油管掛環(huán)空金屬密封制造技術(shù)研究

郭 駿， 朱生東， 張鵬舉， 袁錦紅， 施 佳

(1.中海石油深海開發(fā)有限公司， 廣州 深圳 518000； 2.美鉆能源科技(上海)有限公司， 上海 200943)

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油管掛環(huán)空金屬密封制造技術(shù)研究

郭 駿1， 朱生東1， 張鵬舉2， 袁錦紅2， 施 佳2

(1.中海石油深海開發(fā)有限公司， 廣州 深圳 518000； 2.美鉆能源科技(上海)有限公司， 上海 200943)

該文根據(jù)水下采油樹的應(yīng)用環(huán)境和要求，對(duì)水下采油樹油管掛環(huán)空金屬密封件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及原理、性能要求、制造工藝等進(jìn)行了技術(shù)分析，并闡述了制造工藝過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)及解決措施。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了油管掛金屬密封的研制，并將其應(yīng)用于采油樹制造項(xiàng)目，產(chǎn)品的各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果表明，其質(zhì)量及性能滿足設(shè)計(jì)要求。

水下采油樹；金屬密封；鎳基合金；壓力自緊密封；金屬?gòu)椥孕阅?；表面鍍銀

0 引言

水下采油樹作為海洋油氣開采過(guò)程中的關(guān)鍵油氣生產(chǎn)控制設(shè)備，是位于海底井口頂端開口處的一個(gè)系統(tǒng)組件，它提供了一系列用于原油生產(chǎn)、控制、測(cè)試及維修的通道和各種用來(lái)測(cè)量和維修的閥門。水下采油樹油管掛環(huán)空金屬密封是位于油管掛與樹本體的環(huán)形空間內(nèi)的一道關(guān)鍵密封，其密封介質(zhì)是從海底地層開采出的具有高溫、高壓及高腐蝕性的原油(氣)，惡劣的工況條件對(duì)密封件的性能提出了很高的要求，其核心制造技術(shù)長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷，我國(guó)一直依賴進(jìn)口。因此，作為水下采油樹關(guān)鍵密封件，有必要對(duì)其進(jìn)行研發(fā)制造。

1 油管掛環(huán)空金屬密封設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)

水下采油樹在油管掛與樹本體之間存在環(huán)形間隙空間(環(huán)空)，當(dāng)生產(chǎn)油氣介質(zhì)水平生產(chǎn)出口時(shí)，必須防止流體從環(huán)形間隙空間泄漏出去，因而在水平生產(chǎn)出口的兩側(cè)分別設(shè)計(jì)了一道雙U型金屬?gòu)椥悦芊饧鳛橹髅芊?，如圖1所示。

圖1 油管掛環(huán)空雙U型彈性金屬密封

油管掛雙U型彈性金屬密封原理如圖2所示，其密封原理是利用金屬?gòu)椥栽诮橘|(zhì)壓力作用下產(chǎn)生彈性形變，使之與密封配合面達(dá)到緊密貼合，從而實(shí)現(xiàn)壓力自緊密封。

圖2 雙U型金屬密封的結(jié)構(gòu)形式

2 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封的設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)上油管掛雙U型金屬密封為油管掛與樹本體之間的環(huán)空主密封，其密封技術(shù)參數(shù)及要求如下：工作壓力為10 000 psi；試驗(yàn)壓力為15 000 psi；產(chǎn)品API規(guī)范等級(jí)為PSL 3/3G；性能測(cè)試為PR2。

要實(shí)現(xiàn)以上設(shè)計(jì)性能，對(duì)密封件材料的熔煉組織和熱處理工藝、密封件的成形加工工藝、表面處理工藝等提出了以下要求：(1) 油管掛環(huán)空金屬密封材料須有良好的彈性及疲勞強(qiáng)度；(2) 油管掛環(huán)空金屬密封材料既能耐高低溫又能耐原油介質(zhì)腐蝕，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)高壓可靠密封。

3 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封的制造技術(shù)方案

3.1 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封的材料選擇

(1) 考慮到油管掛雙U型金屬密封的耐腐性，成形加工性能及金屬?gòu)椥砸?，設(shè)計(jì)采用鎳基合金INCONEL 718作為密封件的材質(zhì)。

(2) INCONEL 718合金是含鈮、鉬的沉淀硬化型鎳鉻鐵合金，在700℃時(shí)具有高強(qiáng)度、良好的韌性以及在高低溫環(huán)境均具有耐腐蝕性，供貨狀態(tài)通常是固溶處理后沉淀硬化態(tài)。

(3) INCONEL 718合金具有良好的耐腐蝕性，易成形加工性能，經(jīng)過(guò)有效的冶煉工藝及熱處理工藝，INCONEL 718合金可獲得良好的細(xì)晶粒組織及彈性性能。

