牙轮钻头用新型单金属浮动密封的结构设计研究 张宝生

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牙轮钻头用新型单金属浮动密封的结构设计研究

张宝生，陈家庆, 斯日古冷

用空间小、承受转速高、磨损小的优点，能大幅度提高牙轮钻头的可靠性和工作寿命。国外油气钻井工程的应用实践表明，该技术还有进一步改进的潜力。通过采用MSC.Marc 有限元软件，对在牙轮钻头轴承系统中使用的新型单金属浮动密封结构进行了受力分析，指出改进支撑橡胶环和金属静环的结构能优化静密封面和动密封的接触压力分布，提高密封性能、减小密封件的磨损，为国内企业研制新型单金属浮动密封提供了参考。

关键词：牙轮钻头；单金属浮动密封；结构设计；有限元分析

中图分类号：TH136　    文献标识码：Ａ

金属浮动密封是一种具有良好的耐高温、耐磨性能的密封结构，美国BakerHughes公司于1987年首先将双金属浮动密封结构用于牙轮钻头轴承系统[1]。现场使用结果表明，与使用常规径向橡胶密封相比，可显著提高牙轮钻头的工作转速和工作寿命，并能提高整个轴承系统的可靠性。江汉石油钻头股份有限公司通过与美方合作，获得了部分制造组装技术，目前该公司在GJ、FJ、HJ、“王者之风”E等四个系列的牙轮钻头中得到应用。由于双金属浮动密封采用一对橡胶O型圈和一对金属密封环，占用空间大，橡胶O型圈磨损严重，因此石油大学罗纬等人提出了如图1所示的单金属浮动密封结构，其主要特点是采用了一只橡胶圈和一对金属密封环，橡胶圈既提供预紧力使静密封环柔性固定，同时又独立起到静密封的作用[2-3]。笔者曾采用有限元软件MSC.Marc对图1所示的单金属浮动密封进行了数值模拟，发现采用平直密封端面时外侧接触压力是产生密封作用的主要因素，在运转过程中端面外侧最易磨损，并指出在密封腔左侧使用橡胶挡圈有助于加强密封[4]。

1998年，BakerHughes公司推出了单金属浮动密封高速牙轮钻头[5-6]，该钻头在墨西哥湾(GOM)地区的平均寿命超过了55小时。所采用的单金属浮动密封(简称SEMS)如图2(a)所示，特点在于增加了背部支撑橡胶环。2003年，BakerHughes公司对其进行了进一步改进，开发出如图2(b)所示的新一代牙轮钻头轴承用单金属浮动密封(简称SEMS2)，改进之处包括橡胶增能圈及对应牙爪密封面的几何形状、支撑橡胶环的几何形状、金属密封环的端面尺寸和表面强化处理等。2005年中期在市场上推出了使用SEMS2技术的MXL系列牙轮钻头产品，在GOM地区的钻井统计资料

图1  牙轮钻头轴承单金属浮动密封的结构示意图

表明，在80%的可靠度下，8-1/2″钢齿SEM2牙轮钻头较SEM牙轮钻头的平均工作总转数分别提高了38%[7]。2008年，天津立林钻头股份有限公司研制了使用单金属浮动密封的牙轮钻头并开始产业化，其结构如图3所示[8]。从图2、3的对比中可以看出，目前国内牙轮钻头单金属浮动密封还处于以SEMS为对象进行仿制的阶段。从国外的经验来看，综合应用现代机械设计、摩擦学和表面工程等学科的知识，将SEMS改进升级到SEMS2，对于提高钻头寿命、降低钻井费用，能起到事半功倍的效果[9]。本文通过CAE建模，分析和研究了SEMS2型单金属浮动密封的结构特点，希望能为国内企业开发新型单金属浮动密封提供参考。

