水下采油樹油管掛K形金屬密封性能分析

彭粲粲，龔光輝，張開龍，周思柱，段夢蘭

（1.長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北荊州434023；2.重慶前衛(wèi)海洋石油工程設(shè)備有限責(zé)任公司，重慶401121；3.中國石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；）

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水下采油樹油管掛K形金屬密封性能分析

彭粲粲1，龔光輝2，張開龍3，周思柱1，段夢蘭3

（1.長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北荊州434023；2.重慶前衛(wèi)海洋石油工程設(shè)備有限責(zé)任公司，重慶401121；3.中國石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；）

摘要：水下采油樹是水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其中油管懸掛器作為井液的必經(jīng)通道，其密封性能不容忽視。利用ABAQUS軟件對油管懸掛器K形金屬密封建立二維軸對稱模型，對K形密封在預(yù)緊工況以及69MPa介質(zhì)壓力的工作工況下進(jìn)行有限元分析，得出其裝配時(shí)最佳過盈量的范圍以及在此范圍內(nèi)的最大M ISES應(yīng)力、接觸應(yīng)力的分布情況。結(jié)果表明：在工作工況下，K形密封圈的最大M ISES應(yīng)力略大于材料的屈服強(qiáng)度，密封圈發(fā)生了較小的塑性應(yīng)變，其最大接觸應(yīng)力能很好地滿足密封要求，可以實(shí)現(xiàn)密封。

關(guān)鍵詞：水下采油樹；油管懸掛器；K形金屬密封；接觸應(yīng)力；密封性能

近年來，世界各國對油氣資源的依賴愈發(fā)強(qiáng)烈，因陸地資源有限，遠(yuǎn)不能滿足日益增長的油氣需求，水下油氣開采已經(jīng)成為了必然趨勢。水下采油樹是水下油氣開采的主要設(shè)備，而油管懸掛器出油口處的密封技術(shù)是目前采油樹研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于國外對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行封鎖，所以對油管懸掛器出油口處的密封研究迫在眉睫。

油管懸掛器坐放在采油樹內(nèi)，其本體上的密封分別位于出油口的上、下兩側(cè)，既能防止油液外流，還能阻擋外部雜質(zhì)進(jìn)入油管懸掛器內(nèi)部污染原油。生產(chǎn)通道內(nèi)的工作條件相對惡劣，與非金屬密封相比，金屬密封的耐腐蝕、耐壓能力要強(qiáng)很多。K形金屬密封與唇形密封相似，在使用時(shí)與采油樹樹體為過盈配合，所以在安裝時(shí)需要有合理的過盈量，產(chǎn)生一定的預(yù)緊力。

當(dāng)密封件處于工作狀態(tài)時(shí)，工作壓力會擠壓K形密封的唇口部位，使密封表面與被密封部位貼合的壓力增大，密封性能大幅提高。

對于出油口處的密封，擬定使用金屬密封作為主密封，M E C密封作為輔助密封的方式（如圖1），雙重保障。目前，僅有國外幾家石油設(shè)備公司掌握了油管懸掛器密封技術(shù)，例如F M C公司的SB M S（金屬直孔密封）、X E M S（外部激勵密封）、Y H Y形密封，Ca meron公司的M E C密封等［1］。國內(nèi)對采油樹油管掛出油口密封研究較少，2012年由中國石油大學(xué)（華東）李振濤等人［2］自主設(shè)計(jì)了適用于壓力等級為34.5MPa（5 000 psi）工況下的M E C密封，并對其不同工況性能進(jìn)行分析，得出其最佳過盈量范圍以及不同過盈量對密封性能的影響。國內(nèi)對于油管懸掛器采用金屬密封的密封形式尚無研究。本文對K形金屬密封性能進(jìn)行研究，以期為國內(nèi)金屬密封在采油樹油管掛中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

圖1　K形密封圈結(jié)構(gòu)

