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水下井口头系统作为水下油气开采的基础,在钻井、完井和油气开采阶段都是必不可少的设备。密封总成作为水下井口头系统的控压装置,是井口头系统的关键组件之一,密封总成的密封性和可靠性为整个海洋油气开采提供安全保障。本论文的目的是研究影响密封总成密封性能和压力等级的关键因素,得到密封总成的系列化设计方法,实现水下密封总成的系列化推广。首先在分析国内外密封总成现状,对现有各种密封方法、密封结构以及高压金属密封原理分析综合的基础上,得到了金属密封总成密封性能的判断标准,从而确定了密封总成各个部件的材料。通过对系列化设计方法和金属密封机理的研究,确定了密封总成系列化设计原则和评价标准,将5000psi~20000psi工作压力的密封总成划分为5000、10000、15000和20000psi 4个压力等级。其次本文选定18-3/4in-15000psi井口系统密封总成为系列化设计的基型,并完成基型密封总成的设计,利用ANSYS Workbench对基型密封总成的密封性能做了详细的力学分析。分析影响了密封总成密封性能的关键结构参数,得出驱动体下锥面宽度t和密封体凸缘半径r是影响密封接触压力关键因素,并通过灵敏度判断确定t是影响密封性能的最主要因素,以t作为密封总成系列化设计的参变量。结合传统的弹塑性变形理论和密封体几何形状分析得出驱动体下锥面宽度t、密封压力?与密封宽度b的函数关系和系列化设计的相似比,并完成5000psi、10000psi和20000psi三个压力等级密封总成的结构设计。最后对这三个压力等级的密封总成密封性能和关键部件的力学性能做了详细的分析,验证了密封总成系列化设计的可行性和有效性。通过ANYSY Workbench的Design Explore模块来实现5000psi、10000psi和20000psi三个压力等级密封总成的驱动体下锥面宽度t和5个密封凸缘半径r的优化设计,优化后的三个压力等级密封总成均在安全系数和驱动载荷方面有所改善。