Analysis of Factors Affecting Sealing Performance of Subsea Wellhead Connector

Subsea wellhead connector is the key equipment for offshore oil and gas production. The working water depth is generally more than 500 m, so it has higher requirements for its sealing performance. In this paper, the VX gasket matched with H-4 subsea wellhead connector is taken as the research object, and the mechanical analysis under preload and production conditions is carried out. The finite element model of subsea wellhead connector is established by ABAQUS software, and the influence of axial preload, production pressure and material properties on the sealing performance of VX gasket is studied. The results show that the greater the axial preload, the greater the contact stress on the gasket surface;the contact stress decreases first and then increases linearly with the increase of production pressure;the material properties of the gasket are also an important factor affecting its sealing performance, 316L stainless steel is more suitable for gasket material than 304 stainless steel and Inconel625.

石墨填料垫片变形特性研究

针对石墨填料垫片会在使用过程中发生边角撕裂的问题,本文基于密封试验台结构及材料的弹塑性,建立了垫片系统的有限元模型,模拟了垫片的压缩回弹过程,并通过压缩回弹实验验证了模型的准确性。通过分析石墨填料垫片在不同尺寸、压缩率及侧面间隙的条件下,加卸载过程中的压缩回弹曲线变化,验证了石墨填料垫片边角应力集中现象。通过分析上密封面和侧密封面的应力分布,阐述了石墨填料垫片边角撕裂是由于上表面两侧过大的应力峰值导致的,且包边结构能明显改善垫片压缩后的边角撕裂问题。

大口径环形防喷器胶芯密封性能分析及设计

基于常规胶芯在井控过程中翻胶、撕裂的状态,设计了一种适用于大口径环形防喷器的密封胶芯。基于虚功原理,结合Blatz-Ko材料超弹性模型的本构方程,建立了球形胶芯密封有限元模型,模拟了胶芯受活塞推动下的变形-密封过程(初始变形、大变形阶段和密封接触),开展了不同剪切模量和活塞行程下的胶芯密封性能研究。同时结合国标GB/T 20174—2019和API 16A的技术要求对胶芯进行了试验验证。研究结果表明:球形胶芯密封性能受材料的剪切模量影响较大,随着剪切模量增大,接触压力先增大后减小,变形量随着剪切模量的增大而减小;在防喷器结构参数方面,活塞推进行程越大,胶芯接触压力和变形量随之增大。试验过程中密封部位无渗漏,证明研制的胶芯密封性能满足要求。研究方法和结果可为防喷器胶芯设计及密封性能增强提供参考。

PTFE缠绕垫片旋转法兰的强度及密封性能研究

带垫片的螺栓法兰为压力容器管道的重要连接件,现行的基于Waters算法的规则设计难以保证法兰连接承受复杂载荷的完整性及密封有效性,根据欧盟标准BS EN 13445-3-2009附录GA的设计原则,建立PTFE缠绕垫片的压缩回弹本构关系,采用3D非线性有限元方法分析垫片及螺栓连接的旋转法兰组件受到内压及外载作用的强度及密封性能,结果表明螺栓预紧及操作条件下垫片法兰的密封性能及强度性能满足要求,螺栓预紧力的确定与内压及外载的大小,动态变化的垫片压应力、螺栓分散性有关。

阀门法兰-盲板螺栓联接密封性研究

以DN300阀门法兰与class2500盲板螺栓联接为研究对象,基于ANSYS有限元软件,建立法兰-盲板螺栓联接有限元模型。仿真计算在螺栓预紧力和流体压力耦合作用下,通过螺栓联接处的径向线与相邻两螺栓中间部位径向线在轴向位移的变化。基于GB150算法对法兰-盲板螺栓施加预紧力,通过有限元仿真分析密封区域接触应力、轴向形变,分析阀体密封腔在法兰圆周方向的气密性,并通过试验进行密封性验证。结果表明:采用螺栓预紧联接法兰周向具有良好的密封性,仿真与试验结果一致;研究并确定了螺栓预紧力的范围下限;密封区域密封垫外侧接触应力远大于内侧,密封垫外侧起主要密封作用。

O形橡胶密封圈应力与接触压力的有限元分析

利用大型有限元软件ANSYS对O形橡胶密封圈在不同压缩率和油压下的变形与受力情况进行了分析研究,得出了相应情况下范.米塞斯(Von M ises)应力分布及接触压力与最大接触压力的变化关系。结果表明:随着油压的增加,范.米塞斯(Von M ises)应力相应增加,且应力峰区也相应改变,说明O形圈可能出现裂纹的位置是随着油压而变化的;O形橡胶密封圈与轴之间的最大接触压力随着压缩率、油压的增加而增加,在不同油压作用下,最大接触压力始终大于油压,满足O形圈的密封条件。

