深部煤矿保压取心保压控制器密封性能分析与结构优化.pdf
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1、深部煤矿保压取心保压控制器密封性能分析与结构优化王天宇1,李佳南1,张益玮1,李炬2,谢和平1,3(1.四川大学 水利水电学院,四川 成都 610065;2.四川大学 机械工程学院,四川 成都 610065;3.深圳大学 深地科学与绿色能源研究院,广东 深圳 518060)摘要:保压控制器作为深部煤炭原位保压取心器的核心部件,其密封设计对保压取心效果有着决定性作用。为了获取最优的密封结构方案,本文建立了保压控制器密封结构二维轴对称非线性接触模型,通过正交试验分析不同凹槽设计、锥角选型及摩擦因数对密封性能的影响,并研究不同闭合阶段、介质压力下密封圈各应力变化情况。结果表明:1.9 mm 凹槽深度
2、的 30锥角保压控制器密封效果最优;摩擦因数对密封性能的影响较小,应根据实际情况选择尽可能小的摩擦因数;室内打压试验结果表明保压控制器在较小预紧力作用下即可形成密封,且其密封性能随密封压力的升高仍维持稳定,该自适应密封特性保证了其密封能力与工作稳定性。研究成果提高了深部煤矿保压保瓦斯取心器的密封可靠性,对实现深部煤矿瓦斯精准测定具有重要工程意义。关键词:保压控制器;保压取心;密封性能;结构优化中图分类号:TU45;TD713 文献标志码:A 文章编号:1001-1986(2023)08-0088-10Sealingperformanceanalysisandstructureoptimizat
3、ionofpressure-preservedcontrollerforpressure-preservedcoringindeepcoalmineWANG Tianyu1,LI Jianan1,ZHANG Yiwei1,LI Ju2,XIE Heping1,3(1.College of Water Resources and Hydropower,Sichuan University,Chengdu 610065,China;2.College of Mechanical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China;3.Instit
4、ute of Deep Earth Science and Green Energy,ShenzhenUniversity,Shenzhen 518060,China)Abstract:As the pressure-preserved controller is a core component of the deep coal in-situ pressure-preserved coringdevice,its sealing design plays a decisive role in the effect of pressure-preserved coring.In order
5、to obtain the optimalsealing structure,a two-dimensional axisymmetric nonlinear contact model was established for the sealing structure ofthe pressure-preserved controller.On this basis,the effects of different groove design,cone angle selection and frictioncoefficient on the sealing performance wer
6、e analyzed by orthogonal test method.Meanwhile,the stress changes of thesealing ring under different closing stages and medium pressures were studied.The results show that:the pressure-pre-served controller with 1.9 mm groove depth and 30 cone angle has the best sealing effect.The friction coefficie