3.2 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封制造工藝流程

油管掛環(huán)空雙U型金屬密封的工藝流程如圖3所示：

圖3 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封的工藝流程

3.3 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封制造關(guān)鍵工藝

(1) 毛胚材料的熔煉、鍛造及熱處理工藝。

(2) 雙U形密封件的成形加工工藝。

(3) 密封件的表面鍍銀處理工藝。

4 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封的制造工藝措施

4.1 毛胚材料的熔煉、鍛造及熱處理

(1) 從設(shè)計(jì)原理上考慮，油管掛雙U型金屬密封屬于金屬?gòu)椥悦芊?，因此要求密封件的材料具有?xì)密的晶粒組織，良好的綜合機(jī)械性能及彈性性能。

(2) 在冶煉工藝方面，為獲得更純凈化的鋼水，減低氣體含量與有害元素含量，通常采用真空感應(yīng)爐熔煉，甚至用真空感應(yīng)冶煉加真空自耗爐或電渣爐重熔方式進(jìn)行生產(chǎn)。鍛造、軋制工藝是為了優(yōu)化微觀組織；熱處理工藝包括固溶處理、中間處理和時(shí)效處理，是為了獲得所要求的組織狀態(tài)和良好的綜合機(jī)械性能。

(3) 通常INCONEL718會(huì)使用以下兩種熱處理：1) 加熱到926℃～1 010℃，水中快速冷卻至室溫，然后升溫至718℃保持8 h，爐內(nèi)冷致函至621℃，在621℃保持18 h作為時(shí)效處理，隨后在空氣中冷卻至室溫；2) 加熱到1 037℃～1 065℃，水中快速冷卻至室溫，然后升溫至760℃保持10 h，爐內(nèi)冷至648℃，在649℃保持20 h作為時(shí)效處理，隨后在空氣中冷卻至室溫。

4.2 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封件的機(jī)械加工

4.2.1 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封件的機(jī)械加工技術(shù)難點(diǎn)

油管掛環(huán)空雙U型金屬密封件，其加工難點(diǎn)在于：

(1) 材質(zhì)INCONEL718的機(jī)加工易引起刀具的嚴(yán)重磨損。

(2) 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封零件的整體剛性小，不僅在用工裝夾持時(shí)容易產(chǎn)生夾持變形，切削加工時(shí)切削力也會(huì)引起工件彈性變形，影響尺寸精度。

4.2.2 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封件的機(jī)械加工措施

(1) 改善刀具磨損的工藝措施

1) 為解決鎳基合金機(jī)加工的刀具磨損問(wèn)題，可采用最新發(fā)展的氣相沉積技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)的硬質(zhì)刀具進(jìn)行涂層改性。研究表明，通過(guò)對(duì)硬質(zhì)刀具進(jìn)行(Al/Ti)N-PVD復(fù)合涂層以及PVD納米涂層改性，使刀具具有更好的耐磨性能、抗氧化性、化學(xué)穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性，從而顯著提高了刀具的使用壽命及工件的加工質(zhì)量。

2) 新型的PVD復(fù)合涂層及納米涂層改性技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：

(a) 新型的氣相沉積復(fù)合涂層及納米涂層與刀具有很強(qiáng)的結(jié)合強(qiáng)度；

(b) 新型的氣相沉積復(fù)合涂層及納米涂層改善了刀具的熱傳導(dǎo)性能；

(c) 新型的氣相沉積復(fù)合涂層及納米涂層不僅提高了刀具切削刃的硬度，增強(qiáng)了抗氧化性，同時(shí)還降低了其與被切削金屬的親和力，從而改善了刀具的抗粘著磨損。

(2) 防止加工變形的工藝措施

1) 工藝分析

雙U形油管掛金屬密封件外形(如圖4所示)呈現(xiàn)一大直徑薄壁圓環(huán)結(jié)構(gòu)，整體剛度弱，加工時(shí)的切削力往往造成被加工件的彈性變形，產(chǎn)生振刀，從而影響加工的尺寸精度。為此，在不同的加工階段，必須采用相應(yīng)的工裝夾具來(lái)裝卡被加工的密封件，以增大其剛度，從而確保其加工的尺寸穩(wěn)定性。

圖4 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封的外形

2) 加工步驟

第一步：用機(jī)床卡盤、壓板及拉桿卡住工件毛胚，加工出一端端面及圓環(huán)內(nèi)周型面，并以此作為基準(zhǔn)面，如圖5所示。

圖5 卡盤裝夾加工出基準(zhǔn)面

第二步：以已加工面為基準(zhǔn)，用內(nèi)撐式自定心卡盤、壓板及拉桿螺栓將工件裝卡固定于機(jī)床花盤或與機(jī)床旋盤連接，分別加工出兩頭端面外形及U形槽，如圖6所示。

圖6 加工端面及U形槽

第三步：將自制專用撐環(huán)撐住U形槽的內(nèi)圓面，并利用壓板、拉桿螺栓和自定心卡盤等工裝將工件固定于花盤或旋盤，加工出外形面，如圖7所示。

圖7 加工外形面

3) 加工工裝

為防止由于夾具的夾持力過(guò)大而引起的夾持變形，加工薄壁零件往往采用多點(diǎn)軟爪夾持、擺動(dòng)夾持、彈性?shī)A持或真空夾持的裝夾措施，使夾持力更加均勻，從而減小夾持變形引起的加工尺寸誤差。