1 密封性能的判定及研究方法

1.1 判定方法

一般來說，對于密封圈密封性能的研究，主要是研究其接觸應(yīng)力（密封比壓），即比壓大于墊片系數(shù)乘介質(zhì)壓力時(shí)，密封可行；否則是不能密封［3］。但此方法常適用于介質(zhì)壓力小于34.5MPa的工作條件下，當(dāng)介質(zhì)壓力大于34.5MPa時(shí)，此準(zhǔn)則不能使用。中國石油大學(xué)（華東）李振濤在對34.5MPa壓力等級下M E C密封圈設(shè)計(jì)分析時(shí)提出，當(dāng)密封面的接觸應(yīng)力滿足大于密封介質(zhì)壓力3倍的要求，在理論上能形成良好的密封性能［2］。在研究K形密封時(shí)，可使用此標(biāo)準(zhǔn)來判定其密封性能。

1.2 研究方法

目前，對于密封圈的研究方法主要有3種：①試驗(yàn)測試法，直觀可靠、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，但需要專業(yè)的設(shè)備和多規(guī)格芯軸配件；②工程計(jì)算法，簡單有效、應(yīng)用面廣，但對復(fù)雜密封結(jié)構(gòu)存在局限性；③數(shù)值模擬法，技術(shù)先進(jìn)、信息量大［4］。針對K形金屬密封，本文選擇數(shù)值模擬的方法，應(yīng)用ABAQUS有限元軟件對K型密封圈進(jìn)行建模，通過計(jì)算分析確定密封圈安裝過盈量，并對其預(yù)緊及工作工況的M ISES應(yīng)力、接觸應(yīng)力進(jìn)行分析。

2 密封性能有限元分析

2.1 材料選用

由于K形密封圈作用于油管掛出油口位置，該位置工作環(huán)境惡劣，對溫度和壓力都有較高的要求，而且在接觸作用時(shí)接觸表面會發(fā)生一定的塑性變形，在油液的長時(shí)間作用下，其材料必須具有一定的耐腐蝕性。因此，選擇工作溫度范圍較大、屈服強(qiáng)度高、塑性較好以及具有一定耐腐蝕性能的金屬材料才能滿足其要求。在合金領(lǐng)域，目前大量使用的主要還是鐵基、鎳基和鈷基高溫合金。但鐵基高溫合金存在相不穩(wěn)定的趨勢，合金組織可能軟化或者催化，最終導(dǎo)致力學(xué)性能下降；鈷基高溫合金抗熱腐蝕能力強(qiáng)，但大多數(shù)鐵基和鈷基合金的抗氧化性能均比鎳基合金低得多；鎳基高溫合金不僅具有足夠高的耐熱強(qiáng)度、良好的塑性等，其抗熱腐蝕能力也絕不亞于鈷基合金［5-6］。G H 4169合金目前在航天以及石油天然氣領(lǐng)域越來越受到重視，并且根據(jù)1986年統(tǒng)計(jì)，G H 4169年產(chǎn)量占整個(gè)高溫變形合金的45%［7-8］。因此，選用G H 4169合金為K形密封圈的材料，常溫下G H 4169材料屬性及應(yīng)力應(yīng)變曲線如表1和圖2所示。

表1　G H4169常溫下的材料特性

圖2　G H 4169材料常溫下應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2 模型建立

K形金屬密封圈在安裝時(shí)與樹體內(nèi)壁為過盈配合，其預(yù)緊力的大小取決于過盈量的值，在安裝K形金屬環(huán)時(shí)，首先要確定其過盈量。

