吳繼媛

(南方科技大學(xué)，廣東 深圳 518055)

水下生產(chǎn)系統(tǒng)具有建設(shè)周期短、開(kāi)發(fā)成本低、適用范圍廣、開(kāi)發(fā)效益高的顯著優(yōu)勢(shì)，已成為經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)深水油氣資源重要技術(shù)手段，得到了各國(guó)石油公司的廣泛關(guān)注。當(dāng)前，我國(guó)海洋油氣開(kāi)發(fā)所用水下油氣裝備幾乎全部依賴進(jìn)口，嚴(yán)重影響了我國(guó)深海油氣資源開(kāi)發(fā)[1]。因此，開(kāi)展水下油氣裝備國(guó)產(chǎn)化對(duì)于維護(hù)國(guó)家能源安全，實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略具有重要意義。

水下井口系統(tǒng)是水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)裝備，井井必用。環(huán)空金屬密封總成作為水下井口頭系統(tǒng)的核心密封，其密封性能的優(yōu)劣和可靠性直接影響整個(gè)海洋石油開(kāi)采的安全性和可靠性[2-3]，一旦失效，輕則影響生產(chǎn)，重則導(dǎo)致災(zāi)難性事故，因此，環(huán)空金屬密封技術(shù)是水下井口國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中的重要攻關(guān)項(xiàng)點(diǎn)，亦是水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。

作為全球水下井口市場(chǎng)的國(guó)外少數(shù)廠商，已具備成熟的環(huán)空密封總成研發(fā)及測(cè)試能力，但基于商業(yè)保密需求，目前并未查詢到相關(guān)公開(kāi)的水下井口環(huán)空密封研究文獻(xiàn)，且各家環(huán)空密封均是定制開(kāi)發(fā)，只能用于自家產(chǎn)品，其密封結(jié)構(gòu)、材料及機(jī)理均存在較大差異。

目前，國(guó)內(nèi)已有部分學(xué)者及研究人員對(duì)水下井口環(huán)空金屬密封技術(shù)進(jìn)行了初步探索，并取得了一定成果。如肖文生等[4]提出了多級(jí)金屬密封結(jié)構(gòu)的密封總成，利用有限元分析軟件對(duì)密封部件、鎖緊單元進(jìn)行了強(qiáng)度分析，并對(duì)密封性能進(jìn)行了有限元分析評(píng)價(jià)；侯超等[5]結(jié)合有限元密封分析，對(duì)環(huán)空金屬密封的密封機(jī)理進(jìn)行了闡述；秦浩智等[6]通過(guò)系列化設(shè)計(jì)方法和金屬密封機(jī)理研究，結(jié)合有限元分析，確定了密封總成系列化設(shè)計(jì)原則和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提出了密封總成系列化設(shè)計(jì)方法；而陳家旺等[7]通過(guò)對(duì)滑環(huán)組合密封件進(jìn)行建模仿真，得到不同介質(zhì)壓力下的密封接觸面的壓力曲線，并進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。

通過(guò)前期研究，國(guó)內(nèi)研究人員在環(huán)空金屬密封總成的密封設(shè)計(jì)、密封機(jī)理等方面已基本形成共識(shí)，但性能評(píng)價(jià)方面仍存在一定完善空間：一方面，性能評(píng)價(jià)輸入條件僅考慮了測(cè)試壓力，缺乏該密封的另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)——溫度的影響分析；另一方面，性能評(píng)價(jià)手段單一，大多僅是通過(guò)理論計(jì)算或有限元分析方式，缺乏實(shí)物測(cè)試。因此，開(kāi)展考慮高低溫影響因素的環(huán)空金屬密封總成性能分析研究，完善評(píng)價(jià)手段，對(duì)于掌握水下油氣裝備密封核心技術(shù)、突破水下井口系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化具有重要意義，同時(shí)亦可為該領(lǐng)域其它密封設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

