Finite element modeling of a metal tubing hanger seal
Authors: Тимофеев Е.К. , Годенко А.Е. , Липатов Е.Ю. 
Published: July 2024

службы данного оборудования, закладываемый техническим заданием, может достигать 20 и более лет. Чтобы гарантировать безопасность процесса подводной добычи на всем периоде эксплуатации оборудования, в рамках проектирования важно уделять особое внимание характеристикам герметичности и прочности металлических уплотнений. В связи с этим данная статья направлена на выявление степени влияния такого геометрического параметра, как глубина выточки на характеристики герметичности и прочности металлических уплотнений. В работе проведено моделирование методом конечных элементов с использованием расчетного комплекса Ansys, напряженно-деформированного состояния металлического уплотнения подвески насосно-компрессорной трубы штатного конструктивного исполнения при монтаже и при воздействии скважинного и испытательного давлений. Конечно-элементное моделирование осуществлялось с использованием упруго-пластических моделей деформаций материала. Для анализа работоспособности конструкции металлического уплотнения приведены критерии оценки прочности и герметичности. В ходе моделирования были определены параметры, характеризующие герметичность и прочность конструкции. С целью исследования степени влияния глубины выточки металлического уплотнения на характеристики герметичности и прочности было выполнено моделирование с увеличением данного параметра до 80 %. Представлены результаты расчетов параметров герметичности и прочности с различной глубиной выточки. Материалы статьи представляют практическую ценность для инженеров-конструкторов и ученых, занимающихся проблемами обеспечения герметичного подводного соединения с использованием металлических уплотнений.

The process of underwater oil and gas production is accompanied by high values of well pressure, which can reach thousands of atmospheres, while the service life of this equipment, laid down in the technical specifications, can reach 20 years or more. To ensure the safety of the subsea production process throughout the life of the equipment, it is important to pay special attention to the tightness and strength characteristics of metal seals as part of the design. In this regard, this article is aimed at identifying the degree of influence of such a geometric parameter as the depth of the recess on the characteristics of the tightness and strength of metal seals. The finite element method was modelled, using the Ansys calculation complex, of the stress-strain state of the metal seal of a tubing hanger of a standard design during installation and under the influence of well and test pressure. Finite element modeling was carried out using elastoplastic models of material deformations. To analyze the performance of a metal seal design, criteria for assessing strength and tightness are given. During the modeling, parameters characterizing the tightness and strength of the structure were determined. In order to study the degree of influence of the recess depth of the metal seal on the characteristics of tightness and strength, modeling was performed with an increase in this parameter to 80 %. The results of calculations of tightness and strength parameters with different recess depths are presented. The materials of the article are of practical value for design engineers and scientists dealing with the problems of ensuring a hermetic underwater connection using metal seals.