CN101523010A - 环形密封胶芯的校正固化周期 - Google Patents

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Abstract

一种制造防喷器密封件的方法，该方法包括：将至少一个插入物和至少一种弹性材料置于模具，将模具加热至固化温度，固化所述至少一种弹性材料，测量固化过程中所述至少一种弹性材料的温度，基于弹性材料的实测温度调整调整固化时间和固化温度，以及将固化的防喷器密封件从模具中取出。

Description

环形密封胶芯的校正固化周期
相关申请的交叉引用
本申请依据35 U.S.C.119(e)要求下述临时申请的权益：2006年7月28日提交的美国专利申请系列No.60/820,723；2006年9月28日提交的美国专利申请系列No.60/847,760；2006年10月20日提交的美国专利申请系列No.60/862,392；以及2007年4月19日提交的美国专利申请系列No.60/912,809，在此引入它们的全部内容作为参考。
技术领域
本申请披露的实施方案总体上涉及用于油气工业的防喷器(blowoutpreventer)。具体地，本发明涉及固化和制造防喷器密封件的方法，其中密封件可包括弹性体和刚性材料。
背景技术
井控是油气勘探的重要方面。例如，在钻井时，必须将安全装置放置于合适的位置，以避免伴随钻井作业发生的意外情况对人员造成伤害以及对设备造成破坏。
钻井包括穿透各种地下地质构造或“层”。有时，井筒将穿透地层压力明显高于井筒中压力的层。在出现这种情况时称井已溢流。伴随溢流出现的压力升高通常由地层流体(可以是液体、气体或它们的组合)流入井筒引起。压力较高的溢流往往从进入井筒的位置向井口蔓延(从高压区域向低压区域)。如果允许溢流到达地面，则可能将钻井液、钻具和其它钻井结构体从井筒中喷出。这种“井喷”可造成钻井设备(包括例如钻机)的严重破坏和钻机操作人员的重大伤亡。
由于井喷的风险，将称为防喷器的装置安装在位于地表的井头上方或者在深水钻井布置中安装于海底，以有效地密封井筒，直至可采取积极的措施控制溢流。可起动防喷器，以使溢流得到充分地控制并“循环”离开系统。防喷器有数种，其中最常见的为套筒式环空防喷器(annular blowoutpreventer)(包括球形防喷器)和闸板式防喷器(ram blowout preventer)。将对这些类型的防喷器进行更为详细地讨论。
套筒式环空防喷器通常使用具有金属插入物的大型环形橡胶或弹性密封件，将该密封件称为“密封胶芯(packing units)”。可起动防喷器内的密封胶芯，以包围钻杆和钻具，从而完全密封钻杆或钻具与井筒之间的“环空“。在密封胶芯的孔内没有钻杆或钻具的情况下，可压缩密封胶芯以使密封胶芯的孔完全闭合。因而，套筒式环空防喷器的完全闭合的密封胶芯所起的作用类似于截止阀。通常，可手动或借助机械快速压缩密封胶芯，以在其周围形成密封并防止井压造成井喷。
授予Knox并转让予本发明的受让人的美国专利No.2,609,836中披露了具有密封胶芯的套筒式环空防喷器的实例，在此引入其全文作为参考。Knox的密封胶芯包括多个嵌于弹性体中的金属插入物，其中金属插入物与弹性体完全结合。金属插入物在从密封胶芯中轴延伸至井筒的径向平面内以大致为环形的方式隔开。当径向压缩密封胶芯进行密封来抵御井压时，插入物为弹性体提供结构支撑。在围绕钻杆压缩密封胶芯或压缩密封胶芯本身时，径向向内挤压弹性体，使得金属插入物也径向向内移动。
现参考图1，示出了包括外壳102的套筒式环空防喷器101。套筒式环空防喷器101具有从其中穿过与井筒103相称的孔120。然后围绕孔120和井筒103将密封胶芯105设置在套筒式环空防喷器101内。密封胶芯105包括弹性环形体107和多个金属插入物109。金属插入物109设置在密封胶芯105的弹性环形体107内，所述金属插入物109以大致为环形的方式分布并在从井筒103延伸的径向平面内隔开。此外，密封胶芯105包括与防喷器101的孔120同心的孔111。
通过泵入活塞腔112的开口113的流体，起动套筒式环空防喷器101。流体对活塞117施加压力，从而使活塞117向上运动并经由楔形面118将力传递给密封胶芯105。从楔形面118传递给密封胶芯105的力向上朝向套筒式环空防喷器101的可拆卸顶盖119并向内朝向井筒103和套筒式环空防喷器101的中轴。由于密封胶芯105抵靠套筒式环空防喷器101的可拆卸顶盖119，因而密封胶芯105没有因为活塞117传递给它的力而向上移动。然而，密封胶芯105由于所传递的力而向内移动，所述力将密封胶芯105压向套筒式环空防喷器101的井筒103的中轴。当钻杆处于孔120内时，在充分的径向压缩下，密封胶芯105密封钻杆周围，进入“闭合位置”。图5示出了闭合位置。当没有钻杆存在时，在充分的径向压缩下，密封胶芯105完全封闭孔111。
当流体泵入活塞腔112的开口115时，套筒式环空防喷器101进行类似的反向运动。流体将力向下传递给活塞117，从而活塞117的楔形面118允许密封胶芯105径向张开至“开放位置”。图4示出了开放位置。此外，套筒式环空防喷器101的可拆卸顶盖119使得能够触及密封胶芯105，从而可在需要的情况下维护或更换密封胶芯105。