1 環(huán)空金屬密封總成簡(jiǎn)介

環(huán)空密封總成是水下井口系統(tǒng)的核心組成，安裝在高壓井口頭和套管懸掛器之間的環(huán)形空間內(nèi)，為高壓井口頭和各層套管之間的環(huán)形空間提供壓力封隔。

考慮水下井口服役周期長(zhǎng)(設(shè)計(jì)壽命不小于20年)、作業(yè)環(huán)境惡劣，當(dāng)前主流環(huán)空密封均采用金屬對(duì)金屬密封，密封類型是金屬接觸式密封。該類密封的工作原理是利用密封體材料發(fā)生塑性變形阻止密封介質(zhì)泄漏，接觸面應(yīng)力達(dá)到較軟材料屈服強(qiáng)度的2～3倍，使較軟密封體產(chǎn)生局部變形來(lái)填充密封副之間的微小間隙，從而達(dá)到密封效果[8]。環(huán)空金屬密封總成密封驅(qū)動(dòng)環(huán)擠壓金屬密封圈，壓迫密封凸起發(fā)生塑性變形，與高壓井口頭/套管懸掛器產(chǎn)生較高接觸壓力，進(jìn)而形成高壓密封。為滿足水下裝備密封的高可靠性要求，一般金屬密封圈內(nèi)外側(cè)均設(shè)置了多道密封凸起，達(dá)到冗余密封的效果。

典型環(huán)空金屬密封總成結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)前主流技術(shù)指標(biāo)：壓力等級(jí)10 000 psi(69 MPa)、材料等級(jí)EE級(jí)(不銹鋼)、溫度等級(jí)U級(jí)(-18°C～121°C)。

圖1 環(huán)空金屬密封總成結(jié)構(gòu)組成示意Fig. 1 Schematic diagram of annular metal seals structure

2 考慮高低溫影響因素的密封分析及驗(yàn)證方法

常規(guī)金屬密封總成性能評(píng)價(jià)以理論計(jì)算或有限分析為主，其主要流程為：依據(jù)金屬密封總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，結(jié)合材料選型及測(cè)試壓力，建立密封計(jì)算理論模型或有限元模型，計(jì)算密封凸起接觸面壓應(yīng)力及結(jié)構(gòu)應(yīng)變情況，進(jìn)而得出密封性能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)價(jià)結(jié)論，再根據(jù)該結(jié)果優(yōu)化密封設(shè)計(jì)方案，直至形成最終性能評(píng)價(jià)結(jié)論。

但上述金屬密封總成性能評(píng)價(jià)方法仍存在一定完善空間：1)全面性不足。性能評(píng)價(jià)輸入條件只有測(cè)試壓力，但對(duì)于該密封而言，除了壓力等級(jí)外，溫度等級(jí)亦是關(guān)鍵性能指標(biāo)，因此，缺乏不同溫度下的密封性能及結(jié)構(gòu)承載的準(zhǔn)確分析，性能評(píng)價(jià)不全面。2)準(zhǔn)確性不足。密封性能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)證手段單一，大多僅是通過(guò)理論計(jì)算或有限元分析方式，缺乏實(shí)物試驗(yàn)，分析結(jié)果準(zhǔn)確性有待驗(yàn)證。

鑒于此，提出了考慮高低溫影響因素的環(huán)空金屬密封總成性能分析方法，在前期性能評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，輸入條件增加溫度參數(shù)，更加全面地評(píng)價(jià)其綜合性能；同時(shí)，升級(jí)性能評(píng)價(jià)手段，構(gòu)建“有限元分析+室內(nèi)測(cè)試+無(wú)損探傷”的金屬密封性能評(píng)價(jià)流程，各評(píng)價(jià)手段相互修正，形成更加系統(tǒng)、準(zhǔn)確的金屬密封性能評(píng)價(jià)體系。具體流程如圖2所示。