7、nt haslittle effect on the sealing performance,and it should be as small as possible according to the actual situation.The res-ults of laboratory pressure test show that the pressure-preserved controller can form a seal under the action of a smallpreload,and its sealing performance remains stable wi
8、th the increase of sealing pressure.The adaptive sealing character-istics ensure its sealing ability and working stability.The research results improve the sealing reliability of the pressure-and gas-preserved coring device in deep coal mines,which is of great engineering significance for the accura
9、te determin-ation of gas in deep coal mines.Keywords:pressure-preserved controller;pressure-preserved coring;sealing performance;structural optimization 收稿日期:2022-12-18;修回日期:2023-06-06基金项目:国家自然科学基金面上项目(52274133);国家重大科研仪器研制项目(51827901);国家重点研发计划项目(2022YFB3706604)第一作者:王天宇,1999 年生,男,河北保定人,硕士,研究方向为深部岩石力学
10、.E-mail:通信作者:李佳南,1987 年生,男,四川成都人,博士,助理研究员,研究方向为保真取心技术与深部岩石力学.E-mail: 第 51 卷 第 8 期煤田地质与勘探Vol.51 No.82023 年 8 月COAL GEOLOGY&EXPLORATIONAug.2023王天宇,李佳南,张益玮,等.深部煤矿保压取心保压控制器密封性能分析与结构优化J.煤田地质与勘探,2023,51(8):8897.doi:10.12363/issn.1001-1986.22.12.0961WANG Tianyu,LI Jianan,ZHANG Yiwei,et al.Sealing performan
11、ce analysis and structure optimization of pressure-pre-served controller for pressure-preserved coring in deep coal mineJ.Coal Geology&Exploration,2023,51(8):8897.doi:10.12363/issn.1001-1986.22.12.0961中国作为世界能源生产第一大国,煤层气储量十分丰富,其安全高效开发利用具有资源、安全和环保三重效益,研究相关的开发技术及装备意义重大1-2。深部资源地质条件复杂,是煤安全高效开采的主要制约条件,其难点
12、与重点在于防治瓦斯灾害3-4,煤层气含量精准测试是煤层气高效开发和瓦斯灾害防治的重要基础依据5-6。为了准确表征煤层瓦斯含量:景兴鹏7研制了直接机械密闭取心的装置,使测试瓦斯解吸装置和取心装置一体化;孙四清等8研制了地面井煤层气含量测定的密闭取心器,提高了煤层气含量测试精度;朱庆忠等9研发的双保压取心工具,保护了岩心结构,减小了测试误差。这些取心工具都为煤层气高效开采做出了贡献,但这些密闭提钻取心工具以球阀为主,占用空间大,取心尺寸十分受限,而且密封性能有限,较大压力下工作稳定性难以保证,这些问题影响获取煤层瓦斯原位信息的真实性10-11。针对上述研究中的不足,尤其是针对深部煤矿取心狭小作业空
