻头单金属密封系统润滑机理。结果表明,环境压力低于临界压力p时密封端面形成收敛形间隙,反之密封端面形成发散性间隙;增大密封端面接触宽度,使得膜厚分布更加均匀,引起泄漏率下降了47.1%;而当O形圈硬度由70 HA增加到90 HA时,单金属密封摩擦力约增大12%。3.依据各因素对单金属密封性能影响显著程度,筛选单金属密封性能优化的设计变量,基于单金属密封热-流-固耦合模型采集数据样本,通过BP神经网络构建单金属密封优化模型,利用NSGA-Ⅱ遗传算法完成单金属密封多目标优化求解。最终选定方案为:转速n=100 r/min,粗糙度σ=0.07μm,接触宽度L=2.5 mm,优化后泄漏率降低51.6%,摩擦力降低11%。本文研究成果将为高寿命、高可靠性钻头密封系统的设计理论提供依据和技术支持,具有较重要的学术价值与工程意义。

关键词：单金属密封热-流-固耦合密封性能多目标优化