现同时参考图2、3A和3B，更详细地示出了用于套筒式环空防喷器101的密封胶芯105和金属插入物109。在图2中，密封胶芯105包括弹性环形体107和多个金属插入物109。金属插入物109以大致为环形的方式分布并在弹性环形体107内于径向平面中隔开。图3A和3B示出了金属插入物109的实例，所述金属插入物109可设置并嵌于弹性环形体107内。通常，金属插入物109嵌入弹性环形体107并与弹性环形体107完全结合，从而为密封胶芯105提供结构支撑。环形体107和金属插入物109之间的结合限制了环形体107和插入物109之间的相对运动，所述运动可导致弹性环形体107内的弹性体失效。对密封胶芯内弹性体和金属插入物之间结合的更多讨论可参见授予Simons并转让予本发明的受让人的美国专利No.5,851,013，在此引入其全部内容作为参考。
现参考图4和图5，示出了处于开放位置(图4)和处于闭合位置(图5)的密封胶芯105的实例。当处于开放位置时，密封胶芯105松开，没有受压而密封钻杆151周围，使得在密封胶芯105和钻杆151之间形成间隙，从而允许流体通过环空。如图5所示，当处于闭合位置时，密封胶芯105受压而密封钻杆周围151，从而不允许流体通过环空。以这种方式，防喷器可闭合密封胶芯105进行密封，来抵御下方发生井喷所造成的井筒压力。
类似地，球形防喷器使用具有金属插入物的大型半球形弹性密封件作为密封胶芯。参考图6，示出了围绕井筒轴103设置的球形防喷器301的实例。图6选自美国专利No.3,667,721(授予Vujasinovic，引入其全文作为参考)。球形防喷器301包括通过多个螺栓311可拆卸地固定在一起的下部外壳303和上部外壳304，其中外壳构件303、304可具有曲面半球形内表面。密封胶芯305设置在球形防喷器301内，且通常包括相应于外壳构件303、304的曲面半球形内表面的曲面弹性环形体307和多个曲面金属插入物309。因此，金属插入物309以大致为环形的方式设置在环形体307内并在从井筒103的中轴延伸的径向平面内隔开。
另外，闸板式防喷器也可包括具有金属插入物的弹性密封件。大型密封件通常设置于防喷器闸板之上或设置于防喷器闸板的前缘之上以提供其间的密封。现参考图7，示出了包括外壳703、防喷器闸板705和顶部密封件711的闸板式防喷器701。对于图7，仅示出了一个防喷器闸板705，然而通常将两个相应的防喷器闸板705设置于井筒103彼此相对的两侧(示于图8)。闸板式防喷器701包括从其中穿过的孔720、固定于外壳703的阀盖707和活塞驱动杆709，且围绕井筒103的中轴设置。杆709连接在防喷器闸板705上，可驱动杆709朝向井筒103向内移动。防喷器闸板705可为钻杆闸板(pipe ram)、变径闸板(variable bore ram)、剪切闸板(shear ram)或全封闭闸板。起动时，管状和变径闸板移动，从而接合并包围钻杆和/或钻具，以密封井筒。与之相对，剪切闸板接合并物理剪切井筒103中的任意测井电缆、钻杆和/或钻具，而全封闭闸板在不存在障碍物的情况下封闭井筒103。对闸板式防喷器的更多讨论可参见授予Berckenhoff并转让于本发明的受让人的美国专利6,554,247，在此引入其全部内容作为参考。
现参考图8，更详细地示出了用于闸板式防喷器701的防喷器闸板705A、705B和顶部密封件711A、711B。如图所示，顶部密封件711A、711B分别设置在防喷器闸板705A、705B的凹槽713内，并密封防喷器闸板705顶部和外壳703之间(示于图7)。如图所示，防喷器闸板705A为具有顶部密封件711A的上剪切防喷器闸板，防喷器闸板705B为具有顶部密封件711B的下剪切防喷器闸板。起动时，防喷器闸板705A、705B移动，从而接合，其中剪切件(shear)715A接合在剪切件715B的上方，以物理剪切钻杆151。当防喷器闸板705A、705B移动时，顶部密封件711A、711B密封外壳703，以避免外壳703和防喷器闸板705A、705B之间的任何泄压或泄流。
现参考图9A和9B，更详细地示出了顶部密封件711A、711B。具体如图9A所示，顶部密封件711A、711B包括弹性带751、连接于弹性带751各端的弹性部分753、设置在各弹性部分753内的金属插入物755。防喷器闸板705A(即上剪切防喷器闸板)的顶部密封件711A还可包括连接于弹性部分753之间的支撑结构体757。如图9B中的截面图所示，设置在弹性部分753内的金属插入物755具有H形截面。金属插入物755的H形截面为弹性部分753提供支撑和最佳的刚度。此外，应当理解的是，顶部密封件711A，711B可与钻杆闸板、全封闭闸板或剪切闸板(示于图8)一同使用。
现参考图10，示出了用于闸板式防喷器(例如图7的701)的具有顶部密封件和闸板封隔器(ram packer)717A的防喷器闸板705A。图10选自美国专利申请公布No.20040066003(授予Griffin等，在此引入其全文作为参考)。取代剪切闸板(示于图7和图8)，图10示出了具有变径闸板封隔器717A的钻杆闸板组件，该变径闸板封隔器717A包括弹性体和金属。如图所示，变径闸板封隔器717A包括半椭圆形弹性体761，金属封隔器插入物763模制于该弹性体761中。金属封隔器插入物763布置在弹性体761的孔765的周围。如以上针对钻杆闸板或变径闸板所述，起动时，闸板封隔器717A(和与闸板封隔器717A相对设置的相应闸板封隔器一起)移动，从而接合并包围设置于孔765中的钻杆和/或钻具，以密封井筒。
