2. 中国石油川庆钻探工程有限公司 井下作业公司, 四川 成都 610051
2. Downhole Operation Company, Chuanqing Drilling Engineering Company Limited, Chengdu 610051, China
随着科学技术的不断进步,各种电子元件逐渐被用于石油钻井和测井领域中.为了保证井下工具内使用的各种电子设备能够在常压下正常工作,电子设备通常被放置在耐压腔室内,且在耐压腔室上安装高压密封连接器,从而有效隔绝井下极端的高压腐蚀液体环境,如海水、油基钻井泥浆以及可能含有硫化氢的液体及其他物质,同时通过高压密封连接器实现井下工具内的电子设备与地面电子设备之间的信号通讯[1, 2, 3].高压密封连接器主要分为2类[4, 5]：1)玻璃/陶瓷-金属烧结密封连接器,此类密封连接器对零部件的加工精度要求高且材料的热膨胀系数必须匹配,在高温高压环境中可靠性较低；2)注塑类密封连接器,即向金属外壳内注入密封材料,在高压作用下密封材料被越压越紧从而达到密封效果.国内外学者提出了多种结构高压密封连接器的设计,如：张树松提出了一种玻璃-金属气密封连接器,并对其材料的选择和生产工艺进行了介绍[6]；龙建华设计了一种爆轰超压载荷下密封连接器,并对其进行了静态检漏与动态实验[7]；田锋伟提出了一种高压矩形密封连接器的设计思路,介绍了此产品的结构特点和绝缘材料的合理选择[8]；Kemlon公司提出了一种用于高压油气井中的单芯注塑类电连接器,并申请了美国专利[9].前人对高压密封连接器密封可靠性的分析较少,且设计的连接器结构多较为复杂.本文所设计的密封连接器为注塑类,结构较为简单,对其内部填充密封材料为橡胶、环氧树脂以及两者组合的情况进行了分析,可为高压密封连接器的设计以及填充材料的选择提供参考.
本文所设计的高压密封连接器的结构如图 1所示，它包括外壳体、密封圈、插针和填充材料.外壳体通过螺纹连接在基座上,外壳体与基座之间通过密封圈密封.外壳体与插针之间填充密封材料,外壳体的内面为半锥角为θ的锥面,靠近低压区内孔小,靠近高压区内孔大,从而防止填充材料在高压作用下从外壳体内被挤出.
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| 图 1 高压密封连接器 Fig. 1 High pressure sealing connector |
填充材料是决定连接器密封性能是否可靠的关键.橡胶具有优良的回弹性、绝缘性、隔水性及可塑性等特性,且经过适当处理后还具有耐油、耐酸、耐碱、耐热、耐寒、耐压和耐磨等宝贵性质,被广泛用于建筑、汽车、航天和石油等领域[10, 11].环氧树脂是一类具有强黏接力、高稳定性、高强度、低收缩率，且耐腐蚀性好、绝缘性好、工艺性好、适应性强的热固性高分子合成材料,已在涂料、电绝缘材料、增强材料和胶黏剂等方面得到广泛应用[12].本文以橡胶和环氧树脂作为填充材料,对其进行了分析.
密封连接器各零部件之间为接触关系,在进行分析时三维模型的计算量大.除插针外其余零部件都关于中心轴对称.为了减少计算量,将插针定在中心位置且只有1根,忽略连接螺纹升角影响,从而将三维模型简化为二维轴对称模型进行分析.设定基座与外壳体间的摩擦系数为0.12,填充材料与外壳体、插针之间的摩擦系数为0.4(填充材料为橡胶)或0.2(填充材料为环氧树脂).在填充体高压区端、密封圈右侧的基座和外壳体上施加一定载荷的压力，对基座施加固定约束.对模型进行网格划分,螺纹处网格作加密处理,共计9 003个网格单元.橡胶和环氧树脂都是非线性材料,在对橡胶进行有限元分析时选用的是Mooney-Rivlin模型,此模型的应变能函数[13, 14]如下：
| $ W={{C}_{1}}\left( {{I}_{1}}-3 \right)++{{C}_{2}}\left( {{I}_{2}}-3 \right), $ | (1) |
式中：W为应变能密度；C1，C2为Mooney-Rivlin模型材料常数；I1，I2为第1、第2张量不变量.文中取C1=1.87 MPa，C2=0.47 MPa[15].郑星、黄海莹等人对灌封用环氧树脂的力学性能进行了研究,环氧树脂的应力与应变关系如图 2所示[16],本文采用此应力与应变参数对环氧树脂进行有限元分析.
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| 图 2 环氧树脂应力—应变曲线 Fig. 2 Stress-strain curve of epoxy resin |
为了研究高压密封连接器填充材料为橡胶时的密封性能,本文对不同半锥角的高压密封连接器填充橡胶材料进行了分析.图 3是半锥角为88°、密封压力为70 MPa时高压密封连接器的变形情况,从图中可以看出,内部填充的橡胶在压力的作用下被上挤凸出.图 4是最大接触应力和最大外凸距离与半锥角的变化关系曲线.从图可以看出,随着半锥角的增大，填充橡胶的最大外凸距离不断增加,但半锥角大于88°时增加速度发生了跳跃.随着半锥角的增大,填充橡胶的最大接触应力先增加,当半锥角达到88°左右时开始降低.接触应力越大,密封性能越强.结合最大外凸距离、最大接触应力与半锥角的变化关系,高压密封连接器的半锥角取88°较为合理.