4.3 油管掛雙U型金屬密封的表面處理

(1) 油管掛雙U型金屬密封是在介質(zhì)的壓力下依靠金屬的彈性實(shí)現(xiàn)金屬間的緊密貼合，從而實(shí)現(xiàn)密封。為了達(dá)成金屬之間良好的緊密貼合效果，往往還在金屬密封面上鍍一層較軟的金屬。

(2) 對(duì)油管掛雙U型金屬密封的密封面，其表面處理措施采取表面鍍銀工藝。其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)有：

1) 密封件表面鍍銀,使用時(shí)能增強(qiáng)密封性能，還能防粘著，抗咬合。

2) 鍍銀層有良好的抗腐蝕性。

3) 鍍銀層良好的導(dǎo)電性保證了陰極保護(hù)的連續(xù)性。

(3) 鍍銀工藝路線

鍍銀工藝流程如圖8所示：

圖8 鍍銀工藝流程

(4) 鍍銀工藝質(zhì)量的主要影響因素

1) 鍍銀工序前的預(yù)處理工序質(zhì)量決定影響鍍銀層的結(jié)合強(qiáng)度。

2) 鍍銀工序后的鈍化及防變色保護(hù)膜處理工序質(zhì)量對(duì)鍍銀層的抗變色及抗氧化性能影響顯著。

3) 電鍍液的成分配制及雜質(zhì)含量，電流密度，電鍍液的溫度等工藝參數(shù)直接影響鍍層性能。

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封制造技術(shù)關(guān)鍵在于毛胚材料的熔煉、鍛造及熱處理，密封件機(jī)械加工以及表面處理。

(2) INCONEL 718合金具有良好的耐腐蝕性，易成形加工性能，經(jīng)過(guò)有效的冶煉工藝及熱處理工藝，可獲得良好的細(xì)晶粒組織及彈性性能。

(3) 采用最新發(fā)展起來(lái)的氣相沉積技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)的硬質(zhì)刀具進(jìn)行涂層改性，可解決鎳基合金機(jī)加工的刀具磨損問(wèn)題。

(4) 密封件表面鍍銀，能增強(qiáng)密封性能，還能防粘著，抗咬合。

(5) 采用特殊工裝夾具來(lái)加工薄壁的金屬?gòu)椥悦芊饧栽龃笃鋭偠?，可確保加工尺寸穩(wěn)定性。

[1] ISO 13628-4.水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作—第4部分：水下井口裝置和采油樹設(shè)備[S].2010.

[2] ISO 10423.石油和天然氣工業(yè)—鉆井和采油設(shè)備—井口裝置和采油樹設(shè)備[S].2009.

[3] ISO 15156.石油和天然氣工業(yè)—油氣開產(chǎn)中用于含硫化氫(pS)環(huán)境下的材料[S].2009.

[4] 汪治軍.彌散型高強(qiáng)度鎳基高溫彈性合金[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2004，14(3)：78-79.

[5] 趙劍,譚永華.自緊式K型金屬密封組件密封特性研究[J].火箭推進(jìn)，2013，39(6)：35-41.

[6] 李劉合.用于加工Inconel718的切削刀具發(fā)展現(xiàn)狀[J].工具技術(shù)，2010，49(5)：3-12.

[7] 岳錫芬.減少回轉(zhuǎn)體零件夾持變形的幾種方法[J].機(jī)械工程師，2005，37(12)：145-146.

[8] 鄧正平.鎳基高溫合金鍍銀工藝[J].電鍍與精飾，2001，29(1)：25-26.

[9] 楊忠.光亮鍍銀層防變色處理工藝[J].機(jī)電元件，1993，13(2)：9-13.

Research on Manufacturing Technology of Tubing Hanger Annular Metal Seal

GUO Jun1, ZHU Sheng-dong1, ZHANG Peng-ju2, YUAN Jin-hong2， SHI Jia2

(1.China National Offshore Oil Corporation， Guangdong Shenzhen 518000，China；2.MSP/DRILEX(Shanghai)Co., Ltd， Shanghai 200943，China)

According to the applied environment and requirements of the subsea Christmas tree, this article conducted a technical analysis on the construction, designed principle, performance requirements and process technology of the tubing hanger annular metal seal on subsea Christmas tree, in addition, an elaborating of the technical difficulties and solving measures during manufacturing process was given in this article .On this basis, the specimen of the metal seal for the tubing hanger has been developed and applied to the subsea Christmas tree project. The results of every relevant test indicated that the quality and performance of the metal seal is capable of meeting the design requirements.

subsea christmas tree; metal seal; nickel-based alloys; pressure self-tight seal;elastic properties of metals;silver planting

2015-10-22

郭 駿(1978-)，男，工程師。

1001-4500(2016)01-0012-05

TE95

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