对于防喷器中包括弹性体和金属的任意密封机构(例如环形和球形防喷器中的密封胶芯以及闸板式防喷器中的顶部密封件和闸板封隔器)，可施加负载以承受防喷器各部件之间的压力。例如，对于图1所示的套筒式环空防喷器，当流体压力从活塞117和楔形面118传递给密封胶芯105而朝向井筒103的中轴闭合密封胶芯105时，流体压力在密封胶芯105内接触密封表面(例如楔形面117和钻杆151)的面和体处引起应力和应变，从而密封以抵御来自下方的井筒压力。密封胶芯105中出现的应力与传递给密封胶芯105的流体压力近似成正比。
由于防喷器密封件经受应力，因而密封件材料将产生应变以适应应力并提供密封接合。密封件材料中出现的应变量取决于材料的弹性模量。弹性模量是应力和应变之比的量度并可描述为向材料施加压力时材料的变形趋势。例如，对于任意给定的应力，弹性模量高的材料产生的应变少于弹性模量低的材料。对于用于防喷器密封件的材料，金属插入物的弹性模量明显大于弹性部分的弹性模量。例如，钢的弹性模量(通常为约30,000,000psi；200GPa)近似为大多数弹性体的弹性模量(通常为约1,500psi；0.01GPa)的20,000-30,000倍。
按照常规，在检验、设计和制造防喷器密封件例如防喷器用密封胶芯时，密封件内出现应力和/或应变(即应力集中、应变集中)的位置和量最重要、最受关注且进行地分析最多。在密封件经受负载时(例如套筒式环空防喷器的密封胶芯围绕钻杆或围绕其自身反复周期性闭合)，评价密封件中出现的应力和应变的大小和方向，以确定密封件的性能。用于进行这种评价的常用方法为有限元分析(“FEA”)。具体地，FEA可用于模拟和评价给定的位移状态下密封件中出现的应力和/或应变集中。
当设计和制造包括刚性插入物的高应变弹性密封件时，通过FEA预测的理论应力和应变与实际应力和应变之间可能存在明显的偏差。因此，目前模型化以及分析防喷器密封件的方法不能够提供足够的信息来改善防喷器密封件的设计和制造。
此外，所制造的密封件的性能可能还依赖于所用弹性材料的性能。弹性材料的性能不仅仅取决于基体材料(弹性体)的性能，还取决于密封件制造过程中得到的弹性材料的固化度或交联度。例如，过度固化或交联的弹性材料可能坚硬且不能够适当地发挥作用，即固化可能影响弹性材料的弹性模量。固化不足的弹性材料可能缺乏弹性。
因而，需要改进防喷器密封件的设计、制造和固化过程的方法。
发明内容
一方面，本申请披露的实施方案涉及制造防喷器密封件的方法，该方法包括：将至少一个插入物和至少一种弹性材料置于模具，将模具加热至固化温度，固化所述至少一种弹性材料，测量固化过程中所述至少一种弹性材料的温度，根据弹性材料的实测温度调整固化时间和固化温度，以及将固化的防喷器密封件从模具中取出。
另一方面，本申请披露的实施方案涉及制造防喷器密封件的方法，该方法包括：生成防喷器密封件设计的有限元分析热模型，并基于该有限元分析热模型的结果制造防喷器密封件。优选地，使用该有限元分析热模型评估防喷器密封件的至少一种弹性材料的固化度。
通过以下说明和所附权利要求，其它方面和优势将显而易见。
附图说明
图1是套筒式环空防喷器的截面图。
图2是套筒式环空防喷器用密封胶芯的截面图。
图3A是套筒式环空防喷器用密封胶芯的金属插入物的透视图。
图3B是套筒式环空防喷器用密封胶芯的替换性金属插入物的侧视图。
图4是处于松开位置的现有套筒式环空防喷器用密封胶芯的截面图。
图5是处于闭合位置的套筒式环空防喷器用密封胶芯的截面图。
图6是球形防喷器的截面图。
图7是闸板式防喷器的截面图。
图8是闸板式防喷器的闸板剪切件的透视图。
图9A是闸板式防喷器的防喷器闸板的顶部密封件的透视图。
图9B是闸板式防喷器的防喷器闸板的顶部密封件的截面图。
图10是闸板式防喷器的防喷器闸板的变径闸板封隔器的透视图。
图11是根据本申请披露的实施方案制造密封件的方法的流程图。
图12是根据本申请披露的实施方案制造防喷器密封件的方法的流程图。
图13是根据本申请披露的实施方案二维曲线图(利用x轴和z轴)形式的环形密封胶芯截面轴向轮廓图。
图14是根据本申请披露的实施方案二维曲线图(利用x轴和y轴)形式的环形密封胶芯截面径向轮廓图。
图15是根据本申请披露的实施方案三维曲线图(利用x、y和z轴)形式的环形密封胶芯的密封件模型的一部分。
图16是根据本申请披露的实施方案三维曲线图(利用x、y和z轴)形式的环形密封胶芯的密封件网格的一部分。
图17A是套筒式环空防喷器用密封胶芯的金属插入物的端视图。
图17B是根据本申请披露的实施方案套筒式环空防喷器用密封胶芯的金属插入物的端视图。
图18A是套筒式环空防喷器用密封胶芯的金属插入物的顶视图。
图18B是套筒式环空防喷器用密封胶芯的金属插入物的顶视图。
图19是根据本申请披露的实施方案制造防喷器密封件的方法的流程图。
图20是根据本申请披露的实施方案制造防喷器密封件的方法的流程图。
具体实施方式
