基于响应曲面法的井下节流器密封结构分析及优化_席文奎 (1).pdf

基金项目：西安石油大学研究生创新与实践能力培养项目（编号：YCS22121018）收稿日期：20221113基于响应曲面法的井下节流器密封结构分析及优化*席文奎，王科强，贾超（西安石油大学 机械工程学院，西安710065）摘要：针对苏里格气田井下节流器密封失效问题，利用有限元软件，对井下节流器密封结构的密封性能进行了分析，发现密封结构中V型密封圈具有继续优化的潜力，采用响应曲面法对V型密封圈进行了优化。仿真结果表明，当V型密封圈的密封角度=69.7、密封宽度h=5.3 mm、密封圆角r=0.3 mm、密封间隙d=0 mm、摩擦因数=0.7时，V型密封圈的最大接触应力为2.56 MPa，在保证安全的前提下接触应力提高了71%。此时节流器密封结构的密封效果最好。关键词：井下节流器；结构优化；有限元分析；响应曲面法中图分类号：TE931文献标志码：A文章编号：10099492(2023)03011704Analysis and Optimization of Sealing Structure of Downhole Choke Based onResponse Surface MethodologyXi Wenkui，Wang Keqiang，Jia Chao（School of Mechanical Engineering,Xian Petroleum University,Xian 710065,China）Abstract:In view of the sealing failure of downhole choke in Sulige Gas Field,the sealing performance of downhole choke sealing structure isanalyzed by using finite element software.It is found that the metal components of the sealing structure need not be considered in thesubsequent optimization,and the V-shaped seal ring has the potential for further optimization;The response surface method was used tooptimize the V-shaped seal ring.The simulation results show that when the sealing angle of V-shaped seal ring is=69.7,seal width h=5.3mm,seal fillet r=0.3 mm,seal clearance d=0 mm,friction coefficient=0.7,the maximum contact stress of V-shaped seal ring is 2.56 MPa,which is increased by 71%on the premise of ensuring safety.At this time,the sealing effect of the throttle sealing structure is the best.Key words:downhole throttle;structural optimization;finite element analysis;response surface method.2023年03月第52卷第03期Mar.2023Vol.52No.03机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.03.023席文奎，王科强，贾超.基于响应曲面法的井下节流器密封结构分析及优化 J.机电工程技术，2023，52（03）：117-120.0引言天然气井在高压、低温、含水的情况下非常容易生成水合物，水合物会堵塞管道，严重影响正常生产活动。井下节流器可以防止水合物生成，起到调节生产以及提高生产效率的目的1-3。井下节流器主要结构包括卡定结构、密封结构和节流结构。国内学者对密封结构优化做了大量研究。周立辉等4对传统卡瓦式井下节流器的“圆柱”式胶简存在的可靠性差、寿命短的问题，研制出V型结构的胶筒，提高了井下节流器的工作可靠性及使用寿命。蒋发光、梁政5建立了不同结构形式的胶筒有限元模型，对自由胶筒力学初始密封和工作密封进行了分析。吴义博6提出了改进的V型胶筒结构，利用有限元分析了圆柱型胶筒和V型胶筒的最大应力，结果表明V型胶筒比圆柱型胶筒密封性能更好。黄霖等7将密封件从氟橡胶V形盘根与聚四氟乙烯V形盘根交替组合的方式，优化为单一的聚四氟乙烯填料V形盘根组合，有效增强了密封件的耐冲蚀性与耐磨性。苏里格气田井下节流器密封机构的失效情况很常见。节流器密封胶体破损非常严重，存在掉块、断裂等严重情况，不能有效密封，导致节流失败8。密封结构的失效还会导致节流器解封失败，打捞困难9。本文针对这一问题，利用有限元软件，对井下节流器密封结构的密封性能进行了分析和优化，探索结构合理的密封结构。1密封结构节流器坐封后，密封圈在井下高压气体的作用下被压缩膨胀，紧贴在管壁上形成密封。密封结构如图12所示，V型密封圈有四道，设置在上档环和下挡环之间。材料属性如表1所示。V 型密封圈结构如图 3 所示，结构参数如表 2 所示。在初始条件下，2吋7油管所用预置式节流器的密封圈外径为56 mm，内径为39 mm。其中，r为密封圆角；d为密封圈与油管接触间隙；为摩擦因数；h为密封宽度；为密封角度。图1密封结构模型1172有限元模型本仿真试验中 V 型密封圈使用超弹性单元 HYPER74，套 管、中 心 管 及 上 下 挡 环 用 平 面 单 元PLANE42。