不同成形工藝對金屬密封件坐封效果的影響

王志堅(jiān) 馬 震 陳 巖 張士宏 宋鴻武

1.沈陽航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，沈陽，110136 2.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽，110016

0 引言

我國不同產(chǎn)業(yè)對油氣資源的消耗不斷增長，但我國的油氣資源多儲(chǔ)藏于深層[1-2]，使得油氣開采的難度大，機(jī)井深度不斷加深，所出現(xiàn)的井下溫度和壓力問題嚴(yán)重，同時(shí)還伴隨著化學(xué)腐蝕現(xiàn)象[3-4]。在深層油氣資源勘探環(huán)節(jié)中，橋塞作為重要的基礎(chǔ)工件，是采油工作的重要支撐[5-6]?，F(xiàn)階段多數(shù)企業(yè)將聚四氟乙烯作為橋塞的密封材料，這種材料容易遭受化學(xué)腐蝕和高溫作用而發(fā)生性質(zhì)的變化[7-8]。

21世紀(jì)初，俄羅斯學(xué)者提出使用金屬材料取代傳統(tǒng)橡膠材料實(shí)現(xiàn)橋塞的密封，這種方法利用易熔金屬在高溫環(huán)境中熔點(diǎn)較低的特性實(shí)現(xiàn)密封，易熔金屬冷卻后將變成致密的金屬固體，繼而達(dá)到密封效果,解封或修復(fù)焊接裂口時(shí)只需重復(fù)加熱工序即可[9]。Z形密封技術(shù)最初是由Baker企業(yè)提出的一種新型金屬密封技術(shù)，它通過壓力環(huán)境驅(qū)動(dòng)金屬材料產(chǎn)生膨脹進(jìn)而實(shí)現(xiàn)密封[10]。在我國大慶油田項(xiàng)目研究工作中，研究人員提出使用Ni-Ti合金材料作為橋塞的密封體，該合金材料在低溫環(huán)境(38～70 ℃)下恢復(fù)率為百分之百，同時(shí)彈性變形限制在8%范圍內(nèi)，不過這種技術(shù)仍處于試驗(yàn)室研究階段[11-12]。因此，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的橋塞金屬密封件具有重要意義。

本文針對當(dāng)前整體機(jī)加工成形制造橋塞金屬密封件過程中，坐封環(huán)節(jié)容易出現(xiàn)薄壁圓弧表面裂紋缺陷的問題進(jìn)行分析，通過裂紋成因的研究，提出了一種新型液壓成形技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)良好的金屬密封件制造效果。

1 機(jī)加工成形金屬密封件坐封試驗(yàn)和缺陷分析

新型橋塞金屬密封件采用316L不銹鋼材料。金屬密封件為最大外緣直徑110 mm、內(nèi)徑85 mm的大通徑結(jié)構(gòu)，坐封之后最大徑向變形量可達(dá)7.3 mm。

1.1 坐封試驗(yàn)

首先進(jìn)行整體機(jī)加工成形的金屬密封件坐封試驗(yàn)， 試驗(yàn)使用內(nèi)部直徑參數(shù)為124 mm的N80型號(hào)石油外套管，采用外徑參數(shù)為84 mm 的7075型號(hào)鋁合金材料中心管完成裝配工作，具體效果見圖1a。采用的液壓工藝需要在WEW-D電伺服智能液壓機(jī)上實(shí)現(xiàn)坐封過程，其過程如圖1b所示；密封件在軸向載荷作用下將會(huì)呈現(xiàn)弧形擴(kuò)張，隨著壓力的提高，最大外徑處將產(chǎn)生變形并與外部管件實(shí)現(xiàn)密封，進(jìn)而完成坐封過程，如圖1c所示。

(a)裝配 (b)加載過程 (c)坐封后圖1 坐封試驗(yàn)方式和結(jié)果Fig.1 The setting experimental method and result

1.2 缺陷分析

對坐封后的金屬密封件進(jìn)行觀察，經(jīng)過傳統(tǒng)機(jī)加工成形技術(shù)制造的密封件容易在薄壁弧形處出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致最終密封性不好，如圖2所示。

圖2 機(jī)加工成形金屬密封件坐封試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 The results of setting test by machining

采用有限元方法對密封件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，能夠?qū)γ芊饧馐芰η闆r實(shí)現(xiàn)很好的模擬，如圖3a所示。圓弧形外表面產(chǎn)生的X、Z方向應(yīng)力模擬值最小σmin=1749.39 MPa。通過數(shù)值模擬技術(shù)對坐封受力過程進(jìn)行模擬，可以看出，密封面拱形圓弧近似為曲梁，而其他組件部分將會(huì)對其產(chǎn)生等效軸力以及彎矩，受力情況如圖3b所示。隨著軸向荷載F的增大，產(chǎn)生的應(yīng)力和彎矩也將增大，表現(xiàn)為曲梁彎曲程度提高。壓力達(dá)到特性閾值后將發(fā)生圖3c所示的轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，變形槽以A為中心產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，圖3c中AB1線段為半徑，將轉(zhuǎn)動(dòng)角度定義為α，B1點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)至B2點(diǎn)。拱形薄壁表面徑向最低位置將朝向轉(zhuǎn)動(dòng)徑向產(chǎn)生一定的擴(kuò)張，繼而形成拱形薄壁徑向彎曲。這種變形過程直接決定了坐封受力環(huán)節(jié)中始終處于應(yīng)力狀態(tài)。