13、间、多场多相流体作业环境、钻具强烈振动等干扰因素下的取心作业,亟需研发一种能够在深部复杂作业环境下实现自预紧密封的控制阀组件,以实现保压取心的密封可靠性。针对应用于苛刻环境下的密封阀设计,国内外已有大量研究,唐洋等12探讨了深水测试防喷阀密封结构与密封材料对密封性能的影响,获得了密封设计对密封比压和应力的影响规律;王宇峰等13对双闸板闸阀进行热力耦合分析,解决了双闸板闸阀在高温、高压介质时的密封失效问题;杨刚14进行了超低温球阀密封的参数化研究,探索出密封面热力耦合作用效果、对比分析密封比压的分布规律;张希恒等15通过实验测试 PCTFE 的力学性能,确定了其用作超低温密封阀门的可能性;刘丽莉
14、16研究了密封阀在高压差工况下抗冲刷能力及介质通过阀门状态,对密封阀进行了优化;T.Shi 等17研制了一种无钴镍基合金(Ni-SD),不仅拥有高于目前核动力阀门用钴基合金的硬度,还具有高耐磨性和耐高温等优点。然而上述研究中,针对苛刻服役工况的密封阀大部分不受空间限制,对工作环境要求高,且可按需提供较大的初始预紧力,这些因素与深部煤矿取心作业小空间、强扰动、难控制等形成了设计矛盾。基于深部煤矿原位保压保瓦斯取心原理与技术18,笔者针对深部孔底密封控制的核心密封组件开展研究,作为一种体积小、密封性能稳定、抗扰能力强的密封控制组件保压控制器,其中一些关键参数如凹槽深度、锥角选型等未加以研究分析,本
15、文基于密封设计理论与正交试验方法,对保压控制器异性曲面适配条件下的密封结构进行优化,以获取最优密封设计参数,为实现深部煤矿保压保瓦斯取心提供了关键技术支撑。1保压控制器有限元模型建立1.1工作原理与传统的取心方式不同,保压保瓦斯取心器利用岩心筒与保压控制器密封,获得地层中原位的气体和液体。取心器外观为圆柱体,保压控制器是位于取心器岩心筒底部的密封机构,采用牟合方盖几何原理设计而成,最大程度利用保压取心器内部空间结构,解决深部煤矿取心作业空间小的问题。保压控制器由阀盖阀座和密封圈两部分构成,取心开始前阀盖竖立在取心器内外筒之间,取心结束时约束限制解除,在弹力与重力作用下旋转闭合至阀座上,稳定器和
16、重力弹簧落下提供初始密封,如图 1 所示。阀盖阀盖闭合初始密封阀座岩心筒岩心筒提升图 1 取心原理Fig.1 Coring principle 1.2系统准则保压控制器阀盖阀座采用钢材加工;密封圈所使用的橡胶材料是一种各向同性、压缩性小、弹性高的材料,在受力后几何特性呈现非线性特征变化,而且应力松弛或蠕变会使密封圈力学模型成为复杂的黏弹性问题。为提高求解问题的准确性,提出几点假设:(1)忽略保压控制器的质量,由于边界条件高度复杂,建模时对保压控制器阀盖、阀座、密封圈均采用二维轴对称模型。(2)密封圈具有确定的弹性模量,在分析当中作不可压缩材料来处理。(3)假设材料各向同性,变形可以完全恢复,蠕
17、变不引起体积变化。(4)由于保压控制器为异形曲面结构,考虑到实际加工精度的影响,假设存在 00.05 mm 的加工误差,将闭合至 0.05 mm 时认为已经紧密贴合。1.3几何模型保压控制器是基于牟合方盖几何原理,采用空心圆柱与圆锥相贯,结合取心器实际参数设计而成,如图 2 所示。以保压控制器阀盖阀座为模拟分析对象,以 O 型密封圈(65.0 mm2.4 mm)作为研究对象,主要分析O 型密封圈、阀盖、阀座 3 部分,其参数见表 1。第 8 期王天宇等:深部煤矿保压取心保压控制器密封性能分析与结构优化 89 图 3 是保压控制器装配示意图,表示闭合时密封圈与阀座初始接触的状态,定义阀盖凹槽与
18、O 型圈接触面为主密封面;阀座表面与 O 型圈接触面为次密封面。整体保压控制器上部为介质侧,下部为空气侧。adcbea阀盖b阀座c密封圈d凹槽间隙e凹槽深度图 3 保压控制器闭合状态二维图Fig.3 Two-dimensional diagram of closed state of pressure-preserved controller 1.4本构模型阀盖阀座采用弹性本构模型,针对橡胶类材料在大变形下的几何非线性特征,密封圈采用 Mooney-Rivlin 模型来描述其本构关系,公式如下:W=C10(I13)+C01(I23)(1)式中:W 为应变能密度;I1、I2分别为超弹性材料的应变
19、张量的第一、第二不变量;C10、C01为超弹性材料的力学性能常数。密封圈采用邵氏硬度为 85HA 的丁腈橡 胶,和 材 料 相 关 的 参 数 C10、C01分 别 取 1.87、0.47 MPa19,将其作为本构关系模型参数。1.5边界条件密封圈与阀盖阀座之间的接触是非线性的,属于刚体和柔体间的面与面接触。将密封圈与阀盖阀座的接触类型设置为 Frictional 摩擦接触,摩擦因数默认为 0.2。在接触面的设置中,把阀盖阀座定义为目标面,密封圈定义为接触面。故 O 型密封圈模型定义为2 个接触对:(1)阀盖凹槽与密封圈表面接触;(2)密封圈表面与阀座表面接触。网格划分是有限元模型数值分析的重