矩形橡胶密封圈的有限元分析

利用ANSYS建立了矩形橡胶密封圈的有限元模型,分析了初始压缩率和液体压力对矩形圈变形和密封面处接触压力的影响,并与O形圈进行了对比。结果表明,矩形圈密封面处的接触压力随初始压缩率和液体压力的增加而增大;矩形圈较O形圈的接触压力均匀、密封面大、密封效果好且初始压缩率小、老化速度慢、尺寸稳定性好,但矩形密封圈的接触面积大,散热效果差,只能用于静密封。

滑环式组合密封件的研究(Ⅱ)——阶梯形同轴密封件(斯特圈)的有限元分析

利用ANSYS建立了滑环式组合密封圈中应用较广泛的阶梯形同轴密封件(斯特圈)的二维轴对称模型,分析了滑环厚度对密封圈的变形和密封面处接触应力的影响;压缩量对密封件的接触应力、变形和VonMises应力的影响;液体压力对密封圈变形、密封面处接触应力和接触宽度的影响,结果证明随滑环厚度增加,滑环抵御变形的能力增强,密封面处的接触应力增大;压缩量越大密封件VonMises应力增加,变形增大,接触应力出现突变;随液体压力增加,O形圈和滑环变形增大,密封面处接触应力和接触宽度增加。

静密封条件下Y形橡胶密封圈有限元分析

针对在静密封条件下使用的一种新型Y形橡胶密封圈,利用大型有限元软件ANSYS对Y形密封圈在不同工作压力下的变形与受力情况进行了有限元分析,得出了相应的Von-M ises应力分布及接触压力分布,并预测了Y形密封圈可能出现裂纹的位置,总结了Y形密封圈接触压力的变化规律。

橡胶“O”形密封圈结构参数和失效准则研究

利用大变形、接触的非线性有限元理论建立了某固体火箭发动机密封结构的二维轴对称模型,用有限元软件计算出该结构在工作状态下的变形和应力。通过计算可知,在橡胶“O”形密封圈与上下法兰接触的位置产生最大的接触压应力,在密封槽槽口转角位置产生最大的剪切应力。对密封性能的各结构参数进行了分析,讨论了上下法兰张开间隙、初始压缩率、密封槽槽口及槽底倒角半径、密封槽宽、密封圈材料等典型参数的影响:上下法兰张开间隙、密封圈的初始压缩率对最大接触压应力的影响较大,而密封槽槽口和槽底处倒角半径对剪切应力影响明显。三维壳体结构的有限元分析结果表明,上下法兰在内压作用下产生不均匀的张开间隙,体现了三维结构的特点。不均匀的张开间隙与二维轴对称结果对比可知,以最小间隙作为设计间隙,二维轴对称分析模型可取代三维模型来分析该结构的密封性能。最后,确定了“O”形圈密封结构的最大接触应力和剪切应力失效准则。

O形密封圈密封性能非线性有限元数值模拟

利用ABAQUS软件建立海底采油设备用O形密封圈轴对称模型,对其在不同压缩率、不同油压时的Von Mi-ses应力及密封面接触压力分布规律进行探讨,确定O形密封圈材料易失效位置;分析压缩率和油压对O形密封圈最大Von Mises应力、最大接触压力及最大接触压与油压压差的影响。结果表明:O形密封圈最大Von Mises应力、密封面最大接触压力随压缩率和油压的增加而增加,且O形密封圈在中低高压下的密封能力高于超高下的密封能力,为海底采油设备用O形密封圈的结构设计及选型提供相关参考。

金属W形密封环的弹塑性接触有限元分析

采用ANSYS有限元软件建立金属W形密封环的有限元模型,对金属W形密封环在给定工况下的弹塑性接触变形进行非线性有限元分析,得出相应情况下的接触应力分布和范.米塞斯(Von-M ises)应力分布;讨论密封环操作参数和结构参数对密封性能的影响。结果表明,在预紧工况和工作工况下,密封环的最大接触应力均能满足密封要求,且最大Von-M ises应力小于屈服极限,金属W形密封环可以实现密封;适当增大金属W形密封环壁厚或加大预压缩量,可以提高其密封性能。

唇形橡胶密封圈非线性接触有限元分析

借助于大型非线性有限元分析软件ABAQUS,对自行设计的非标准件唇形橡胶密封圈进行了三维装配体非线性接触有限元分析,对唇形密封圈在不同初始过盈量和油压下的变形与应力情况进行了分析研究。结果表明:最大接触应力随着初始过盈量增加而增加;在不同油压作用下,最大接触应力始终大于油压,满足唇形圈的密封条件,并经实践检验,证明有限元分析结果是正确的。