一方面，本申请披露的实施方案总体上涉及用于油气工业的防喷器。更具体地，本发明涉及固化和制造防喷器密封件的方法，其中密封件可包括弹性材料和刚性材料。更具体地，本申请披露的实施方案涉及固化和制造防喷器密封件的经验方法。可供选择地，本申请披露的实施方案涉及设计、固化和制造防喷器密封件的分析方法。
如上所述，密封件可同时包括刚性材料和弹性材料。如本文所用，“刚性材料”是指可为防喷器的密封件提供结构支撑的任意材料，包括金属和非金属。刚性材料的实例可包括但不限于钢、青铜和高强度复合材料(例如碳复合材料、环氧复合材料、热塑性材料等)。此外，如本申请所用，“密封件”是指能够隔离高压区和低压区的装置。防喷器密封件的实例包括但不限于密封胶芯、环形密封胶芯、顶部密封件和变径闸板。此外，如本文所用，“弹性材料”是指表现出弹性且常用于密封件、O形环等的热塑性材料、热固性材料、橡胶和其它高分子化合物。
密封件可通过常规的模塑方法制造，鉴于如以下针对各种实施方案更详细描述的制造方法的变化。在一些实施方案中，可在单个模腔中对密封件顺次进行模制和固化。在其它实施方案中，可在模腔中对密封件进行模制，并随后在固化室中进行固化(在本申请中模腔和固化室可互换使用。)
例如，在一些实施方案中，可将刚性材料置于模具中，并可按照需要利用至少一种熔融的弹性材料封闭和填充该模具(即模制，然后固化)。在其它实施方案中，可将预先模制且未固化的密封件置于固化室(即仅仅固化)。可在刚性材料和弹性材料置于模具中之前或之后，将模具或固化室加热至高温。
然后可将置于模腔中的材料的温度升至足以使弹性材料固化的温度。例如，可通过蒸气、油或其它流体，或者通过电加热元件提供热量。在固化温度下经过足够长的时间后，将固化部件从模腔中取出而得以冷却。例如可通过使部件保持后固化温度或缓慢冷却部件，任选地对密封件进行后固化，密封件还可用于发挥所需的性能。
通常，可能影响固化密封件性能的变量可包括初始模具温度、加热速度、冷却速度和模具温度。通常，以热交换介质的测量温度为基准，保持模具或固化室的温度。加热和冷却速度可受到例如热交换介质的类型(电、流体、流体的类型、流体的各热力学性质)以及模制材料(例如钢的类型及其性质)的影响。材料在给定温度下经历的时间长短也将影响固化度。
密封件的性能还可能受到下述影响：所使用的一种或多种弹性材料的种类和量、所使用的刚性材料的种类、它们的热力学性质(如传导系数)和(如果使用)任意固化剂或其它添加剂的种类和量。密封件的性能还可能受到弹性材料和/或固化剂的动力学性质的变化的影响。
现参考图11，示出了根据本申请披露的实施方案制造密封件的方法，其中可通过在固化步骤中测量弹性材料的温度来制造密封件。如上所述，可将刚性材料和弹性材料置于1112模具中。然后将置于模具中的材料的温度升至足以使弹性材料固化1114的温度。
在部件固化的同时，可测量1116弹性材料的温度。例如，在一些实施方案中，热电偶可从模具或固化室伸入弹性材料的一个或多个部分中。热电偶伸入的位置和深度可根据密封件设计，优选限制热电偶可能对最终部件造成的负面影响。在其它实施方案中，热电偶可测量从最终部件精整下来的突出或多余的材料的温度。在其它实施方案中，可在密封件固化的同时使用独立隔室测量弹性材料的温度，其中该独立隔室可与正在固化的密封件具有相同或不同的尺寸，从而能够接近正在固化的密封件的温度。
然后，可根据所述测量温度，通过调节1118热交换介质的温度来调节模具或固化腔的温度。例如，放热交联反应可产生余热，导致弹性材料的温度高于固化密封件所需的温度。随着交联反应减慢，弹性材料的温度可下降而低于固化密封件所需的温度。测量弹性材料的温度可有助于在整个固化步骤中控制模具的温度，进而控制弹性材料的温度。
测量弹性材料的温度还使得能够调节固化时间或弹性材料经受固化温度的时间，从而可达到所需的密封件性能。例如，如果弹性材料从注塑温度缓慢升至固化温度，那么考虑到处于低于固化温度的时间可将固化时间延长。再例如，如果固化温度在固化过程中波动，那么考虑到波动可将固化时间缩短或延长。
另外，由于热量必须经过弹性材料的厚度来进行传导，因而弹性材料内部的温度可能不同于接近模具的弹性材料的温度。高于所需温度可导致过度交联而形成刚性材料。低于所需温度可导致低于所需的交联。测量弹性材料的温度使得能够调节固化温度和固化时间，以使接近模具的弹性材料不会过度交联且弹性材料的内部充分交联。
如有必要，可在密封件中的弹性材料固化之后，对密封件进行后固化1120。可利用加热和固化步骤中的温度测量结果，调节后固化温度或后固化时间。类似地，可在后固化过程中测量温度，并可调节后固化温度和时间以达到所需的密封性能。
在优选实施方案中，对密封件进行的名为“GX 13-10密封胶芯固化优化(GX 13-10 Packing Unit Cure Optimization)”(“热电偶研究”)的试验覆盖了实验研究、理论研究和FEA类分析研究，旨在确定密封件的适当的固化状态，在此引入作为参考。在该试验中，对密封件进行热固化，并使用热电偶采集密封件内预定位置处的温度数据。根据热电偶研究的结果，一些实施方案可在模制密封件时采用七小时固化周期。
此外，利用热固化和数据采集试验步骤验证了FEA模拟，在FEA模拟中，还将模具的几何形状以及金属和橡胶化合物的热性能模型化。从而，通过FEA分析方法得到密封件内温度分布与时间的关系。这些结果与获自密封件内的热电偶数据极为接近地匹配。由FEA分析计算得到的温度分布和由固化试验热电偶读数得到的温度分布之间的紧密匹配证实了FEA方法的准确性。FEA方法可能是替代使用热电偶的试验方法的更简单、有效的方法，因而可能更常常用于确定模制橡胶制品的固化状态以及改善质量和使用寿命。