在ABAQUS中建模使用二維軸對稱模型。預(yù)緊工況下，其模型中設(shè)置3對接觸，即密封圈內(nèi)側(cè)與油管掛外側(cè)接觸、密封圈外側(cè)與樹體內(nèi)側(cè)接觸、密封圈上部與上端擋環(huán)接觸。將上端擋環(huán)和左側(cè)油管掛設(shè)為完全固定，模擬過程中約束右側(cè)樹體的y軸位移以及z方向的旋轉(zhuǎn)，向x軸負(fù)方向施加位移載荷。網(wǎng)格采用4節(jié)點(diǎn)雙線性對稱四邊形單元C A X4 R，為了減小計(jì)算量，對于主要研究的K形密封，網(wǎng)格選擇尺寸0.1，油管掛、樹體及擋環(huán)選擇尺寸1.0［9-10］。密封圈的約束條件、載荷以及網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3　加載、邊界條件及網(wǎng)格模型

2.3 密封性能分析

在預(yù)緊工況下，對K形密封圈外側(cè)施加0.5mm的位移載荷，其M ISES應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4　0.5mm過盈量的M ISES應(yīng)力分布

在ABAQUS后處理中，可提取出最大M ISES應(yīng)力處節(jié)點(diǎn)受到的位移載荷與M ISES應(yīng)力的變化關(guān)系，取此節(jié)點(diǎn)，提取出其關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5　預(yù)緊工況位移載荷與最大M ISES應(yīng)力變化曲線

圖4表明密封環(huán)在0.5mm過盈量下，最大應(yīng)力值為986.5MPa，最大M ISES應(yīng)力發(fā)生位置在密封圈外唇口的內(nèi)側(cè)圓環(huán)處，且上下兩側(cè)受力及變形一致。

由圖5可知：K形密封圈壓縮量從0增加到0.02mm時(shí)，密封圈的最大M ISES應(yīng)力增加較明顯，之后緩慢增加到最大。

K形密封圈在工作工況下，密封圈底部受到的壓力最大為69MPa。在此壓力下，使用不同的過盈量來進(jìn)行分析計(jì)算，此處選擇從0.1～0.5mm取點(diǎn)的方法來施加位移載荷，其過盈量與最大M ISES應(yīng)力關(guān)系如圖6所示。結(jié)果表明：過盈量從0.10mm加至0.15mm時(shí)，其最大M ISES應(yīng)力略微減小，是因?yàn)镸ISES應(yīng)力最大處從密封圈的開口環(huán)中心變化到外唇口的內(nèi)側(cè)表面（如圖7）。當(dāng)過盈量達(dá)到0.35mm之后，其最大MISES應(yīng)力均為1 310MPa，最大M ISES應(yīng)力已經(jīng)超過材料的屈服強(qiáng)度進(jìn)入塑性階段，其最大塑性應(yīng)變?yōu)?.018。因此，過盈量上限取定為0.34mm。

圖6　0.1～0.5mm過盈量最大M ISES應(yīng)力變化曲線

圖7　最大M ISES應(yīng)力位置

圖8為預(yù)緊工況過盈量0.5mm時(shí)密封圈的接觸應(yīng)力分布圖。結(jié)果表明：其最大接觸應(yīng)力出現(xiàn)在K型密封圈外側(cè)唇口與采油樹樹體表面接觸的表面，最大接觸應(yīng)力為81.35MPa?？稍诤筇幚碇刑崛〕銎渥畲蠼佑|應(yīng)力與過盈量的變化曲線。

圖8　預(yù)緊工況下0.5mm過盈量密封圈接觸應(yīng)力分布

最大接觸應(yīng)力隨過盈量變化曲線如圖9所示，可以看出：密封圈的接觸應(yīng)力隨過盈量的增加而增大。由于K形密封在安裝時(shí)需要一定的過盈量來實(shí)現(xiàn)初始密封，但在機(jī)械加工中存在可能的誤差，給定的過盈量太小會導(dǎo)致密封圈形變過小，難以填滿密封面的凹凸面而造成泄露，因此選擇0.2mm為其初始過盈量的下限，此時(shí)其接觸應(yīng)力為43.3MPa。

