采用ANSYS軟件建立單金屬密封的分析模型，分析在低壓和高壓情況下，丁晴橡膠O型圈硬度、橡膠支撐環硬度和動環傾斜面斜度3種關鍵參數對動靜環端面接觸應力的影響。結果表明：單金屬密封的密封面接觸應力在低壓工況下由內向外逐漸增大，在高壓工況下則呈現出邊緣突變、中間平緩的分布狀況；O 型圈硬度和橡膠支撐環硬度較小時，動靜環接觸應力分布越平緩，有利于降低密封端面的磨損，提高密封工作壽命；動環傾斜面斜度越大，密封端面接觸應力越小且應力分布越平緩，可有效提高密封性能。

　　隨著淺層油氣資源的日益減少，油氣勘探開發正朝著深部底層和深水海洋地層進行。在深井和超深井環境下，各種井下工具承受著外部高壓鉆井液的作用，旋轉動密封的工作壽命則直接影響著鉆井工具的工作壽命。單金屬密封作為一種具有耐高溫、耐磨損和抗振動性能的旋轉動密封，廣泛地應用于石油、礦山、航空等領域。1998 年，Baker Huges 公司推出一種應用于牙輪鉆頭的單金屬密封SMES，如圖1所示。2003 年，該公司針對SMES 密封進行改進，開發出新一代單金屬密封SMES2，如圖2 所示。

圖1 SEMS單金屬密封結構圖

圖2 SEMS2單金屬密封結構圖

　　國內外學者對單金屬密封進行了大量研究。Xiong 和Richard針對牙輪鉆頭單金屬密封的機制進行了研究。羅緯和何其翔針對SEMS單金屬密封進行了實驗研究; 張寶生等采用加單側壓差情況下對SEMS單金屬密封機制進行了有限元分析; 孫健采用有限元方法對SEMS單金屬密封在不同工作壓力的應力進行了分析；張寶生等通過有限元分析對SEMS2 單金屬浮動密封的結構進行了改進；張毅等人采用有限元對SEMS2 單金屬密封在雙側充壓情況和不同工作壓力下進行了熱力學分析；張曉東等對SEMS2 單金屬密封進行了總裝設計和潤滑理論分析。

　　單金屬密封的動靜環表面接觸應力直接影響著單金屬密封動靜環端面間潤滑油膜的形成和端面磨損，如果動靜環端面內側至外側接觸應力變化量很大，則會加劇端面間的磨損，使得單金屬密封過早失效。而在雙側充壓下，橡膠硬度和動環傾斜面斜度對動靜環端面接觸應力的影響沒有相關人研究報道。針對SEMS2 單金屬密封動靜環端面內側至外側接觸應力變化量很大的問題，本文作者分析對端面接觸應力影響程度高的3 種關鍵參數———O型橡膠密封圈硬度、橡膠支撐環硬度和金屬動環傾斜面角度，并進行有限元分析模擬。

1、SEMS2 單金屬密封有限元模型及關鍵參數設計

　　1.1、材料模型

　　選取內徑為70mm 的SMES2單金屬密封，O 型橡膠密封圈和橡膠支撐環材料均為丁晴橡膠。由于橡膠為高度非線性材料，假設橡膠材料具有確定的彈性模量和泊松比；橡膠的拉伸與壓縮蠕變性質相同; 蠕變不引起體積變化。選取近似不可壓縮彈性材料的Mooney-Rivilin 模型描述超彈性材料在大變形情況下的特性，其表達式為

　　式中：W 為應變能密度；I1和I2為第一、二應變張量不變量；C1和C2為Mooney-Rivilin 模型中的材料參數。

　　1.2、關鍵參數設計

　　SEMS2 單金屬密封主要由靜環、動環、O 型橡膠密封圈和橡膠支撐環組成，其結構圖如圖2 所示。其中：α 為單金屬密封動環傾斜面角度。

　　由于動靜環界面處的接觸應力受到O 型橡膠密封圈和橡膠支撐環硬度以及動環傾斜面角度的影響較大，則選取O 型橡膠密封圈和橡膠支撐環的邵氏硬度值所對應的材料參數值如表1 所示; 同時，單金屬密封動環的傾斜面角度α 的變化值分別選取:56°、60°、64°、68°和72°。

表1 不同硬度下橡膠的材料參數

　　1.3、有限元模型和載荷步

　　在有限元軟件ANSYS 中建立單金屬密封的二維軸對稱有限元模型。單金屬密封的彈性模量為2.1 ×10⁵MPa，泊松比為0.3；橡膠的材料參數和彈性模量E 按表1選取，泊松比為0.499。模型單元選擇plane182 軸對稱單元; 橡膠接觸對采用罰函數算法，動靜環處接觸對采用擴展拉格朗日算法。在深井、超深井鉆井過程中，井下動力鉆具和鉆頭等井下工具處于不同的井深位置時，外部環空流道的壓力是不斷變化的，內部潤滑油壓力和外部環空鉆井液壓差為0.3 ～0.5 MPa。選取內外部壓差為0. 3MPa，邊界條件為對支撐座的Y 方向進行約束，載荷步主要為兩步，如表2 所示。

表2 SEMS2 單金屬密封載荷步

　　第一步為單金屬密封裝配過程靜環沿Y 軸負方向移動，第二步為在裝配完成后在O 型橡膠密封圈和動環內表面上施加內部潤滑油壓力，在橡膠支撐環和動環外表面表面上施加外部環空鉆井泥漿壓力，載荷施加完成后有限單元模型如圖3 所示。

圖3 單金屬密封加載后有限元模型

2、結論

　　(1) 低壓工況下，動靜環接觸應力由內部潤滑油側至外部環空泥漿側逐漸增大；高壓工況下，動靜環處接觸應力呈現兩邊邊緣突變、中間平緩的分布情況。

　　(2) O 型圈硬度越小，低壓工況下動靜環接觸應力由內至外先增大、1.3 mm 后減小且接觸應力分布狀態變化更加平緩，高壓工況下動靜環接觸應力分布越平緩，有利于降低動靜環端面磨損。

　　(3) 動靜環接觸應力和變化幅度在低壓和高壓工況下均隨著支撐環硬度的增大而增大。選用硬度小的橡膠支撐環，能夠降低密封端面磨損提高密封工作壽命。

　　(4) 在動環傾斜面斜度增大時，動靜環接觸應力和變化幅度在低壓工況下均相對減小，在高壓工況中接觸應力在接觸區域中部處變化不大而在兩端峰值處則相對減小。在不減小動靜環接觸觸長度的情況下，盡量增大動環傾斜面角度，有利于提高密封工作壽命。