FEA模型
如上所述，通常用于设计和制造防喷器密封件(具有弹性体和刚性材料)的方法和模型可能不能够提供准确的信息来改善密封件设计的制造和性能。例如，不均匀的加热过程、不同的材料厚度、材料性能的变化等可能导致对适宜固化参数的不可靠预测。因而，在根据本申请披露的实施方案设计和制造防喷器密封件时，可采用包括固化阶段对系统进行FEA的方法，以改善密封件的设计和制造。除了生成和改进密封件模型的一些方法之外，该FEA方法可更准确地计算固化周期中弹性材料的固化度。进行这种FEA的合适软件包括但不限于ABAQUS(可获自ABAQUS，Inc.)、MARC(可获自MSC软件公司)和ANSYS(可获自ANSYS，Inc.)。
具体地，本申请披露的实施方案和方法可有利地提供通过FEA生成和分析密封件模型的方法，来确定在各种温度和时间分布下密封件的响应。本申请披露的方法可采用简化的密封件设计和/或密封件模型，从而有助于密封件的分析。例如，本申请披露的方法可通过“平滑化”所述设计避免分析复杂密封件设计的部分。
如本申请所用，术语“平滑化”是指简化密封件设计的复杂几何结构以用于FEA的各种方法。这些方法可允许平滑模型(即由平滑设计构造的FEA模型)的分析与实验观察到的状态相关联并收敛于确定的结果(对未经平滑化的模型进行分析时不可能)。因而，可通过FEA分析由平滑设计构造的模型，来确定整体或“体积”状态。通过分析这种体积(即非定域)状态，可更准确地预测在各种时间和温度条件下密封件的固化。在对平滑模型的体积状态进行分析之后，可将由此获得的信息引入将制造的(未经平滑化的)密封件设计。
现参考图12，示出了包括弹性体和刚性材料的密封件的制造方法的流程图。作为第一步1210，确定了密封件材料(例如弹性体、刚性材料和(如果使用的话)交联剂)的性能。可通过实验测试确定材料性能，或根据可商购材料的性能数据提供材料性能。材料性能可包括例如传导率和其它热力学性能，以及动力学速率常数、分解温度、反应基团的浓度和可能影响材料反应性的其它材料性能。
作为第二步1215，确定了模具材料的性能(例如形成模具的金属和热交换介质等)。可通过实验测试确定材料性能，或根据可商购材料的性能数据提供材料性能。材料性能可包括例如传导率、粘度、对流热交换常数和其它热力学性能。模具材料的性能可用于确定密封件的边界条件。
随后，生成密封件的三维密封件模型(即网格)1220。因而，生成密封件模型1220还可包括输入密封件设计1221并随后平滑化所输入的密封件设计1222以简化FEA分析。
接着，如果希望提高固化模型的精度，则生成模具的三维模具模型(即网格)1225。因而，生成模具模型1225还可包括输入模具设计1226并随后平滑化所输入的模具设计1227以简化FEA分析。
尽管示意为两个独立的模型，但也可生成密封件设置于模具内的三维模型。然而，由于固化可在密封件从模具或固化腔中取出之后继续进行，以及由于密封件冷却，与模具模型分开的密封件模型可解释在模具外发生的继续固化。在一些实施方案中，使模具模型和密封件模型一体化，从而模具模型可为密封件模型提供每次迭代时的边界条件；边界条件的阶跃变化进而可用于模型化密封件从模具腔中取出之后的后固化。
接着，在FEA中使用密封件模型1220(或平滑密封件模型1222)和任选的模具模型1225(或平滑模具模型1227)，模拟1230固化条件(例如时间和温度条件)。优选地，这些模拟固化条件反映密封件在固化过程中可能经历的热传递、交联反应和性能改变。此外，在模拟固化条件之后，可生成并分析显示密封件模型中发生的固化的曲线图1240。理想地，该图示出了相应于模拟固化条件在密封件模型中发生固化的位置和量。可分析和评价1240该图，以确定密封件模型的性能特征。
该方法可循环返回1210，来改变固化过程中密封件的材料性能，或者可循环返回1220，来生成和分析另一密封件模型。这种循环允许通过FEA进一步模拟密封件模型，以确定在进一步改进或模拟之后密封件模型的性能。另外，如果认为密封件模型可以接受且满足特定标准，则可使用该密封件模型制造1250防喷器密封件。
在步骤1220中，生成密封件的模型(即网格)。在生成密封件模型时，选择密封件的设计特征并将该设计特征应用于模型。例如，对于套筒式环空防喷器用密封胶芯，在生成密封件模型时，可选择插入物的用量、刚性材料插入物的宽度和用于刚性材料插入物的具体材料。可在计算机辅助设计(“CAD”)程序包(例如可购自Autodesk，Inc.的AutoCAD和可购自Parametric Technology Corporation的Pro/Engineer)中，建立密封件模型，并将该密封件模型输入FEA程序包，或者，在可供选择的方案中，可通过FEA程序包(例如ABAQUS和PATRAN)本身生成密封件模型。
现参考图13-16，示出了根据本申请披露的实施方案生成密封件模型的方法。具体地，如图所示，可由使用CAD软件作出的密封件设计生成套筒式环空防喷器用密封胶芯105的模型。如图13所示，可以二维曲线图形式(使用x轴和z轴)生成环形密封胶芯105的密封件设计的截面轴向轮廓图1301。密封胶芯105包括弹性体107和具有孔111的刚性(例如金属)材料插入物109。可生成多幅径向和轴向截面轮廓图以呈现密封件的不同部分。例如，可生成密封胶芯105具有金属插入物109的部分或没有金属插入物109的部分的轮廓图。