高水头平面闸门P型水封非线性有限元模拟

建立了高水头平面闸门P型水封的非线性有限元模型,对其止水过程进行了模拟。模型中考虑了水封橡胶材料的非线性和不可压缩性、高水头作用下水封大变形导致的几何非线性以及水封与压板、水封与止水座板的接触非线性边界条件。通过非线性有限元分析,得到了P型水封的接触应力、接触宽度等情况,研究了P型水封的变形特性及止水性能,并分析了水封头部半径对P型水封变形特性及止水性能的影响,为实际工程中P型水封的设计提供有益的指导。

封隔器胶筒密封性能有限元分析

封隔器胶筒的密封性能直接制约其使用性能,且胶筒属于超弹性材料,在井下多种载荷作用下,其力学行为复杂。以三胶筒组合的压缩式封隔器为研究对象,建立了封隔器密封元件的有限元力学模型,分析了加载方式、摩擦因数以及胶筒硬度等对胶筒接触应力的影响,得出了接触应力沿胶筒轴向的分布规律,研究结果可指导封隔器胶筒组合的设计和井下作业。

金属垫片接触应力分布的数值模拟

利用ANSYS对不同螺栓载荷下的垫片接触应力分布进行了数值模拟。结果表明,垫片接触应力径向分布是非常不均匀的,垫片外侧接触应力比其内侧大得多。垫片接触应力径向分布除受螺栓载荷和介质压力影响外,还与法兰刚度和垫片几何尺寸有关。

水下湿式电连接器密封组件密封性能模拟与分析

利用ANSYS有限元软件建立了水下湿式电连接器橡胶密封组件在工作工况下(最大水深500 m,往复插拔运动)的二维有限元简化模型,模拟分析了不同表面摩擦系数、不同径向压缩量及动静密封状态下密封区域的接触应力分布情况,分别利用经验公式法和雷诺方程分析法计算了泄漏量,对密封组件密封性能进行了定量分析。结果表明:密封区域的接触应力随表面摩擦系数增大而增大,但当表面摩擦系数为0.20时密封区域局部失效;不同径向压缩量情况下瞬时动密封的接触应力均高于静态密封的接触应力;密封组件径向压缩量增大,接触应力也随之增大,但当径向压缩量为1.0 mm时密封区域局部失效。经验公式法和雷诺方程分析法计算的泄漏量均小于规范的最大泄漏量标尺,表明水下湿式电连接器密封组件具有良好的密封性能,但经验公式法比雷诺方程计算的结果相对偏小,主要原因是雷诺方程计算侧重的是接触面的湿摩擦,而经验公式侧重的是接触面的干摩擦。本文研究结果对水下湿式电连接器密封结构设计和相关参数选取有一定的指导意义。

石油机械中O形密封圈的动密封特性分析

目前对往复运动的O形密封圈密封特性的研究较少,而O形密封圈用于往复动密封时其工况更恶劣。鉴于此,建立了O形密封圈的有限元模型,分析了其在往复动密封中的密封性能,并对影响其动密封特性的运动速度、介质压力、预压缩率和摩擦因数进行了分析。分析结果表明,在往复动密封中,O形密封圈内部应力随时间变化而产生波动,在交变应力作用下比在静密封中更易失效;O形密封圈主接触面的最大接触应力并不随速度的增大而线性变化;预压缩率与摩擦因数对O形密封圈外行程密封性能影响较小,而对其内行程密封性能影响较大;O形密封圈在外行程中的密封性能优于内行程。

钻井泵活塞接触应力分析

活塞的密封性及摩擦磨损等性能都主要和活塞皮碗与缸套内壁间所形成的接触应力有关 ,因此 ,接触应力分布规律的研究具有重要的实际意义。利用有限元分析方法 ,得出了活塞在静态和动态情况下 ,接触应力的分布规律 ,同时分析了在改变活塞尺寸和工作压力的情况下 ,接触应力的分布问题。

基于三维接触的滑环式旋转组合密封性能主控因素分析

密封圈二维有限元分析中,常将密封圈接触面上最大接触压力推广到整个接触面上,针对这种不够精确的方法,提出了一种基于三维仿真模型的有效接触压力高精度计算方法。建立组合密封圈的三维模型,模拟实际工况,对影响其动密封特性的轴往复运动速度、轴转速、介质压力、O形圈压缩量、滑环厚度、滑环动接触面开槽进行了研究,并利用有效接触压力计算方法分析了动接触面上有效接触压力的分布情况。结果表明:滑环开槽、滑环厚度、O形圈压缩量以及介质压力对组合密封圈有效接触压力影响较大,内轴往复速度以及转速达到一定值后对有效接触压力影响较大。研究结果为滑环式组合密封圈的优化设计提供了参考。