圖2 金屬密封總成性能分析流程(虛線部分為改進(jìn)后新增項(xiàng)點(diǎn))Fig. 2 Flow chart of metal seal assembly performance evaluation (new additions for improvement in dashed line part)

3 考慮高低溫環(huán)境溫度的金屬密封總成有限元分析

3.1 計(jì)算工況

依據(jù)設(shè)計(jì)溫度等級(jí)U級(jí)(-18°C～121°C)，確定計(jì)算工況典型溫度，即常溫(20°C)、設(shè)計(jì)高溫(121°C)、設(shè)計(jì)低溫(-18°C)，分別在上述溫度環(huán)境下施加10 000 psi(69 MPa)內(nèi)壓，評(píng)價(jià)其在不同溫度下的密封性能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖3 金屬密封總成裝配模型及網(wǎng)格模型Fig. 3 Assembly model and mesh model of metal seal assembly

3.2 計(jì)算模型

鑒于金屬密封總成各零件主體均為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，選取軸對(duì)稱計(jì)算模型，且僅保留與密封有關(guān)的零件，提高計(jì)算效率；同時(shí)保留所有密封關(guān)鍵區(qū)域細(xì)節(jié)，確保分析結(jié)果準(zhǔn)確性。依據(jù)密封初始狀態(tài)建立裝配模型，分別建立各零件間接觸對(duì)，定義接觸關(guān)系。

網(wǎng)格劃分：選擇一維的CAX4R四節(jié)點(diǎn)雙線性軸對(duì)稱四邊形縮減積分沙漏控制單元，并進(jìn)行網(wǎng)格收斂性分析，計(jì)算模型單元總數(shù)32 524個(gè)，如圖3所示。

材料參數(shù)：各零件主要材料參數(shù)取值見(jiàn)表1?？紤]到金屬密封圈在密封過(guò)程中局部會(huì)產(chǎn)生塑性變形，需依據(jù)材料拉伸試驗(yàn)獲取真實(shí)應(yīng)力和塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)。

載荷施加及邊界約束：結(jié)合各零件實(shí)際受約束情況，添加邊界條件，同時(shí)內(nèi)腔加載區(qū)域施加69 MPa，內(nèi)腔依次施加溫度邊界-18°C、25°C及121°C。

表1 零件材料及機(jī)械性能Tab. 1 Material and mechanical properties of parts

3.3 計(jì)算結(jié)果

3.3.1 判定準(zhǔn)則

密封性能判定準(zhǔn)則：Pcpress≥C×P=2.0×69 MPa=138 MPa，Pcpress為密封面壓應(yīng)力，P為內(nèi)壓。其中，金屬密封圈左右側(cè)上凸起是密封分析重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，將其接觸面分別建立節(jié)點(diǎn)路徑，分析密封面壓應(yīng)力。如圖4所示建立金屬密封圈關(guān)鍵密封面節(jié)點(diǎn)路徑。

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度判定：局部失效判定(等效塑性應(yīng)變)εpeq≤0.1。

圖4 金屬密封圈關(guān)鍵密封面節(jié)點(diǎn)路徑建立Fig. 4 Node path of key seal face

3.3.2 密封性能評(píng)價(jià)

由圖5分析結(jié)果顯示，以常溫密封接觸面壓應(yīng)力為基準(zhǔn)，Path 1：高溫平均接觸壓應(yīng)力774 MPa，相較于常溫平均接觸壓應(yīng)力(752 MPa)提高3%；低溫平均接觸壓應(yīng)力683 MPa，相較于常溫時(shí)降低9.2%。Path 2：高溫平均接觸壓應(yīng)力699 MPa，相較于常溫平均接觸壓應(yīng)力(618 MPa)提高13.1%；低溫平均接觸壓應(yīng)力506 MPa，相較于常溫時(shí)降低18.1%。

