防喷盒   胶筒   有限元
有效接触应力   主控因素

1防喷盒胶筒密封原理
1．1防喷盒胶筒工作原理
    防喷盒安装在注入头下方，起升和注入连续管时，防喷盒内的胶筒在外部压力作用下与连续管和上活塞套接触形成密封，隔离井筒流体保证现场作业安全。侧开门防喷盒胶筒密封原理示意如图1所示，控制压力油从进油口A注入，推动下活塞，带动下压块上移挤压胶筒变形使得胶筒与连续管和上活塞套接触形成密封。在此过程中井筒介质压力作用在下压块端部，辅助胶筒密封;控制压力油从进油口B进入，推动下活塞下移，使得压缩变形的胶筒恢复原状，从而解开密封状态。控制压力油从进油口C进入，推动上活塞套向上移动，打开防喷盒，方便更换防喷盒胶筒;控制压力油从进油口D进入，推动上活塞套下移，关闭防喷盒。

1．2有效接触应力
    胶筒密封面上的有效接触应力是指将胶筒密封面沿轴向(或径向)划分为无数条密封线，每条密封线上都存在1个最大接触应力值，其中某1条密封线上的最大接触应力值为所有密封线中最小的最大接触应力值时，选择此最大接触应力值作为有效接触应力，如式(1)所示:

    (1)式中:k为胶筒密封面上的任意1条密封线;i为任意1条密封线上的任意1点;pi为密封线k上i点的接触应力，MPa;pk为密封线k上的最大接触应力，MPa;pc为有效接触应力，MPa。

    本文胶筒内壁面、外壁面、啮合面密封线为轴向线;胶筒底面、顶面密封线为径向线。有效接触应力作为衡量胶筒密封性能的评价指标，胶筒密封面上有效接触应力越大，胶筒的密封性能越好。

2有限元模型
    有限元分析方法具有求解精确和低成本的优点，是密封仿真的主流研究方法。
2．1几何模型
    基于工程中实际使用的防喷盒的几何参数，采用SolidWorks软件与ABAQUS软件建立胶筒、连续管、上活塞套、上下压块的几何模型，胶筒为2瓣式半球齿面啮合结构，如图2所示，模型尺寸如表1所示。

2．2材料性能参数设置
    胶筒采用聚氨酯弹性体材料，材料模型选择Mooney-Ｒivlin模型，如式(2)所示:

    式中:W为应变能函数;I1和I2分别为第1和第2Green应变不变量;C01和C10分别为系数。
    该模型能较好地描述变形小于150%的橡胶材料力学性能，能满足橡胶材料实际应用的性能计算需求。本文主要讨论硬度为75，85，95HA的聚氨酯胶筒，其Mooney-Ｒivlin模型参数如表2所示。

2．3网格设计
    胶筒采用六面体线性C3D8H单元进行网格划分，连续管、上下压块、上活塞套的模型类型为离散刚体，采用Ｒ3D4单元进行网格划分。
2．4边界条件与载荷

    防喷盒操作系统最大工作压力为21MPa，推荐使用工作压力为8．4MPa至10．5MPa。操作系统压力和井筒介质压力作用在下压块上的载荷在ABAQUS软件中加载在下压块的参考点上。

    设置上压块、上活塞套的各方向自由度均固定，连续管和下压块在Y轴方向移动，其余方向自由度均固定。当起升连续管时，连续管沿Y轴正方向向上运动，大小为256mm/s;当注入连续管时，连续管沿Y轴负方向向下运动，大小为－256mm/s。模型接触对间的摩擦系数设置如表3所示。

3有限元分析模型的可靠性
    某油田使用的防喷盒聚氨酯胶筒实物如图3所示，该胶筒通径为38．1mm，使用于密封井筒压力不大于70MPa的作业环境。胶筒为易损件，防喷盒密封状态下连续管起升或注入时，相对于胶筒向上或向下运动，使用一段时间后的胶筒上下两端发生明显磨损导致失效，且在胶筒上端(靠近注入头一端)磨损更严重。结合防喷盒现场应用的工况条件，采用ABAQUS软件对胶筒进行数值仿真分析。研究连续管在起升、注入以及静止状态时对胶筒内壁面Mises应力、接触应力的影响，仿真参数设置如表4所示。

    当连续管处于静止状态时，胶筒Mises应力分布情况如图4所示。取路径S1，研究连续管向上、向下以及静止状态时，胶筒内壁面Mises应力分布，如图5所示。当连续管向上运动时，最大Mises应力位于胶筒内壁顶部;当连续管向下运动或处于静止状态时，最大Mises应力均位于胶筒内壁底部。

    当连续管处于静止状态时，胶筒接触应力分布情况如图6所示，胶筒各密封面均能满足密封要求。取路径S1，研究连续管向上、向下、静止时，胶筒内壁面接触应力分布，如图7所示。结果表明，连续管运动对胶筒内壁面接触应力分布有影响，当连续管向上运动时，胶筒顶部接触应力值最大，且沿S1路径自上而下逐渐减小;当连续管向下运动时，胶筒底部接触应力值最大，且沿S1路径自上至下逐渐增大;当连续管处于静止状态时，胶筒接触应力分布最为均匀，且均满足密封要求。

    综上所述，胶筒内壁面两端的Mises应力和接触应力较大，是容易发生疲劳和磨损的部位，这一结论与现场使用失效的胶筒磨损位置基本一致，验证了有限元分析模型的可靠性。