環(huán)形金屬密封總成密封機制及性能分析

2015-01-22 侯超中國石油大學( 華東) 機電工程學院

　　環(huán)形金屬密封總成是水下井口頭系統(tǒng)重要組成部分，其性能直接影響到水下井口頭系統(tǒng)的安全性，甚至整個水下油氣系統(tǒng)的可靠性。分析環(huán)形金屬密封總成的密封機制和工作原理，結合有限元分析結果，從密封環(huán)在密封過程中的變形情況來分析其密封性能。結果表明: 密封環(huán)在彈性變形階段可以實現(xiàn)密封，但對密封環(huán)的表面粗糙度和表面質量有很高的要求，在環(huán)形密封總成工況條件下無法保證，應避免在此階段實現(xiàn)密封; 密封環(huán)在塑性變形階段能夠填補環(huán)表面存在的缺陷，實現(xiàn)良好的密封; 在塑性變形階段，密封環(huán)接觸面的變形情況成為影響密封性能的唯一因素。

　　根據(jù)海洋油氣鉆采的規(guī)定和要求，高壓井口頭與各層套管掛之間需要有獨立的壓力封隔。目前，世界范圍內海洋油氣開發(fā)多數(shù)采用環(huán)形金屬密封總成來實現(xiàn)二者的密封。高壓井口頭和套管掛之間的密封屬于高壓接觸式金屬密封，用于防止管柱內流體的泄漏，保證水下井口頭系統(tǒng)的可靠性和安全性。

　　高壓流體的密封是一個復雜而又較難解決的問題，密封的可靠性除了與連接結構形式、介質特性、工況條件等有關外，主要取決于所采用的密封材料和密封元件的性能。國外金屬密封方面在結構設計、密封材料選擇、加工精度、公差范圍和現(xiàn)場安裝壓縮量等方面要優(yōu)于國內，國內在全金屬密封井口裝置方面的研究剛剛起步，在結合自身情況的同時應借鑒國外的設計理念、先進技術等，加快金屬密封的研究進程。本文作者通過分析環(huán)形金屬密封總成的密封機制及影響因素，借助有限元分析軟件對其進行性能分析，驗證其設計和性能的合理性和可靠性。

　　1、環(huán)形金屬密封總成密封機制及影響因素

　　1.1、密封機制

　　環(huán)形金屬密封總成的作用就是形成高壓井口頭和套管掛之間的壓力封隔，防止管柱內流體的泄漏。環(huán)形金屬密封總成屬于金屬面接觸密封，該密封的泄漏方式主要是穿漏，即流體通過密封面之間的間隙的泄漏，管柱內流體在壓差Δp 作用下通過縫隙形成穿漏; 從微觀上來說，是由于管柱內流體分子撞擊力f大于環(huán)形金屬密封總成密封面壓緊力p1與材料變形力p2之和，即f > p1 + p2，則流體分子楔入并穿越密封區(qū)域造成密封失效。加工后的密封面其表面總是存在溝槽，因此，環(huán)形金屬密封總成通過金屬表面高低不同的波峰受到壓縮產(chǎn)生大小不同的壓縮變形量，達到不同的比壓值，從而在密封面上形成一個微觀的封閉環(huán)，并在密封環(huán)上產(chǎn)生大于介質壓力的反力，從而阻止管柱內流體分子的楔入，實現(xiàn)密封。

　　1.2、影響因素

　　從其密封機制來看，在指定結構和材料的情況下，影響環(huán)形金屬密封總成密封性能的主要因素有:

　　(1) 密封面粗糙度。密封面表面粗糙度過大時，在額定密封驅動壓力下，密封表面的塑形變形不足以填滿泄漏通道，管柱內的流體會發(fā)生泄漏。如果密封接觸面上產(chǎn)生了超過屈服強度兩倍的塑性變形，接觸面發(fā)生永久變形，金屬開始流動，填平密封面表面的缺陷，將泄漏通道堵住。

　　(2) 密封面比壓。比壓過小，則密封面封閉環(huán)產(chǎn)生的反力小于管柱內流體的壓力，容易引起穿漏;比壓過大，密封面的壓縮變形量較大，容易導致密封組件的失穩(wěn)和損壞。合理的密封面比壓能夠提高環(huán)形金屬密封總成的可靠性。

　　(3) 密封面寬度。理想狀態(tài)下，密封的可靠性與密封面寬度無關。但在實際情況中，密封副接觸面不能完全吻合，如果密封面寬度過窄，則不能形成封閉環(huán); 如果增加密封面寬度，則需要增大環(huán)形金屬密封總外驅動力。

　　2、環(huán)形金屬密封總成密封性能分析

　　2.1、環(huán)形金屬密封總成主要組成部分及工作原理

　　環(huán)形金屬密封主要由鎖緊套筒、鎖緊環(huán)、驅動環(huán)、密封環(huán)等組成，其基本結構如圖1 所示。壓力等級為103. 5 MPa，適用水深h≤1 500 m。其密封過程示意如圖2 所示，下放工具將環(huán)形金屬密封總成下放至高壓井口頭，密封環(huán)坐放至套管掛軸肩處。在鉆桿的驅動下，將剪切銷釘6 剪斷，并在驅動環(huán)4 向下移動至合適位移時，將金屬密封環(huán)8 脹開至密封狀態(tài)，內鎖緊環(huán)5 和外鎖緊環(huán)2 分別鎖入套管掛和井口的環(huán)形凹槽，回收下放工具，完成密封。在環(huán)形金屬密封總成下放安裝之前，要對套管掛和高壓井口頭內壁進行清理，減小雜質對密封的影響，并對密封體進行防腐處理，提高密封性能。

環(huán)形金屬密封總成結構