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应用力学学报 2020年第6期37卷 2503-2512,I0013,I0014页

作者：郝地龙何霞王国荣肖强肖晓陈彰斌西南石油大学能源装备研究院成都610500 云南公路联网收费管理有限公司昆明650000 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室成都610500 格芯集成电路制造有限公司成都611730 株洲时代新材料科技股份有限公司株洲412007

针对气密封检测工具胶筒在大变形下的接触密封问题,以31/2"气密封检测工具胶筒为研究对象,分别采用网格重构、自动稳定和准静态分析三种分析方法,模拟了工具胶筒在50MPa载荷下的接触密封情况,并设计正交试验,通过极差分析得出了胶筒的... 详细信息

针对气密封检测工具胶筒在大变形下的接触密封问题,以31/2"气密封检测工具胶筒为研究对象,分别采用网格重构、自动稳定和准静态分析三种分析方法,模拟了工具胶筒在50MPa载荷下的接触密封情况,并设计正交试验,通过极差分析得出了胶筒的最佳结构参数组合。研究表明,对于橡胶的大变形分析,网格重构法的计算结果较准确,胶筒尺寸参数对胶筒外侧接触应力最大值的影响顺序为:外径>内径>高度,最优尺寸组合为外径72mm、内径36mm、高度120mm。研究成果对应用有限元软件求解橡胶大变形工况下的密封性能和胶筒结构设计具有重要参考价值。

关键词：气密封检测工具胶筒密封橡胶大变形网格重构仿真分析

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气井带压作业环形防喷器密封行为研究

气井带压作业环形防喷器密封行为研究

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作者：唐源西南石油大学

学位级别：硕士

天然气具有易燃、易爆、可压缩的特点,且气井带压作业时胶芯与油管柱之间为干摩擦形式,对胶芯的损伤比油水井更严重,作业工况相比油水井更为恶劣,风险更大,对装置的安全性要求更高。环形防喷器作为气井带压作业过程中重要的密封原件,提... 详细信息

天然气具有易燃、易爆、可压缩的特点,且气井带压作业时胶芯与油管柱之间为干摩擦形式,对胶芯的损伤比油水井更严重,作业工况相比油水井更为恶劣,风险更大,对装置的安全性要求更高。环形防喷器作为气井带压作业过程中重要的密封原件,提升其密封性能对简化气井带压作业起下管柱过程,提升工作效率,保证作业过程的安全稳定具有重要意义。为对气井带压作业过程中环形防喷器的密封性能进行分析,本文基于橡胶大变形理论与胶芯密封机理,建立了环形防喷器的密封性能评价有限元模型,并通过实验对模型的准确性进行了验证。系统研究了环形防喷器结构及工艺参数对其密封性能影响规律,油管接头通过环形防喷器对其密封行为的影响规律,油管外表面存在腐蚀缺陷时的密封行为,油管被挤压变形时的密封行为。得到以下结论:(1)基于橡胶大变形理论及胶芯密封机理,建立了环形防喷器井口密封性能评价的数值仿真模型,并设计环形防喷器井口密封实验装置,验证了模型的准确性。(2)对胶芯与油管之间的不同摩擦系数进行研究,发现当摩擦系数超过0.4时,油管运动会造成胶芯接触应力的大幅波动,造成防喷器密封性能下降。胶芯磨损量达到12 mm以上时,防喷器胶芯密封性能急剧下降。(3)对油管接头通过环形防喷器进行研究发现,防喷器在通过油管接头时,在接头上下台肩处会产生密封缓冲带,此处接触应力会下降10～30 MPa,且该密封缓冲带会随着接头的移动而移动,造成井口压力控制风险。进一步提出一种小倾角长台肩式油管接头结构,可显著降低防喷器通过油管接头时对其密封性能的影响。(4)对防喷器受油管表面腐蚀缺陷的影响进行研究发现,环形防喷器密封性能对腐蚀缺陷的轴向尺寸敏感性更高,且随油管外径增大,油管腐蚀缺陷临界尺寸不断增大。径向及深度尺寸敏感性较低,油管外径尺寸增大时,径向及深度临界尺寸变化极小。(5)对防喷器密封挤扁后油管的密封行为进行研究发现,环形防喷器密封性能或受到较大的影响。经研究发现随油管外径增加,油管达到挤扁极限时其椭圆度不断下降。也即油管外径越大,环形防喷器对油管挤扁程度的敏感性越高。本文对环形防喷器开展的密封行为相关研究工作对提升环形防喷器的密封性能及保证气井带压作业过程的安全稳定性具有重要意义。