图2 Baker Hughes公司的单金属浮动密封结构示意图   

   图3 天津立林公司的单金属浮动密封结构示意图

1.新型单金属浮动密封的结构设计分析

新型单金属浮动密封的结构如图4所示，其主要参数为：牙轮内孔直径D=50mm，牙爪轴颈密封圆锥段的倾斜角α=20o，O型橡胶圈Φ50×4.3mm，支撑橡胶环高H=7mm，直面宽L=2.5mm、柱面槽深L1=0.8mm，静环窄端宽度A1=1.8mm，静环宽端宽度A2 =4.5mm，静环轴向长度B=7.8mm[4-5,10-11]。设置支撑橡胶环的作用为：(1)填充了橡胶O型圈外原来由泥浆充满的空间，不但能防止泥浆对橡胶O型圈的侵蚀，而且增加了一层密封，能阻止泥浆进入润滑油腔，减小了轴承的的磨损；(2)能阻碍静环在受到动环的冲击后与橡胶O型圈之间产生的滑动，降低了O型圈在工作过程中的磨损，增加其使用寿命；(3)大大增加了轴向力，使动、静环之间的动密封更可靠。在牙轮钻头工作过程中，支撑橡胶环和容槽、静环之间形成的两个静密封面是影响密封效果的重要因素，密封面上的接触压力及分布与支撑橡胶环和容槽的形状和尺寸参数密切相关。  

图 4 新型单金属密封的结构参数

图5支撑橡胶环截面形状

图5 为支撑橡胶环的三种典型结构形状，其中a型结构最简单，右端面采用直面；b型右端面下部采用与O型圈一样的圆弧，在圆弧与上部直面之间有一块突起；c型在b型的基础上，进一步在左端面上增加了突起。容槽下部锥面是橡胶O型圈的容槽锥面的延伸，上部可采用锥面槽或柱面槽。

2.有限元模型的建立及分析讨论

考虑到问题的轴对称性，在采用Msc.Marc软件建立模型进行分析时，对于橡胶材料采用Mooney-Rivilin模型，材料常数C10和C01分别为1.87和0.47，采用不可压缩轴对称四边形82号单元；金属密封环采用轴对称四边形10号单元，弹性模量E=2.0x106N/mm2，泊松比v=0.3；为对比研究方便，设置静环在预装配的第30个加载步对支撑橡胶环的轴向压缩为0.5mm,轴向压缩比为20%。

2.1支撑橡胶环及容槽结构对密封性能的影响

图6、图7、图8分别为a型支撑橡胶环—锥面容槽、b型支撑橡胶环—柱面容槽、c型支撑橡胶环—柱面槽的预装配接触压力图。从图6中可以看出，锥面容槽与支撑橡胶环密封面上的接触压力呈现中部高上部低的形态，而图7、8中由于柱面容槽对橡胶环的约束，使其与支撑橡胶环密封面之间的接触压力分布从中部一直延伸到上部，从而能更有效的阻止外部泥浆的进入，密封效果更好。由于b、c型右侧密封面下部采用圆弧和突耳过度，使支撑橡胶环与静环、橡胶O型圈之间形成的空隙明显缩小，这使得三者之间能形成更紧密的密封，从而减小了三者之间的滑移磨损。如图8所示，c型支撑橡胶环由于左端面突起的存在，使支撑橡胶环与容槽和静环之间的密封接触压力都明显上升，并在容槽顶部和突起部形成局部的密封压力集中，能更有效的防止外部泥浆的侵入，因此采用c型支撑橡胶环的密封效果最好。

图6 a型支撑橡胶环—锥面槽接触压力分布

图7 b型支撑橡胶环—柱面槽接触压力分布

2.2静环结构对动密封面密封性能的影响

静环和动环形成的动密封面，能够防止外部钻井液进入轴承系统，从而保证牙轮钻头的正常工作。在钻井过程中静环和动环之间存在的高速摩擦会造成该密封面的磨损和失效。支撑橡胶环的使用能大大增加两者之间的接触密封力，提高密封的可靠性，但也会带来磨损增大的问题。可以通过优化静环结构，如增大静环和动环之间密封面的接触面积、在静环接触面侧开出斜面等措施来适当降低密封面的接触压力、改善接触压力的分布形态，从而实现密封性能的提高和密封面磨损的降低。

图9、图10分别为增大静环外径（A1=2.8mm,A2=5.5mm）和增大静环宽端外径（A1=1.8mm,A2=5.5mm）后的预装配接触压力图，两者的区别是图9中静环的窄端和宽端外径同时增大，图10中仅是静环宽端外径增大。将图9与图8进行对比可以看出，采用增大静环外径的方式，静环和动环密封面的最大接触压力不仅没有降低，反而大幅度上升（92MPa>64.7MPa），这是因为静环窄端外径的增大，使得其对支撑橡胶环的挤压变形更强烈，接触面积也同时增大，造成总的轴向压力大大增加，抵消了动密封面积增大的效果。而图10中

