研究原油高溫熱采工具O 形橡膠密封圈在高溫高壓下的密封特性。借助于大型有限元分析軟件ANSYS，建立O 形橡膠密封圈及其邊界的二維軸對稱有限元模型，研究油壓、裝配間隙和摩擦因數(shù)對密封面最大接觸應力、剪切應力和Von Mises 應力的影響，并采用熱應力耦合分析方法，分析溫度對O 形密封圈密封性能的影響。結果表明：摩擦因數(shù)對應力影響不大，而油壓和裝配間隙對應力影響很大，過大的裝配間隙會造成O 形橡膠密封圈最大接觸應力下降和最大剪切應力上升，造成密封失效；當溫度升高時，密封圈最大剪切應力和接觸應力相應減小，而最大Von Mises 應力明顯減小，因此真空技術網(wǎng)(http：//www.mp99x.cn/)認為應使O 形密封圈在適當?shù)臏囟认鹿ぷ鳎�以確保密封的可靠性。

　　隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，陸地石油資源的不斷減少，海上稠油開采將會成為熱點之一。海上稠油開采通常采用高溫熱采作業(yè)模式，因此對開采工具的高溫高壓密封性能要求較高。當前原油開采一般都是在150 ℃以下進行，開采工具的密封部件基本上都是采用簡單高效、可靠性高的橡膠O 形圈，而橡膠O 形圈的耐用性、可靠性以及密封性能對溫度比較敏感，同時對安裝結構尺寸也有一定的要求。O 形密封圈簡稱O 形圈，是一種截面為圓形的橡膠密封圈，其成本低廉、安裝和使用方便，被廣泛應用于機械、汽車、動力及石油化工等領域。

　　對于常溫下橡膠O 形圈的密封性能，目前研究報道較多，而對于高溫(150 ℃以上) 下密封性能的研究，公開報道尚不多見。研究高溫( 在橡膠材料可用最高溫度范圍內(nèi)) 和高壓( 稠油開采要求最高壓強達到20 MPa) 下橡膠O 形圈的熱應力耦合特性，對提升稠油高溫熱采工具密封性能有著至關重要的作用，可為密封部件的選擇和結構優(yōu)化提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

　　本文作者利用ANSYS 有限元分析軟件對O 形橡膠密封圈進行應力分析，并采用熱應力耦合分析方法，分析溫度對O 形密封圈密封性能的影響，得到溫度與應力變化的關系。

1、模型的建立

　　1. 1、幾何模型的建立

　　O 形橡膠密封圈工作時依靠密封圈發(fā)生彈性變形，在密封接觸面上產(chǎn)生接觸應力，當接觸應力大于密封介質的壓力時，則不發(fā)生泄漏。如圖1(a) 所示，當O 型密封圈裝入密封槽后，其截面承受接觸壓縮應力而產(chǎn)生彈性變形，對接觸面產(chǎn)生一定的不均勻的初始接觸密封壓力，即使沒有介質壓力或者壓力很小，O 型密封圈也能靠自身的彈性力作用實現(xiàn)密封。如圖1(b) 所示，當容腔內(nèi)充入有壓力的介質后，在介質壓力p 的作用下，O 形密封圈發(fā)生位移，移向低壓側，且其彈性變形進一步加大，填充和封閉了密封間隙。

圖1 O 形密封圈工作原理

　　鑒于O 形橡膠密封圈邊界條件的復雜性，對其進行有限元分析時，將密封結構作為整體分析。根據(jù)密封結構的幾何形狀、材料、邊界條件的特點和ANSYS 的功能，O 形橡膠密封圈的模型可以簡化為二維平面對稱模型，并且取其1 /2 進行分析。本文作者以最常見的O 型橡膠密封圈的密封結構( 端面密封) 為例，如圖2 所示，建立O 形圈的幾何模型。O形橡膠密封圈受到來自端面的安裝預緊力的擠壓，產(chǎn)生形變，在彈性力作用下，和接觸面緊密接觸，形成密封。

圖2 O 形密封圈的幾何模型

　　1. 2、有限元模型的建立

　　首先做如下幾點假設：

　　(1) O 形密封圈具有確定的彈性模量E 和泊松比γ；

　　(2) O 形密封圈材料拉伸與壓縮的蠕變性質相同；

　　(3) O 形密封圈受到的軸向壓縮視為由約束邊界的指定位移引起；

　　(4) O 形密封圈的蠕變不引起體積的變化，即O形密封圈的橡膠材料不可壓縮。

　　O 形橡膠密封圈具有高度的非線性，即幾何非線性、材料非線性、狀態(tài)非線性同時存在。研究的O形橡膠密封圈選自某公司生產(chǎn)的全氟醚橡膠密封圈，規(guī)格為7075 O-Ring，尺寸為114 mm × 3.2 mm，硬度為HRA 75，線膨脹系數(shù)為2. 5 × 10^-4℃^-1。該產(chǎn)品具有卓越的耐熱性和耐腐蝕性。

3、結論

　　(1) 油壓對最大Von Mises 應力影響很大，在其他參數(shù)不變的情況下，隨著油壓的增大，O 形密封圈最大Von Mises 呈現(xiàn)大幅度增加的趨勢； 而最大接觸應力和最大剪切應力隨著油壓的增大呈小幅增加的趨勢，且增幅最終趨于平緩； 總體來說，摩擦因數(shù)對O形密封圈的密封性能影響不大； 過大的裝配間隙會造成O 形橡膠密封圈壓縮量不足，最大接觸應力下降和最大剪切應力上升，最終會造成密封失效，因此裝配間隙不宜過大。

　　(2) 當溫度升高時，最大接觸應力、最大剪切應力和最大Von Mises 應力都呈下降的趨勢，其中溫度對Von Mises 的影響最大，對剪切應力和接觸應力的影響較小。總體來說，在0 ～300 ℃ 溫度范圍內(nèi)，O 形密封圈仍然符合接觸面的最大接觸應力大于工作壓力和最大剪切應力小于O 形密封圈抗剪強度的要求，可以正常工作。