关键词：气井带压作业环形防喷器橡胶大变形密封性能油管

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油套管气密封检测工具胶筒密封承压能力仿真模型研究

油套管气密封检测工具胶筒密封承压能力仿真模型研究

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作者：肖晓西南石油大学

学位级别：硕士

近年来,随着我国天然气市场迅速发展,储气库和高压天然气井数量日渐增多,油套管气密封检测工具的市场需求也日益增大。胶筒是工具提供密闭检测空间的核心部件,其材料性能和尺寸参数决定了工具的检测效果。本文使用ABAQUS软件建立胶筒一... 详细信息

近年来,随着我国天然气市场迅速发展,储气库和高压天然气井数量日渐增多,油套管气密封检测工具的市场需求也日益增大。胶筒是工具提供密闭检测空间的核心部件,其材料性能和尺寸参数决定了工具的检测效果。本文使用ABAQUS软件建立胶筒一次压缩和二次压缩有限元模型,结合合理的仿真方法,通过仿真分析得到优化后的胶筒材料和尺寸参数,完成了样品试制,并在搭建的全尺寸实验台架上开展了所设计胶筒的密封承压能力实验研究,验证了所建立的模型和所采用的仿真方法的科学性,为气密封检测工具胶筒的设计和优化提供了依据。论文完成的主要研究工作如下:（1）针对气密封检测工具常用的三种氢化丁腈橡胶材料,参照相关国家标准制作试件,通过单轴压缩和单轴拉伸实验得到三种橡胶材料的应力—应变曲线,以现有超弹性本构模型对实验所得曲线进行拟合,通过对比拟合度的高低,分别选出最适合三种橡胶材料的本构模型,为后续气密封检测工具胶筒有限元模型的建立提供准确的力学行为描述。（2）结合选出的三种橡胶材料本构模型,在ABAQUS上建立31/2"气密封检测工具胶筒一次压缩有限元模型。针对胶筒橡胶材料压缩大变形问题求解的难题,采用网格重构、自动稳定和准静态分析三种仿真方法,分别实现了胶筒一次压缩接触密封过程的仿真计算。计算结果表明,相同条件下三种橡胶材料中材料QMF-2的密封能力最好,因此将其作为气密封检测工具胶筒的制作材料。（3）参考相关文献,在一次压缩接触密封过程中,以胶筒与油套管内壁接触部位接触应力最大值作为密封能力评价标准,对胶筒外径、内径和高度设计了三因素四水平正交试验,完成了 31/2"气密封检测工具胶筒在不同尺寸参数下的仿真分析。仿真结果的极差分析表明,各尺寸参数中外径对胶筒一次压缩接触密封能力影响最大,其次为内径和高度,在设计中应在工程允许的范围内优先考虑使用较大外径;31/2"气密封检测工具胶筒最优尺寸组合为外径72mm、内径36mm、高度120mm。（4）为了解决一次压缩仿真分析结果中最优尺寸组合的胶筒接触应力最大值仍然小于所需承受的环空压力,无法判断设计的胶筒是否满足实际检测作业要求的问题,在ABAQUS上建立31/2"气密封检测工具胶筒二次压缩有限元模型,以一定轴向压力下胶筒所能承受的极限环空压力作为密封能力评价标准,设计与前文所述相同的三因素四水平正交试验并完成仿真分析。仿真结果的极差分析表明,二次压缩得到的规律与一次压缩中网格重构法在所有压力等级、以及自动稳定法在30MPa压力等级范围内得到的规律基本一致。在此基础上进行了工具真实加载顺序下的胶筒二次压缩仿真研究,对正交试验初步优选的四组胶筒进行二次优选,得到胶筒最优尺寸组合仍然为外径72mm、内径36mm、高度120mm,因此将该尺寸作为胶筒的实际加工尺寸。仿真研究表明该胶筒保守估计能满足30MPa压力等级范围内工具的实际检测作业要求。（5）在仿真分析和优化设计所得到的胶筒最优橡胶材料和尺寸参数的基础上,完成31/2"气密封检测工具的研制,搭建了模拟现场工况条件的全尺寸实验台架,开展了胶筒的密封承压能力实验研究。实验结果验证了二次压缩仿真分析的准确性,并证明了一次压缩下网格重构和自动稳定两种仿真方法的运用以及胶筒密封能力评价方法基本合理。根据实验,证明了所设计的胶筒能满足50MPa压力等级范围内的实际检测作业要求。通过本文的研究,为气密封检测工具胶筒的研究建立了一套经过实验验证的一次压缩和二次压缩有限元模型和分析方法,为工具胶筒的设计和优化提供了依据。本文通过两个阶段的仿真结果和实验数据的对比确定了网格重构、自动稳定和准静态分析三种仿真方法在解决工具胶筒压缩大变形问题时的实际适用范围及其准确度,该结果对橡胶类有限元仿真分析具有重要的指导意义。

关键词：气密封检测工具橡胶大变形网格重构自动稳定准静态分析

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