圖9　最大接觸應(yīng)力隨過盈量變化曲線

以上結(jié)果表明K形金屬密封圈的最佳過盈量為0.20～0.34mm。

在0.20～0.34mm的過盈量條件下，對K形密封圈下端施加69MPa的介質(zhì)壓力，可得到其最大M ISES應(yīng)力以及最大接觸應(yīng)力與過盈量的變化關(guān)系，如圖10所示。

圖10　過盈量與最大M ISES應(yīng)力、最大接觸應(yīng)力關(guān)系曲線

圖10表明了K形密封圈的過盈量在0.20～0.34mm時(shí)，其M ISES應(yīng)力與接觸應(yīng)力均成逐漸增加的趨勢，且其接觸應(yīng)力為394.3～449.0MPa。

3 結(jié)論

1） 通過對K形密封在不同過盈量下的性能進(jìn)行分析得出其接觸應(yīng)力為394.3～449.0MPa，用此結(jié)果與介質(zhì)壓力（69MPa）的3倍進(jìn)行對比，結(jié)果表明其接觸應(yīng)力均能滿足此判定方法下的密封要求。

2） 建立了K形密封圈的二維軸對稱模型，通過分析不同過盈量對預(yù)緊工況以及工作工況的最大M ISES應(yīng)力、接觸應(yīng)力的影響情況，最終得出其最佳裝配過盈量為0.20～0.34mm。

3） 分析了在0.20～0.34mm的裝配過盈量情況下，K形密封圈的最大M ISES應(yīng)力和接觸應(yīng)力變化情況，得出在此范圍內(nèi)，最大M ISES應(yīng)力略大于材料的屈服極限，材料進(jìn)入塑性變形階段，且當(dāng)過盈量為0.34mm時(shí)其最大應(yīng)變?yōu)?.009 2，最大應(yīng)力與最大應(yīng)變均發(fā)生在密封圈外側(cè)唇口的內(nèi)表面拐角處。并且，在此過盈量范圍內(nèi)，密封圈最小接觸應(yīng)力為394.3MPa，最大為449.0MPa，均能滿足密封要求。

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Analysis on Sealing Performance of K-shaped Metal Seal Used in Subsea X-tree Tubing Hanger

PENG Cancan，GONG Guanghui，ZHANG Kailong，ZHOU Sizhu，DUAN Menglan
（1.Collegeof Mechɑnicɑl Engineering，Yɑngtze Uniυersity，Jingzhou 434023，Chinɑ；2.Chongqing Qiɑnwei Science ɑnd Technology Group Co.，Ltd.，Chongqing 401121，Chinɑ；3.Offshore Oil ɑnd Gɑs Reseɑrch Center，Chinɑ Uniυersity of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，Chinɑ）

Abstract：The X-tree is a significant equip ment in the subsea production system. As a channel of the oil，sealing performance of the tubing hanger cannot be ignored. The paper established the two-dimensional axisymmetric model of k-shaped seal which used in the tubing hanger with ABAQUS. The finite element analysis in preload conditions and the working conditions with a pressure of 69MPa was carried out. The optional magnitude ofinterference in assem bly processing，the maxim umm ISES stress and contact stress distribution in this range was obtained. According to the results，the maxim umm ISES stress of the k-shaped seal was slightly larger than the yield limit and a small plastic strain occurred on the sealing ring. The maximum contact stress pressure can satisfy the requirement very well.

Key Words：subsea X-tree；tubing hanger；K-shaped metal seal；contact stress；sealing performance

作者簡介：彭粲粲（1991-），男，河南信陽人，碩士研究生，主要從事海洋石油裝備設(shè)計(jì)研究，E-mail：429154176 @ qq.com。

基金項(xiàng)目：國家發(fā)改委2013年海洋工程裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)“水下采油樹研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”（發(fā)改辦高技［2013］1764號）

收稿日期：2015-07-23

文章編號：1001-3482（2016）01-0016-05

中圖分類號：T E952

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.01.004