以水下采油樹油管懸掛器密封結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，建立金屬密封圈凸緣處的接觸面為半圓形接觸面(密封Ⅰ)和傾斜接觸面(密封Ⅱ) 2 種形式的力學(xué)模型，利用ABAQUS 軟件建立其有限元模型，分析過盈量、壓力和溫度對(duì)金屬密封圈最大Mises 應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力的影響及不同過盈量時(shí)接觸應(yīng)力在接觸寬度上的分布。結(jié)果表明：密封Ⅰ的最大Mises 應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力都隨著過盈量、工作壓力和溫度的增加而增加，而密封Ⅱ的最大Mises 應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力呈現(xiàn)不同的變化趨勢; 密封Ⅰ能夠提供較大的接觸應(yīng)力，具有很強(qiáng)的密封能力，但密封寬度相對(duì)較小; 一定的過盈量時(shí)，密封Ⅱ能達(dá)到較大接觸寬度，保證良好的密封性能。

　　水下采油樹油管懸掛器密封結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵功能是密封采油樹或套管頭與油管懸掛器之間的環(huán)形空隙。油管懸掛器的密封性能直接關(guān)系到水下井口采油樹系統(tǒng)的可靠性，若發(fā)生密封失效，則會(huì)導(dǎo)致原油和作業(yè)過程注入的化學(xué)試劑的泄漏，引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境污染。隨著海洋石油開發(fā)向高溫高壓油井的推進(jìn)，水下采油樹油管懸掛器密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究顯得尤為重要。

　　目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)水下石油裝備密封技術(shù)有了一定的研究，Kelly 和THeiss分析了水下井口頭采油樹系統(tǒng)的密封機(jī)制以及不同類型的選擇，為密封方案設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。Adam 和Gariepy研究了金屬密封的相關(guān)特性，并對(duì)比分析了金屬密封和彈性體密封的特點(diǎn)。Cao 等對(duì)水下井口金屬密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析。李振濤對(duì)水下油管懸掛器MEC 密封進(jìn)行了設(shè)計(jì)與性能分析。張怡等人對(duì)隔水管Y 形密封圈及副主管線雙彈性體密封圈進(jìn)行了有限元分析。然而針對(duì)水下采油樹油管懸掛器金屬密封性能的研究卻很少。

　　本文作者以水下采油樹油管懸掛器密封為研究對(duì)象，采用ABAQUS 軟件對(duì)油管懸掛器密封進(jìn)行有限元分析，研究油管懸掛器的密封性能，探討不同過盈量、工作壓力和溫度時(shí)的最大Mises 應(yīng)力及接觸應(yīng)力等的變化規(guī)律，為水下采油樹油管懸掛器密封結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。

　　1、油管懸掛器密封結(jié)構(gòu)

　　水下井口采油樹系統(tǒng)的密封形式多為彈性體密封或金屬密封，這些密封能夠滿足一般環(huán)境的密封要求。隨著水下石油開發(fā)溫度和壓力等級(jí)的逐步增加，對(duì)水下采油樹油管懸掛器密封提出了更高的要求。為保證油管懸掛器的密封性能，同時(shí)提高其密封的可靠性，可采用金屬密封為主密封，雙彈性體密封為輔密封的雙重密封系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 油管懸掛器密封結(jié)構(gòu)示意圖

　　金屬密封在被壓縮后產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力，從而起到密封作用; 金屬密封的開口向下，在井內(nèi)壓力的作用下，會(huì)增大其接觸應(yīng)力，從而提高密封能力。雙彈性體密封由4 個(gè)O 形圈組成，主要是在金屬密封失效后作為備用密封，目前國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)其進(jìn)行了大量研究，因此本文作者只對(duì)金屬主密封進(jìn)行分析。

　　4、結(jié)論

　　(1) 密封圈凸緣處的接觸面形式為半圓形接觸面( 密封Ⅰ) 和傾斜接觸面( 密封Ⅱ) 的2 種金屬密封的Mises 應(yīng)力呈現(xiàn)對(duì)稱分布，易發(fā)生失效的位置位于密封圈兩邊凸緣的接觸面。

　　(2) 在溫度和過盈量一定的條件下，密封Ⅰ和密封Ⅱ的接觸應(yīng)力隨壓力的增大而增大，且其值遠(yuǎn)大于工作壓力，可見這種開口向下的密封結(jié)構(gòu)在高壓條件下有良好的密封效果。

　　(3) 在壓力和過盈量一定的條件下，密封Ⅰ和密封Ⅱ接觸應(yīng)力隨著溫度的升高而增大，表明該金屬密封適用于高溫的環(huán)境。但最大Mises 應(yīng)力隨著溫度的升高而增大，因此過高的溫度可能造成金屬密封的失效。

　　(4) 密封Ⅰ接觸應(yīng)力在接觸寬度上的分布呈塔尖狀分布，能提供較大接觸應(yīng)力，但其接觸寬度較小; 密封Ⅱ在過盈量為0.2 mm 時(shí)，能達(dá)到較大接觸寬度，盡管接觸應(yīng)力較小，但已大于工作壓力，滿足密封要求。