接着，如图14所示，除生成截面轴向轮廓图1301以外，可生成密封件设计的截面径向轮廓图1401，从而以二维曲线图形式(使用x轴和y轴)呈现密封件的不同径向部分。由于密封胶芯105的对称性，因而如图所示仅需生成截面径向轮廓图1401的径向部分。因而，如图15所示，通过组合轴向和径向轮廓图1301、1401，可生成三维密封件设计1501，从而以三维曲线图形式(使用图13和图14中的相应x、y和z)呈现密封胶芯105的至少一部分。在三维密封件设计1501中，以能够相互作用的独立体的形式，生成金属插入物109和弹性体107。根据密封件(即在此情况下为密封胶芯)设计的复杂性，可生成更多的密封件轮廓图1301、1401，以呈现密封件设计1501的更多细节。
此外，如图所示，密封件设计1501和模型或网格1601(随后讨论)可仅呈现密封胶芯105的径向部分。然而，可利用密封胶芯105的对称几何结构，容易地生成密封胶芯105的其余部分。本领域技术人员应当理解的是，对于径向对称模型，可利用并复制对称部分和轮廓图，来简化模型的生成。
现参考图16，可将使用CAD软件作出的密封件设计1501输入FEA软件，以生成大量有限元1603构成的模型或网格1601。当施加固化条件时，网格1601的有限元1603一同作用来模拟密封件和密封胶芯。密封胶芯105的弹性体107的有限元1603相应于弹性材料的热力学和动力学性能模拟并响应固化条件(即表现出反应性和传导性)。
类似地，密封胶芯105的金属插入物109的有限元1603相应于金属插入物的材料性能模拟并响应固化条件。因而，有限元1603表现出传导、膨胀和其它热力学性能，以根据密封件的不同材料(例如弹性体和刚性材料)的材料性能模拟它们的响应。尽管将有限元1603示为八节点单元(即砖状单元(brick element))，但可使用本领域已知的任意形状的有限元。
此外，在生成密封件模型1220的同时，可将多种平滑化方法应用于密封件设计1222。在许多情况下，如上所述，当模拟复杂几何结构时，利用FEA分析密封件的实际制造几何结构可能导致复杂化。具体地，金属密封部件的制造几何结构包括圆角和其它降低应力集中的特征，从而使应力在其所作用的部件内更均匀地分布。然而，发现这些圆角可能对FEA中的FEA模型造成增加模型复杂性的不利影响并可能阻碍FEA产生准确结果。因而，由平滑设计生成的密封件模型可包括消除制造应力集中的特征，以改善FEA的结果。
在一种实施方案中，可改进(即平滑化)密封件设计的刚性材料以降低其复杂性。现参考图17A，示出了金属插入物1701的端视图，该金属插入物1701包括由梁腹(web)1705连接的梁(flange)1703。金属插入物1701通常包括圆内角1707和方外角1709。然而，在平滑化设计的一种实施方案中，可改进金属插入物的角。例如，现参考图17B，示出了根据本申请披露的实施方案的金属插入物1711设计的端视图，该金属插入物1711设计包括由梁腹1715连接的梁1713。在平滑化该设计时，可改进内角1717来尝试减小或消除其半径(如图所示)，以简化随后构建的模型。此外，在平滑化密封件设计时，可改进外角1719来尝试增加或增大其半径(如图所示)，以简化随后构建的模型。可分析以这种方式构建的密封件模型的体积传导率和固化，从而与采用前述更“局域化”的方法可能获得的结果相比，FEA可产生更准确和确定的结果。
此外，在另一实施方案中，平滑化可包括改进刚性材料插入物的形状和其在弹性体内的位置，而不是通过改进刚性材料插入物的内角和外角来平滑化设计。现参考图18A，示出了金属插入物1801的顶视图，该金属插入物1801设置在环形密封胶芯的弹性体1802的一部分内。所示金属插入物1801的梁1803和梁腹1805(轮廓所示)具有矩形轮廓，其中梁1803的梁端部1804A、1804B和梁腹1805的梁腹端部1806A、1806B由直边限定。端部1804A、1806A比端部1804B、1806B在径向上更接近中轴103。
然而，参考图18B，可平滑化金属插入物的形状和取向以进行体积应变分析。在图18B中，示出了金属插入物1811的顶视图，该金属插入物1811设置在根据本申请披露的实施方案的环形密封胶芯的弹性体1802的一部分内。如图所示，金属插入物1811的梁1813和梁腹1815(轮廓所示)具有弧形端部，来限定以中轴103为中心的径向轮廓。具体地，梁1813的侧边1814C、1814D可沿从中轴103径向伸出的径向线1817。梁腹1815的侧边1816C、1816D可同样沿径向线(未示出)。因而，如图所示，在这种情况下，位于梁侧边1814C、1814D之间的梁端部1814A、1814B和位于梁腹侧边1816C、1816D之间的梁腹端部1816A、1816B可沿弧形轨迹而具有弧度。优选地，弧形端部1814A、1814B、1816A、1816B沿围绕中轴103限定的径向轨迹1818。因而，如图所示，梁1813和梁腹1815的宽度沿其侧边1814C、1814D、1816C、1816D从端部1814A、1816A至端部1814B、1816B增大。因而，以这种方式构建的密封件模型在FEA过程中可能能够更准确地模拟固化，从而产生更准确和确定的结果。