可以看出，設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)(-18°C～121°C)，雖然各溫度條件下的密封性能均滿足設(shè)計(jì)要求，但仍不同程度受到溫度變化的影響。對(duì)金屬密封總成而言，高溫環(huán)境在一定程度上有利于密封性能提高，而低溫則反之。因此，溫度應(yīng)是金屬密封設(shè)計(jì)過(guò)程中不可忽略的關(guān)鍵影響因素，尤其是低溫，對(duì)金屬密封效果影響較大。

圖5 不同溫度下的接觸面壓應(yīng)力分布Fig. 5 Distribution of compressive stress on contact surface at different temperatures

3.3.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)價(jià)

通過(guò)圖6結(jié)果顯示，在環(huán)境溫度及額定內(nèi)壓共同作用下，金屬密封圈各密封凸起及接觸面發(fā)生不同程度的塑性變形，局部區(qū)域塑性變形超標(biāo)。鑒于該金屬密封圈為自緊型密封，其密封機(jī)理決定了密封狀態(tài)下密封凸起必須壓至塑性狀態(tài)，以確保密封效果。結(jié)合應(yīng)變?cè)茍D可以看出，塑性變形超標(biāo)區(qū)域主要產(chǎn)生于部分密封凸起等局部小范圍，密封圈根部等其它應(yīng)力集中區(qū)域塑性應(yīng)變?nèi)栽谠试S范圍內(nèi)，不會(huì)引起結(jié)構(gòu)整體垮塌失效，故該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可以接受。同時(shí)，該結(jié)果亦證明了該類金屬密封圈為一次性產(chǎn)品，密封凸起無(wú)法滿足重復(fù)使用要求。

結(jié)果對(duì)比顯示，計(jì)算工況下結(jié)構(gòu)承載能力仍不同程度受到溫度變化的影響。高溫條件下施加內(nèi)壓時(shí)，高溫產(chǎn)生的熱膨脹效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致金屬密封圈等效塑性應(yīng)變?cè)龃?最大值0.129)，但與常溫條件相差不大(最大值0.118)；低溫(-18°C)條件下施加額定內(nèi)壓時(shí)，金屬密封圈等效塑性應(yīng)變與常溫條件一致。由此可以看出，高溫環(huán)境對(duì)金屬密封結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生更大影響。

圖6 三種溫度條件下金屬密封圈PEEQ云圖Fig. 6 PEEQ distribution map of metal seal ring under three temperatures

3.4 有限元分析結(jié)論

1)計(jì)算工況下，金屬密封圈與關(guān)聯(lián)部件建立了可靠的密封環(huán)面，密封性能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，但仍不同程度受到溫度變化的影響，其中，低溫對(duì)密封性能影響較大，高溫對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大。

2)建議開(kāi)展高低溫壓力循環(huán)試驗(yàn)，并在測(cè)試結(jié)束后對(duì)密封件表面實(shí)施無(wú)損探傷，檢驗(yàn)其應(yīng)力超標(biāo)區(qū)域是否產(chǎn)生影響結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度裂紋缺陷，進(jìn)一步評(píng)價(jià)金屬密封總成性能。

4 金屬密封總成高低溫壓力循環(huán)測(cè)試

4.1 測(cè)試方案

測(cè)試條件：溫度-18°C～121°C，壓力69 MPa，介質(zhì)N2。驗(yàn)收準(zhǔn)則：每小時(shí)保壓壓降小于5%。測(cè)試設(shè)備：氣壓測(cè)試系統(tǒng)(0～160 MPa)、高低溫測(cè)試箱(-420°C～160°C)。測(cè)試方案及工裝如圖7和圖8所示。

依據(jù)API相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，高低溫壓力循序測(cè)試步驟如下[9-10]：