20、点,决定着计算精度、结果收敛性和求解速度。划分密集的网格会提高计算精度,但需要更长求解时间。选择合适的网格能大大提高计算效率,因此仅需要对接触区域附近的关键部件进行局部网格划分,如图 4 所示。图 4 网格划分Fig.4 Grid division 如图 5 所示,定义局部坐标系,以阀座表面平行方向为 X 轴,垂直方向为 Y 轴,阀座施加全位移约束,阀盖施加 Fx的位移载荷模拟闭合过程,Fy位移载荷模拟闭合中密封圈压紧过程,p 为介质压力。pYOXFxFy图 5 局部坐标系定义Fig.5 The local coordinate system defination 将整体过程分为两步进行加载分
21、析:(1)在无介质压力条件下,对阀座施加局部坐标系载荷,模拟密封圈在保压控制器闭合时的压缩过程。(2)在介质压力条件下,密封圈压缩一定量后,被密封介质流经阀盖与阀座之间的间隙与密封圈接触,以流体压力的形式垂直作用于密封圈面。采用压力渗透的方式进行介质压力加载,介质对 阀盖阀座图 2 保压控制器装配图Fig.2 Assembly diagram of pressure-preserved controller 表1保压控制器几何模型参数Table1Geometricmodelparametersofpressure-preservedcontroller对象材料弹性模量/105 MPa泊松比阀盖
22、35CrNi3MoVR2.10.3阀座35CrNi3MoVR2.10.3 90 煤田地质与勘探第 51 卷密封圈施压的过程中,使介质接触到的表面产生介质压力,动态寻找因介质压力渗透产生界面分离的临界点,更准确地分析密封性能。2单一参数对密封效果影响分析以等效应力、剪切应力、接触压力为失效判据,通过改变密封结构的单一参数,分析不同参数对密封性能的影响,再结合正交试验进行对比分析,不同因素和水平见表 2。为便于进行对比分析,设置对照组为 1.9 mm 凹槽深度的 60锥角槽,默认 0.2 的摩擦因数和 2 MPa 的介质压力。先通过单一变量分析各参数影响规律,再结合正交试验判断最佳参数。定义 Sm
23、ax为密封圈受到的最大 Von-Mises 应力值;Csmax为密封圈受到的最大剪切应力值;Cpmax为密封圈主密封面上的最大接触压力值。表2不同因素及水平Table2Differentfactorsandlevels因素水平凹槽深度/mm1.8、1.9、2.0、2.1、2.2凹槽间隙/mm0.05、0.10、0.15、0.20、0.25模型角度/()30、40、50、60摩擦因数0.1、0.2、0.3、0.4介质压力/MPa0、2、3、6、10 2.1凹槽深度图 6 为改变阀盖凹槽深度对密封圈的应力影响曲线。由图中可知:随着凹槽深度的增加,Smax和 Csmax变化趋势都呈现先减小后增大的变
24、化规律,Cpmax呈减小规律,说明改变深度能明显影响密封圈密封性能,当凹槽深度为 1.8 mm 时,各应力值都较大,较大的应力值可以保证密封效果,避免密封失效,但是压缩过大并长时间维持较高应力会导致密封圈加剧老化,可能引起破损导致失效,不利于密封圈的长期使用;当凹槽深度为 1.92.0 mm 时,应力值可以保证有效密封,且 Smax和 Csmax较小,应力集中小,避免剪切破坏,保证密封圈较长时间的稳定使用;当凹槽深度为 2.12.2 mm 时,Smax和 Csmax呈增大趋势,分析可推断由于过大的凹槽深度导致初始密封阶段密封圈变形不充分,在介质压力的作用下,密封圈变形加剧,发生应力集中,导致剪
25、切应力和等效应力变大,不利于密封。图 7 为凹槽深度变化时密封圈的 Von-Mises 应力云图。随着凹槽深度的增加,密封圈径向压缩减少,形变量减小,凹槽内部密封圈也越来越厚,密封能力变差,容易发生泄漏。整体密封圈应力分布较为对称,并随着深度的减小在靠近上凹槽出现应力集中;较大深度的 O 型圈凹槽结构使其变形空间增大,抵抗变形的能力增强,但自身的变形量过大,也不利于密封圈的长时间使用。因此,在仅考虑凹槽深度时,2.0 mm 的凹槽深度密封性能更合适。2.2凹槽间隙保压控制器闭合过程中,凹槽间隙会随之减小直至紧密贴合,闭合过程中间隙改变时应力影响如图 8所示。其中,Smax与 Cpmax变化规律
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