图8 c型支撑橡胶环—柱面槽接触压力分布  

图9 增大静环外径后密封面接触压力分布

则由于静环与支撑橡胶环的接触面积不变，支撑橡胶环的变形保持不变，使轴向压力也基本不变。宽端外径的增大不仅增大了动密封接触面积，而且动密封面上接触压力的分布也从集中在上半部分扩展至整个密封面，从而使密封面的整体接触压力大幅下降，最大接触压力也从64.7MPa降低到45.7MPa。

图10 只增大静环宽端的密封面接触压力分布     

图11 带斜面静环密封面接触压力分布

从图8、9、10中可以看出，在静环和动环的密封面之间采用完全平面，密封面上的接触压力会呈现外侧高、内侧低的分布形态，最大接触压力出现在最外侧，而该处泥浆的存在，使密封面外侧磨损最为严重，当外部泥浆进入磨损后形成的斜面后，会进一步加大密封面的磨损。为了防止出现这种情况，可在静环内侧上开出一个斜面，来改善密封状况。如图11所示，由于斜面的存在，不但使润滑脂能进入斜面形成液体动压润滑，而且密封面上的接触压力分布也较为均匀，呈现内、外侧高，中间低的形态，最大接触压力转移到有润滑脂存在的内侧，这样既保证了密封的效果，也大大降低了密封面的磨损。虽然增加斜面后密封面受力面积的减小会使接触压力增加，但是如果设计的斜面参数（斜面径向长度h=2mm, 夹角β=5）合适，最大接触压力还会有所降低（40.1Mpa<45.7MPa）。

3. 结论

(1)通过建立新型单金属浮动密封有限元模型，对比分析了不同结构的支撑橡胶环和容槽对密封面接触压力大小和分布的影响，说明改进支撑橡胶环和容槽结构、参数对提高密封性能作用显著。

(2)采用宽端外径大于窄端外径的静环，对于增加动密封接触面积、降低接触压力、改善动密封面接触力分布作用明显。

(3)在静环密封面上开出参数适合的斜面能有效改善动密封面接触压力的分布状态，不但使接触压力分布更为均匀，而且能使最大接触压力出现在润滑脂一侧，有效的降低了动密封面的磨损。

(4)采用CAE手段对新型单金属浮动密封的结构参数进行更为细致的优化设计，将能进一步提高其工作性能，这种方法对改进和开发类似结构的密封也同样具有参考意义。

【参考文献】

[1] Leandro Carre,Larry Wilson, Jerry Cockerham, Bobby Grimes et al.. Application of newgeneration large roller-cone bits reduces drilling costs in eastern Venezuela[C]. SPE 69617, presentation at the SPE Latin American and Caribbean PetroleumEngineering Conference in Buenos Aires, Argentina, 25-28 March 2001.

[2] 罗纬, 何其翔. 牙轮钻头金属浮动密封研究及设计[J]. 石油机械, 1994, 22(12): 16-19.

[3] 陈家庆. 牙轮钻头轴承径向密封的研究[J]. 润滑与密封, 1995, (3): 17-22.

[4] 张宝生, 陈家庆, 蒋力培. 牙轮钻头单金属浮动密封结构的密封机理[J]. 石油机械, 2003,31(2): 1-3, 14.

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[6] Tariq Al-Wahedi,Mahmoud Abdel Hay, Tamer Waheed, Bobby Grimes and Sarvesh Tyagi. New slimholetechnology maximizes productivity in Middle East horizontal drilling programs[C]. SPE/IADC 92376, presentation at the SPE/IADC Drilling Conference held inAmsterdam, The Netherlands, 23-25 February 2005.

[7] B. Grimes and B.Kirkpatrick. Step change in performance: upgraded bit technology significantlyimproves drilling economics in GOM motor applications [C]. SPE 103074,presentation at the 2006 SPE Annual Technical Conference and Exhibition held inSan Antonio, Texas, U.S.A., 24-27 September 2006.

[8] 罗绪良, 孙忠江, 沈志强. 牙轮钻头单金属浮动密封总成[P]. CN 200982159Y,2007年11月28日.

[9] 张宝生, 陈家庆,  单金属浮动密封技术研究[J]. 润滑与密封, 2008, 33(3): 99-103.

[10] Peterson, Gregory W. Metal-face-sealrock bit [P]. United States Patent US2002/0108788. A1 .Aug.15.2002

[11]Zahradnik,AntonF. Earth-boring bit with improved bearing seal [P].United States Patent No.6142249, Nov.7.2000.

----本文选自2010年msc公司论文集