类似地，还可平滑化密封件设计的弹性体。再次参考图15，弹性体107包括相应于活塞117(图1)的楔形面118的受压面108。例如，可通过改进受压面108的角和/或半径，平滑化密封件设计。通过改进弹性体的受压面和其它部分，由此构建的密封件模型在FEA过程中可能能够更准确地模拟固化。本领域技术人员应当理解的是，除了所述平滑化和改进方法之外，还可采用其它方法。
再次参考图12，在步骤1220中生成密封件模型时，特别是平滑化密封件模型的密封件设计1222时，密封件模型的弹性体和刚性材料插入物的体积基本保持不变。如果体积没有保持恒定，则通过FEA获得的结果和模拟固化可能不准确或不一致。利用这种构思，弹性体和刚性材料插入物各自的体积优选基本保持不变，以产生精确的结果。
现继续步骤1230，使用所生成的密封件模型通过FEA模拟防喷器密封件的固化条件。优选地，模拟固化条件为密封件在固化过程中预期可能经受的温度和在给定温度下的时间。例如，套筒式环空防喷器的密封胶芯模型可模拟与达到弹性材料的所需弹性(即达到充分交联)相关的固化条件。
在步骤1240中，可分析和评价固化曲线图以确定模型化密封件固化的性能，该固化曲线图显示相应于固化条件在密封件模型中发生的固化和物理性能的形成。该方法可如下进行：计算密封件模型各单元在固化条件下的固化度，示出密封件模型各相应单元在初始条件下的固化。由此得以将模拟固化条件下密封胶芯中发生的固化“映射”到其在密封胶芯中的初始位置和条件。
如上所述，密封件模型可用于评价不同条件下的固化度，所述条件包括固化时间和温度的变化、所选择的弹性材料和刚性材料、密封件形状或设计以及其它变量。另外，模具模型可解释延迟时间和密封件在固化过程中可能经历的边界条件的不同(例如模具中的温度变化)。例如，模具的初始温度可能不同，例如可能因为打开模具装入密封件或刚性材料而造成这种不同，其中模具打开并暴露于环境条件的时间可能不同。
其它密封件模型单元可解释几何结构、传导性、固化速度/反应速度、加热和冷却速度、分解速度和反应性、以及其它热力学或动力学性能等。例如，对于几何结构而言，由于金属的传导性或加热元件在模具内的位置，弹性材料较薄的部分可能比较厚的部分经受更高的平均温度。在一些实施方案中，可利用密封件模型和模具模型设计模腔，从而可例如通过加热元件的选择性布置，来避免弹性材料的过度加热。还可利用密封件模型计算可能受到后固化操作影响的交联度或其它性能。
在一些实施方案中，可利用经验数据检验或关联上述模型。例如，如上所述，可通过测量固化过程中热交换介质、模具部分和/或弹性材料的温度，来采集经验数据。另外，可获得与实测固化条件造成的固化度相关的数据。然后可利用实测固化条件和所产生的密封件性能验证模型或关联模型与实际试验结果。作为关联模型与经验数据的实例，可根据理论值调节动力学速率常数、传导率或传导和对流热传递系数，以更近似于实际的固化。
在其它实施方案中，当关联模型或使用经验证的模型时，模型可用于评价在固化过程中用于控制温度设定点的热电偶和其它设备。例如，可靠近模具/密封件界面放置、测量传热介质的温度、测量电加热器的能量输入/输出等的热电偶可能不准确，从而影响向模腔的一个或多个部分的实际热输入。如果测量数据不准确，则可使用密封件/模具模型进行分析。以这种方式，可针对测量温度分布图的变化调整模型，或者操作人员可利用模型调整温度分布输入，并可提供针对不准确性调整实际固化条件来改善密封件的固化和/或坚实度的方法。
上述密封件模型(和模具模型(如若使用))可用于确定各种材料组合的固化条件。对于给定的密封件模型(几何结构)，可模拟多种不同的弹性材料、刚性材料、固化助剂(交联剂)和其它变量，从而可最优化特定密封件模型(几何结构)的固化条件和所产生的密封件性能。
在一些实施方案中，可基于如上所述生成的第一密封件模型，生成第二密封件模型。例如，可改变模型以反映不同的密封件几何结构。然后，可利用如上所述可能已与经验数据相关联的材料性能和其它变量，对几何结构与第一密封件模型不同的密封件所达到的固化进行评价。可以这种方式模拟各种几何结构，以最优化固化和所产生的密封件性能。
例如，可利用FEA模型调整上述变量以达到所需的强度、弹性或其它密封件性能。在一些实施方案中，密封件模型可提供固化过程所产生的物理性能数据，例如可由交联度推断出的性能，包括流变性、弹性模量、挠度和韧性等。
在其它实施方案中，所产生的密封件性能可与用于分析应力作用下密封件性能的FEA模型相结合。这种FEA模型可用于提供失效前循环的指示、压力极限或额定值、应力/应变极限和密封件验证等。转让予本发明受让人的美国临时专利申请No.60/847,760披露了这种FEA模型，在此引入作为参考。
使用模型制造/固化密封件
上述FEA密封件模型可用于最优化材料的选择，还可用于确定适当的固化条件。在一些实施方案中，如图19所示，操作人员可根据源于FEA模型的结果选择固化时间和固化温度。作为第一步1910，如上所述可生成和验证密封件模型。接着可使用该模型选择1920适于所需制品性能的密封件材料(刚性材料和弹性材料)。然后可使用该模型选择1930用于制造1940密封件的固化条件。