1) 升溫至121°C，測(cè)試壓力69 MPa，保壓至少1小時(shí)；

2) 降溫至-18°C下，測(cè)試壓力69 MPa，保壓至少1小時(shí)；

3) 升溫至121°C過(guò)程中，保持壓力不低于34.5 MPa；

4) 121°C下，測(cè)試壓力69 MPa，保壓至少1小時(shí)；

5) 降溫至-18°C過(guò)程中，保持壓力不低于34.5 MPa；

6) -18°C下，測(cè)試壓力69 MPa，保壓至少1小時(shí)；

7) 升溫至121°C過(guò)程中，保持壓力不低于34.5 MPa；

8) 121°C下，測(cè)試壓力69 MPa，保壓至少1小時(shí)；

9) -18°C下，測(cè)試壓力69 MPa，保壓至少1小時(shí)；

10) 常溫下，測(cè)試壓力69 MPa，保壓至少1小時(shí)；

11) 常溫下，測(cè)試壓力6.9 MPa，保壓至少1小時(shí)。

圖7 測(cè)試工裝及高低溫測(cè)試箱Fig. 7 Testing of tooling and high and low temperature box

圖8 金屬密封總成高低溫測(cè)試Fig. 8 High and low temperature testing of metal seal assembly

4.2 測(cè)試結(jié)果

由圖9結(jié)果顯示，金屬密封總成在各測(cè)試溫度下的保壓壓降均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，溫度仍對(duì)金屬密封的密封性能存在一定影響，尤其是低溫環(huán)境下，保壓壓降明顯更大，對(duì)密封性能產(chǎn)生更大地影響。表2為每步驟測(cè)試結(jié)果展示。

圖9 金屬密封總成高低溫測(cè)試曲線Fig. 9 High and low temperature curve of metal seal assembly

表2 金屬密封總成高低溫測(cè)試結(jié)果
Tab. 2 Results of high and low temperature testing of metal seal assembly

步驟溫度/°C保壓時(shí)間/min保壓起始/MPa保壓結(jié)束/MPa測(cè)試壓降/MPa允許壓降/MPa結(jié)果1)1216071.5071.390.113.45合格2)-186071.6370.101.533.45合格4)1216071.0570.900.153.45合格6)-186071.9770.071.903.45合格8)1216070.2970.160.133.45合格9)-186071.9470.121.823.45合格10)256071.9471.220.723.45合格11)25607.207.2000.35合格

5 金屬密封總成無(wú)損探傷

為進(jìn)一步驗(yàn)證金屬密封件結(jié)構(gòu)承載性能，對(duì)高低溫壓力循環(huán)測(cè)試后的金屬密封件進(jìn)行無(wú)損探傷，結(jié)合零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及可能存在的結(jié)構(gòu)失效形式，選擇著色滲透探傷。檢測(cè)器材：噴罐式溶劑去除型著色滲透檢測(cè)材料。

圖10顯示，壓力測(cè)試后，金屬密封各密封凸起均發(fā)生了不同程度塑性變型，弧形凸起密封面幾乎均被壓為平面，但主體結(jié)構(gòu)良好，未產(chǎn)生塑性變形及結(jié)構(gòu)失效，與數(shù)值分析結(jié)果一致，主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。同時(shí)，該結(jié)果亦驗(yàn)證了該金屬密封為一次性產(chǎn)品，重復(fù)使用密封性能將急劇下降，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量避免。

圖10 金屬密封圈著色探傷Fig. 10 Dye penetration of metal seal ring

6 結(jié) 語(yǔ)

1)溫度是金屬密封設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)過(guò)程中不可忽略的重要影響因素。其中，低溫對(duì)密封性能影響較大，高溫對(duì)密封結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大；

2)設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)，該金屬密封總成的密封性能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，但均不同程度受到溫度變化的影響；

3)相對(duì)于單一密封性能評(píng)價(jià)手段，“理論計(jì)算/有限元分析+室內(nèi)測(cè)試+無(wú)損探傷”的金屬密封總成性能評(píng)價(jià)方法更全面、準(zhǔn)確，亦可為該領(lǐng)域其它密封設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。