顶部张紧立管液压连接器密封结构研究及热-结构耦合分析

摘要

顶部张紧立管是目前深水油气资源开发中最常用的立管类型之一。位于顶部张紧立管最下端的回接连接器，用于实现顶部张紧立管和水下井口之间的连接，保证连接的紧密性。本文以适用于18.75in H4井口的顶部张紧立管液压连接器为研究对象，开展液压连接器的结构设计、密封结构力学特性分析、稳态传热和热-结构耦合分析，以及密封性能试验等研究。
　　对水下井口连接器及其密封圈的国内外研究现状进行调研，分析、比较各类井口连接器的结构形式、密封机理与工作原理，最终确定顶部张紧立管液压连接器的密封方案采用具有密封与密封压力测试功能的金属-非金属复合密封方式，快速锁紧与解锁方案采用液压驱动锁块式锁紧、解锁机构，并对液压连接器关键零部件进行结构设计和材料选择。
　　针对所设计的金属-非金属复合密封圈结构，对预紧状态和工作状态下的金属密封圈建立力学模型，得到金属密封圈轴向预紧力与内压、平均接触应力的关系;对预紧状态和工作状态下的液压连接器密封结构的接触特性进行仿真分析，确定金属密封圈在预紧状态和工作状态下的最小轴向预紧力，对理论计算方法进行验证;对拉伸载荷、弯矩载荷作用下的液压连接器密封结构分别建立力学模型，确定液压连接器密封结构的承载能力。
　　针对液压连接器的稳态传热问题，引入当量导热系数、复合传热系数，建立液压连接器传热模型，对处于极限工作温度下的液压连接器分别进行稳态温度场仿真分析，研究液压连接器在高温和低温工况下的稳态温度场分布情况;将所得到的稳态温度场作为静载荷施加到液压连接器静力学分析模型上，对液压连接器密封结构进行稳态温度场热-结构耦合仿真分析研究，以探究极限温度下液压连接器的密封性能。
　　对金属密封圈试件进行静水压力试验，测试金属密封圈的工作性能和密封性能，得到工作状态最小轴向预紧力与内压的关系，并与理论分析结果对比;对液压连接器样机进行温度测试试验，测试液压连接器样机的保压能力、稳态温度场分布以及稳态温度场热-结构耦合应力，并与理论分析结果对比，验证理论分析的正确性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1背景

1．2课题来源及研究意义

1．3顶部张紧立管介绍

1．4水下井口连接器国内外研究现状

1．4．1水下井口连接器国外研究现状

1．4．2水下井口连接器国内研究现状

1．5金属密封圈研究现状

1．6水下井口连接器传热、热-结构耦合研究现状

1．7论文研究的主要内容

第2章液压连接器结构方案研究

2．1引言

2．2液压连接器关键技术参数

2．3液压连接器总体方案设计

2．3．1液压连接器总体结构方案

2．3．2液压连接器密封方案设计

2．3．3液压连接器锁紧、解锁方案设计

2．4液压连接器关键零部件结构设计

2．5液压连接器关键零部件材料选择

2．6本章小结

第3章液压连接器密封结构力学特性研究

3．1引言

3．2金属密封圈轴向预紧力分析

3．2．1预紧状态下的金属密封圈轴向预紧力

3．2．2工作状态下的金属密封圈轴向预紧力

3．3液压连接器密封接触特性仿真分析

3．3．1预紧状态密封接触特性

3．3．2工作状态密封接触特性

3．4液压连接器密封结构承载能力分析

3．4．1可承受的最大拉力载荷

3．4．2可承受的最大压力载荷

3．4．3可承受的最大弯矩载荷

3．5本章小结

第4章液压连接器传热和热-结构耦合分析

4．1引言

4．2传热学分析基本理论

4．2．1传热的基本方式

4．2．2传热边界条件

4．3液压连接器稳态温度场仿真分析

4．3．1传热模型的建立

4．3．2稳态温度场分析

4．4液压连接器稳态温度场热-结构耦合仿真分析

4．4．1温度变化对密封结构变形的影响

4．4．2密封结构稳态温度场热-结构耦合仿真分析

4．5本章小结

第5章液压连接器密封性能试验研究

5．1引言

5．2金属密封圈静水压力试验

5．2．1试验原理与方法

5．2．2试验结果与分析

5．3温度测试试验

5．3．1试验原理与方法

5．3．2试验结果与分析

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