例如，FEA可用于选择提供最快周期时间的固化温度分布，从而增加单位时间可固化的密封件数量。再例如，FEA可用于选择固化条件以产生所需的密封件性能。在其它实施方案中，FEA可用于根据位置变化(例如多个位置之间弹性材料性能的最小差异)确定固化条件以产生所需的密封件性能。
如图20所示，上述FEA密封件模型还可用于调整固化条件。作为第一步2010，可如上所述生成和验证密封件模型，还可利用该密封件模型选择2020密封件材料并选择2025固化条件(时间和温度分布)。然后将密封件材料置于2030模腔以进行固化2040。在固化步骤2040中，可测量实际温度并将该实际温度测量结果输入2050FEA模型。由于实际固化条件和所选固化条件的改变，可根据FEA模型的结果调整固化时间和温度。以这种方式，例如，可实现固化进程中的最小变化和/或可使密封件性能的位置变化最小化。
上述FEA密封件模型还可用于选择和/或调整后固化条件。如图19和20所示，可利用FEA模型选择1955、2055后固化条件。固化步骤1940、2040之后，可对密封件进行后固化1960、2060，其中在一些实施方案中，可根据实测固化条件和/或实测后固化条件调整后固化时间和温度，以产生所需的密封件性能。
如上所述，本申请披露的实施方案提供了制造密封件的经验方法。可利用对固化过程中固化条件的测量来调整固化条件，以改善产物坚实度、固化周期时间和密封件性能等中的一种或多种。
此外，工业要求如API 16A/ISO 13533：2001可用作比较和检验密封件模型的特定标准。特别是，API 16A，Section 5.7.2涉及闸板式防喷器的“闭合试验”，API 16A，Section 5.7.3涉及套筒式环空防喷器的闭合试验。依据API 16A/ISO 13533：2001，可要求密封胶芯围绕钻杆进行六次闭合，并且在第七次闭合时能够有效地密封以抵御约200-300psi(1.4-2.1MPa)的压力。
如上所述，密封件模型可用于设计密封件、选择密封件的几何结构、选择用于制造密封件的材料，并可用于选择和调整制造密封件所采用的固化条件。有利地，如本申请所披露的使用密封件模型的实施方案可提供下述以及其它优势中的一种或多种：改善的密封件设计、改善的密封件固化、缩短的固化周期时间、改善的制品坚实度和延长的工作寿命。
尽管针对有限数量的实施方案对本发明进行了描述，但受益于本文的本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明范围的情况下可设计其它实施方案。因而，本发明的范围应仅受限于所附权利要求。

Claims (18)

1.一种制造防喷器密封件的方法，该方法包括：
将至少一个插入物和至少一种弹性材料置于模具；
将所述模具加热至固化温度；
固化所述至少一种弹性材料；
测量固化过程中所述至少一种弹性材料的温度；
基于所述弹性材料的实测温度调整调整固化时间和固化温度；和
将所述固化的防喷器密封件从模具中取出。
2.权利要求1的方法，还包括确定所述弹性材料的固化度。
3.权利要求2的方法，还包括生成固化过程中所述防喷器密封件的有限元分析热模型。
4.权利要求3的方法，还包括基于选定的固化时间和选定的固化温度使用所述有限元分析热模型评价固化度。
5.权利要求3的方法，还包括关联所述有限元分析热模型与固化时间、实测温度和固化度。
6.权利要求5的方法，还包括基于所述相关有限元分析热模型的结果制造附加的防喷器密封件。
7.权利要求6的方法，还包括基于所述有限元分析热模型的结果调整固化温度和固化时间。
8.权利要求6的方法，还包括：
选择防喷器密封件设计；
基于所述相关有限元分析热模型生成选定设计的第二有限元分析热模型；和
基于所述第二有限元分析热模型的结果制造防喷器密封件。
9.权利要求8的方法，其中所述制造包括基于所述第二有限元分析热模型的结果选择固化时间和固化温度。
10.权利要求1的方法，其中所述防喷器密封件包括环形密封胶芯。
11.权利要求1的方法，其中所述防喷器密封件包括选自变径闸板封隔器、防喷器闸板孔和防喷器闸板顶部密封件中的至少一种。
12.一种制造防喷器密封件的方法，该方法包括：
生成防喷器密封件设计的有限元分析热模型，其中使用所述有限元分析热模型评价所述防喷器密封件的至少一种弹性材料的固化度；和
基于所述有限元分析热模型的结果制造所述防喷器密封件。
13.权利要求12的方法，其中所述制造包括基于所述有限元分析热模型的结果选择固化时间和固化温度。
14.权利要求13的方法，其中所述制造包括于选定的固化温度在选定的固化时间内对弹性材料进行固化。
15.权利要求12的方法，其中所述制造包括：
基于所述有限元分析热模型的结果于选定的固化温度在选定的固化时间内对弹性材料进行固化；
测量固化过程中所述弹性材料的温度；和
基于所述实测温度调整所述选定的固化时间和所述选定的固化温度。
16.权利要求15的方法，其中所述调整还基于采用所述实测温度时有限元分析热模型的结果。
17.权利要求12的方法，其中所述防喷器密封件包括环形密封胶芯。
18.权利要求12的方法，其中所述防喷器密封件包括选自变径闸板封隔器、防喷器闸板孔和防喷器闸板顶部密封件中的至少一种。
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