以水下采油樹油管懸掛器密封結構為研究對象，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、壓力和溫度對金屬密封圈最大Mises 應力和最大接觸應力的影響及不同過盈量時接觸應力在接觸寬度上的分布。結果表明：密封Ⅰ的最大Mises 應力和最大接觸應力都隨著過盈量、工作壓力和溫度的增加而增加，而密封Ⅱ的最大Mises 應力和最大接觸應力呈現(xiàn)不同的變化趨勢; 密封Ⅰ能夠提供較大的接觸應力，具有很強的密封能力，但密封寬度相對較小; 一定的過盈量時，密封Ⅱ能達到較大接觸寬度，保證良好的密封性能。

　　水下采油樹油管懸掛器密封結構的關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，則會導致原油和作業(yè)過程注入的化學試劑的泄漏，引發(fā)嚴重的環(huán)境污染。隨著海洋石油開發(fā)向高溫高壓油井的推進，水下采油樹油管懸掛器密封結構的設計研究顯得尤為重要。

　　目前，國內(nèi)外學者對水下石油裝備密封技術有了一定的研究，Kelly 和THeiss分析了水下井口頭采油樹系統(tǒng)的密封機制以及不同類型的選擇，為密封方案設計提供了指導。Adam 和Gariepy研究了金屬密封的相關特性，并對比分析了金屬密封和彈性體密封的特點。Cao 等對水下井口金屬密封結構進行了設計與分析。李振濤對水下油管懸掛器MEC 密封進行了設計與性能分析。張怡等人對隔水管Y 形密封圈及副主管線雙彈性體密封圈進行了有限元分析。然而針對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象，采用ABAQUS 軟件對油管懸掛器密封進行有限元分析，研究油管懸掛器的密封性能，探討不同過盈量、工作壓力和溫度時的最大Mises 應力及接觸應力等的變化規(guī)律，為水下采油樹油管懸掛器密封結構的參數(shù)設計提供參考。

　　1、油管懸掛器密封結構

　　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)溫度和壓力等級的逐步增加，對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 油管懸掛器密封結構示意圖

　　金屬密封在被壓縮后產(chǎn)生很大的接觸應力，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，會增大其接觸應力，從而提高密封能力。雙彈性體密封由4 個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)外學者已對其進行了大量研究，因此本文作者只對金屬主密封進行分析。

　　4、結論

　　(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 應力呈現(xiàn)對稱分布，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的接觸應力隨壓力的增大而增大，且其值遠大于工作壓力，可見這種開口向下的密封結構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接觸應力在接觸寬度上的分布呈塔尖狀分布，能提供較大接觸應力，但其接觸寬度較小; 密封Ⅱ在過盈量為0.2 mm 時，能達到較大接觸寬度，盡管接觸應力較小，但已大于工作壓力，滿足密封要求。