水下井口连接器密封接触特性研究

摘要

随着地球陆上石油和天然气的日益枯竭，世界各国关注的焦点已经开始转向水下油气资源的开采，而水下油气开采与生产装备已经成为水下油气装备必须掌握的关键技术。进行深水开采的前提条件是具有安全、可靠、高效的深水井口连接技术。在水下生产系统中不同工况及恶劣的海洋环境使深水井口连接器的高压密封会产生失效泄漏，危及整个水下生产系统的安全，已经引起了全球范围内的广泛关注。本文针对水下井口连接器高压密封问题，对井口连接器在预紧、生产、完井/修井工况下的密封接触特性及疲劳寿命进行了研究，其主要内容及结论如下：
　　（1）建立深水井口连接器的简化力学模型，研究了预紧工况、生产工况和完井/修井工况条件下驱动环、卡爪、本体和金属密封圈之间的接触载荷及井口挠度，提出了基于井口连接器内部压力的预紧力及驱动环驱动力公式，为深水井口连接器的实际运用提供了理论依据。并从微观角度研究了金属材料的静密封形成过程，分析了金属接触面由环线型密封到环带型密封的过程，发现金属密封圈若要形成有效可靠的密封条件，必须要有足够大的预紧力对金属密封面进行挤压，使金属密封圈发生塑性变形从而填满密封面的微观细小间隙，最终形成有效的密封接触面。
　　（2）通过对井口连接器密封结构数值模型进行仿真分析，得到预紧和生产工况金属密封圈与本体、井口的接触载荷、接触应力、有效接触宽度、压缩与回弹分析曲线；预紧工况金属密封圈的轴向预紧载荷大于径向预紧载荷，说明井口连接器的卡爪连接比直接采取轴向预紧能够得到更大的密封预紧力。生产工况金属密封圈接触面接触载荷基本不变是因为金属密封圈发挥了自紧特性。通过将井口连接器预紧和生产工况分为五个状态，定性的分析了井口连接器在各个状态的密封性能，并研究了各个主要因素对井口连接器密封性能影响，为井口连接器的密封结构设计、选材及零件加工提供理论借鉴。
　　（3）通过ABAQUS软件调用编写的INP程序，模拟井口连接器在完井/修井工况承受的弯矩载荷，研究了金属密封圈与本体、金属密封圈与井口在海流浪载条件下的接触特性。分析金属密封圈在不同弯矩载荷条件下，金属密封圈四个接触面接触应力、接触宽度、接触中心等变化规律；研究完井/修井工况井口连接器井口毂面力、变形及应力变化规律，分析井口连接器承受的极限弯矩。并基于涡激振动载荷研究井口连接器本体、井口、金属密封圈的疲劳寿命，并研究了各个主要影响因素对井口连接器疲劳寿命的影响规律。

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第1章 绪 论

1.1课题的背景和意义

1.2井口连接器分类

1.3课题国内外研究现状和未来发展趋势

1.4主要研究内容

1.5本章小结

第2章 井口连接器受力分析及密封机理研究

2.1引言

2.2井口连接器受力分析

2.3金属密封圈微观密封机理研究

2.4本章小结

第3章 预紧、生产工况井口连接器接触特性分析

3.1引言

3.2井口连接器接触有限元分析

3.3金属密封圈接触特性分析

3.4预紧、生产工况井口连接器接触性能分析

3.5密封性能影响因素分析

3.6本章小节

第4章 完井/修井工况井口连接器接触特性分析及疲劳分析

4.1引言

4.2井口连接器有限元模型

4.3完井/修井工况金属密封圈接触特性分析

4.4完井/修井工况井口接触特性分析

4.5井口连接器涡激振动疲劳寿命分析

4.6本章小结

总结与展望

1.本文总结

2．创新点

3.展望

攻读硕士学位期间所发表的学术论文及参与的科研项目

致谢