密封圈与密封圈之间面-面接触，使用CONTA172接触单元，密封圈与中心管、套管面-面接触，使用TARGE169接触单元。本仿真试验采用氢化丁晴橡胶V型密封圈，工作温度在150时邵氏硬度为75，材料常数C10=0.386 67，C01=0.773 33。V型密封圈使用的氢化丁晴橡胶材料具有材料非线性特性，属于超弹性体，泊松比接近液体的0.5，可以视为一种体积近似不可压缩的材料。Mooney-Rivlin模型作为常用的橡胶材料模型，小应变范围内（0100%拉伸和30%压缩）能够较好地表征橡胶材料的力学行为。此模型可以很好地描述本次密封试验的形态规律10。图4所示为有限元模型和网格划分。3密封结构分析与优化3.1挡环结构分析在井下节流压差为 30 MPa 的条件下，利用 ANSYSAPDL对上述模型进行有限元分析。结果如图5所示。仿真结果表明：密封结构的最大等效应力位于上挡环处，应力最大值为6.6 MPa，远小于35CrMo材料的屈服强度850 MPa，所以在研究中不考虑金属结构件的结构强度与变形问题。3.2V型密封圈结构分析V 型密封圈在给定的条件下，结构最大等效应力为3.62 MPa，接触应力为1.5 MPa，均小于聚四氟乙烯的极限破坏强度22 MPa，因此其强度满足要求。V型密封圈的密封效果由接触应力决定，在保证安全的前提下，接触应力越大，密封效果越好。所以我们追求V型密封圈的接触应力最大。改变V型密封圈的密封宽度h、密封角度、密封圆角r、密封间隙d、摩擦因数进行了多组仿真试验，得到了不同条件下的接触应力的变化规律如图6所示。由单因素仿真试验可以看出，接触应力的大小受到密封宽度h、密封角度、密封圆角r、密封间隙d、摩擦因数的影响。随着密封圆角r的增大，接触应力逐渐变小；随着密封间隙d的增大，接触应力逐渐减小；随着1.上挡环2.密封圈3.下挡环图2密封结构示意图表1材料属性结构组成挡环密封圈材料35CrMo聚四氟乙烯弹性模量/GPa1940.28泊松比0.290.45屈服强度/MPa850破坏强度/MPa95022图3V型密封圈结构示意图表2V型密封圈结构参数r/mm0.3d/mm00.3h/mm6.3/()90图4有限元模型和网格划分（c）V型密封圈接触应力图图5有限元分析（b）V型密封圈等效应力图（a）密封结构等效应力图2023年03月机 电 工 程 技 术第52卷第03期118摩擦因数的增大，接触应力逐渐增大。然而，随着密封宽度h和密封角度的变化，接触应力均没有表现出明显规律，这说明单因素仿真试验并不能找出密封宽度h和密封角度的最优解，因此还需要对密封宽度h和密封角度进行进一步的优化。3.3V型密封圈结构优化根据上述仿真试验结果，V型密封圈的接触应力大小与密封宽度h、密封角度的变化关系复杂，通过单因素试验想要找出最优的参数较为困难，因此选择曲面响应法去找出最优解。响应曲面法通过一系列试验，对多个变量影响的一个或者多个响应问题进行建模，将复杂的函数关系利用多元二次回归的方法来拟合，计算相对简单，是降低试验次数、提高试验质量和解决参数优化问题的一种有效分析方法。本次优化采用中心组合设计法，该方法对因素和水平的组合具有广泛的适用性，具有可旋转性、模型稳健性及试验次数少等特点，且该方法得到的回归方程与实际结果具有良好的拟合性11-12。中心组合设计因素如表3所示。响应与多个自变量的关系可以表示为：N=f()x1,x2,xn+（1）式中：N为最优化响应；xn为多个自变量；为随机误差。为了更准确地表达各参数与响应之间的关系，利用二阶响应曲面法建立方程。本次两因素二阶响应曲面模型可以写做13-15：y=0+1x1+2x2+11x21+22x22+12x1x2（2）式中：x1、x2为自变量；0为常数项；1、2为线性系数项；12为交互作用项系数；11、22为x1、x2的二次项系数，本次设计中=0。根据表4的数据，利用MiniTab软件，使用最小二乘法对试验结果进行拟合，可以得到V型密封圈最大接触应力的二次回归方程如式（3）所示。=23.60-6.284h-0.007 7+0.381 6h2-0.000 3262+0.01h（3）式中：为接触应力，MPa；h为密封宽度，mm；为密封角度，（）。该回归模型P0.001，且模型的复相关系数R2=0.984 9，说明该模型能解释98.49%的接触应力变化关系。密封宽度h、密封角度对接触应力的影响如图7所示，根据式（3）绘制3D曲面图和等高线图。从图中可以看出，随着密封宽度的减小，接触应力也随之减小；随着密封角度的减小，接触应力先增大再减小；密封宽度越小，密封角度对接触应力的变化越显著；密封角度越小，密封宽度对接触应力的变化越显著；且密封角度的最优值在65 75。3.4响应优化利用数学统计软件 MiniTab中的响应优化器对上述关系在 （60，120），h（5.3 mm，7.3 mm）中进行（e）不同摩擦因数图6不同参数下V型密封圈接触应力的变化（a）不同密封宽度（b）不同密封角度（c）不同密封圆角（d）不同密封间隙水平下限下水平零水平上水平上限取值-1.414-10+1+1.414密封宽度h/mm5.35.66.377.3密封角度/()6068.890111.2120表3中心组合设计因素表序号12345678910111213密封宽度h/mm5.66.35.36.36.376.35.37.36.36.35.67密封角度/()68.890901209068.89060909090111.2111.2接触应力/MPa2.21.52.41.021.511.11.491.281.241.5021.4961.81.3表4中心组合设计和其仿真结果席文奎，王科强，贾超：基于响应曲面法的井下节流器密封结构分析及优化119优化。得出其最佳工艺参数密封角度=69.7，密封宽度h=5.3 mm，此时接触应力的拟合值为2.6 MPa。在密封角度=69.7，密封宽度h=