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| 图 3 连接器变形云图 Fig. 3 Deformation nephogram of connector |
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| 图 4 最大接触应力和外凸距离与半锥角关系曲线 Fig. 4 Relation curve of the maximal contact stress,evagination distance and semi-cone angle |
为了研究当半锥角为88°时高压密封连接器在不同压力作用下的密封性能,本文对高压密封连接器处于5~70 MPa作用下填充橡胶的接触应力进行了分析.图 5是不同密封压力与橡胶最大接触应力的关系,从图中可以看出,随着密封压力的增加,接触应力线性增长,且最大接触应力都大于密封压力.图 6是橡胶胚体接触应力云图,从图中可以看出橡胶与外壳体接触面(A)和橡胶与插针接触面(B)的接触应力大小、分布规律相近,从大端至小端接触应力逐渐降低.
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| 图 5 最大接触应力与密封压力关系曲线 Fig. 5 Relation curve of maximum contact stress and seal pressure |
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| 图 6 橡胶体接触应力云图 Fig. 6 Contact stress nephogram rubber body |
为了研究高压密封连接器填充材料为环氧树脂时的密封性能,本文对不同半锥角的高压密封连接器填充环氧树脂材料进行了分析.图 7是密封压力为70 MPa时不同半锥角下环氧树脂的最大接触应力.从图中可以看出,半锥角在86.5°~89°范围内,最大接触应力的波动不大,且因环氧树脂硬度较大,并未在此角度范围内出现环氧树脂被挤出的现象.为了研究不同压力下环氧树脂的密封性能,本文仍以88°半锥角高压密封连接器为研究对象.设定密封系数k(k=最大接触应力/密封压力)评判不同压力条件下填充环氧树脂的密封能力,k值越大，密封能力越强.图 8是最大接触应力和密封系数k与密封压力的关系曲线.从图中可以看出,随着密封压力的增加，接触应力增大,但密封系数k先降低后增加,密封压力为10~40 MPa时密封性能最差.
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| 图 7 最大接触应力与半锥角关系曲线 Fig. 7 Relation curve of maximum contact stress and semi-cone angle |
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| 图 8 密封性能与密封压力的关系曲线 Fig. 8 Relation curve of sealability and seal pressure |
为了验证填充环氧树脂时高压密封接头在不同压力下的性能,进行了如图 9所示实验.结果显示，当压力增加至13 MPa左右时，在环氧树脂与外壳体接触的面有少量液体渗出,当压力继续增加到30 MPa左右时,液体渗出现象消失,直至加压至80 MPa,无液体渗出现象发生.有限元分析结果与实验结果接近.
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| 图 9 性能测试实验(环氧树脂) Fig. 9 Testing of capability (epoxy resin) |
通过以上的分析发现填充橡胶材料时接触应力较大,密封性能较好,但因橡胶材质较软,在高压作用下外凸出严重.环氧树脂作为填充材料时可避免材料挤出现象发生,但是在一定密封压力下会发生泄漏.综合2种材料的优缺点,将两材料组合使用,下部填充橡胶材料起密封作用,上部填充环氧树脂防止橡胶材料挤出,如图 10所示.环氧树脂比例大有利于防止橡胶突出,橡胶比例大，则密封可靠性高.为了取得合适比例的橡胶和环氧树脂,本文对填充不同体积比例材料的情况进行了分析.
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| 图 10 高压密封连接器(材料组合) Fig. 10 High pressure sealing connector (material combination) |
通过有限元分析对填充不同体积比例的环氧树脂和橡胶的高压密封连接器进行分析.图 11为填充不同比例环氧树脂时连接器变形云图.图 12是填充不同比例环氧树脂、密封压力为70 MPa时材料的挤出情况.从图 12可以看出,随着环氧树脂体积比的增加,最大上凸距离不断减小,当环氧树脂体积比达到40%,材料最大上凸距离小于0.3 mm.本文以环氧树脂填充量约为40%,橡胶填充量约为60%的高压密封连接器进行了耐压实验验证,加压至74 MPa,保压2 h,实验结果如图 13所示,在此过程中未发生液体泄漏和填充材料被明显挤出的现象.
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| 图 11 填充不同比例环氧树脂时连接器变形云图 Fig. 11 Deformation nephogram of connector filled with different ratios of epoxy resin |
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| 图 12 最大上凸距离与环氧树脂比例关系曲线 Fig. 12 Relation curve of the maximal evagination distance and epoxy resin content |
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| 图 13 性能测试实验(材料组合) Fig. 13 Testing of capability (material combination) |
为了研究连接装置在密封过程中的受力情况,本文对半锥角为88°、环氧树脂体积比为40%的高压密封连接器在密封压力为70 MPa下的工况进行了受力分析.其应力云图如图 14所示,从图中可以看出,整个装置的最大应力发生在外壳体的第1扣螺纹与第2扣螺纹之间的小径处,外壳体共有10扣螺纹,主要靠前5扣承受载荷.插针的最大应力出现在橡胶与环氧树脂交界处偏上位置,这是由2种材料在交界面处的变形不一致导致的.
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| 图 14 Mises stress应力云图 Fig. 14 Mises stress nephogram |
1)对于本文所研究的高压密封连接器,当内部填充材料为橡胶时接触应力较大,密封性能较好,但在密封高压时橡胶材料凸出严重.当内部填充材料为环氧树脂时,可有效防止密封高压时填充材料被挤出,但在一定密封压力范围内会出现泄漏现象.
2)橡胶和环氧树脂组合使用作为填充材料,可克服2种材料单独使用时存在的缺陷,达到良好的密封效果,通过分析发现当环氧树脂体积比为40%时较为合适.
3)高压密封连接器在工作中最大应力出现在外壳体的第1扣螺纹与第2扣螺纹之间的小径处,主要靠前5扣螺纹承载.插针的最大应力出现在橡胶与环氧树脂交界处偏上位置.
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