(a)最大等效塑性應(yīng)變

(b)等效受力

(c)力學(xué)分析圖3 金屬密封件坐封受力分析Fig.3 The stress analysis of metal seal setting

傳統(tǒng)機(jī)加工成形的表面是彈性塑性變形以及熱與力等因素作用的結(jié)果[13]。金屬密封件在加工環(huán)節(jié)中，因?yàn)闄C(jī)床振動(dòng)等因素的影響，將對密封面處的金屬表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的作用，進(jìn)而引發(fā)毛刺等現(xiàn)象，如圖4a所示。由機(jī)加工成形工藝引起的表面層變形以及毛刺問題，將進(jìn)一步導(dǎo)致密封件表面發(fā)生晶界開裂問題，不利于制作的金屬密封件密封性能的提高，如圖4b所示。

(a)坐封前

(b)坐封后圖4 機(jī)加工成形金屬密封件坐封前后組織形貌Fig.4 Microstructures of metal seal by machining with and without setting

綜上，使用傳統(tǒng)的機(jī)加工成形工藝進(jìn)行金屬密封件的加工，在加工過程中容易造成密封件表面組織的損壞；金屬密封件在坐封過程中密封面長期處于拉應(yīng)力的受力狀態(tài)，是引發(fā)密封面處裂紋的主要原因。

2 金屬密封件液壓成形試驗(yàn)及結(jié)果分析

經(jīng)過上文的分析，在塑性成形能夠很好地避免表面缺陷問題這一基礎(chǔ)上[14]，提出一種液壓成形工藝技術(shù)，通過試驗(yàn)對其坐封效果進(jìn)行分析。

2.1 金屬密封件液壓成形試驗(yàn)

金屬密封液壓成形工藝相關(guān)流程如圖5所示。首先需要采用機(jī)加工工藝獲得金屬密封件液壓成形管坯組件，實(shí)現(xiàn)過程如圖5a所示。隨后需要通過液壓成形技術(shù)進(jìn)行薄壁圓弧的加工，實(shí)現(xiàn)過程如圖5b所示。最后，需要使用機(jī)加工成形技術(shù)完成構(gòu)件其余部分的制造，最終實(shí)現(xiàn)的構(gòu)件完整結(jié)構(gòu)如圖5c所示。

(a)管坯 (b) 液壓成形(c)金屬密封件圖5 液壓成形工藝路線Fig.5 The hydraulic forming process

金屬密封液壓成形制造過程是在2000 t智能控制液壓機(jī)上實(shí)現(xiàn)的，該模具主要結(jié)構(gòu)由內(nèi)型腔、沖頭等部分共同構(gòu)成，具體見圖6。液壓成形技術(shù)能夠通過增壓的方法，也就是借助沖頭以及內(nèi)部的液體實(shí)現(xiàn)密封件型腔壓力的提升，驅(qū)動(dòng)密封件形成薄壁圓弧形狀。通過MSC.Marc有限元分析模擬技術(shù)進(jìn)行了模擬，對壓力以及時(shí)間參數(shù)的多種組合進(jìn)行了對比試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

(a)模具

(b)液壓機(jī)圖6 金屬密封件液壓成形試驗(yàn)Fig.6 Hydraulic forming test of metal seal

123456成形壓力(MPa)150150165165180180保壓時(shí)間(s)510510510模擬結(jié)果回彈回彈回彈回彈略微回彈略微回彈試驗(yàn)結(jié)果未完全成形未完全成形未完全成形未完全成形成形較好成形較好

對金屬密封件液壓成形展開試驗(yàn)，成形壓力分別設(shè)置為150 MPa和165 MPa、保壓時(shí)間分別為5 s和10 s時(shí)，所制造的密封件容易出現(xiàn)圓弧未完全成形的問題。這說明成形壓力設(shè)置不足，卸載后均存在一定量的回彈現(xiàn)象，這與MSC.Marc 模擬分析結(jié)果比較一致。當(dāng)成形壓力設(shè)置為180 MPa、保壓時(shí)間設(shè)置為5 s和10 s時(shí)，也存在略微的回彈現(xiàn)象，相比成形壓力150 MPa和165 MPa可忽略不計(jì)。 綜上，在對效率以及加工精度衡量的基礎(chǔ)上，最終選定壓力參數(shù)為180 MPa、時(shí)間參數(shù)為5 s，在該參數(shù)組合下得到的金屬密封件密封面拱形薄壁圓弧表面質(zhì)量、形狀等成形性能較好。按照圖1所示的方式進(jìn)行液壓坐封試驗(yàn)，獲得的坐封構(gòu)件能夠有效減少圓弧處裂紋的產(chǎn)生，所制成的構(gòu)件表面質(zhì)量良好(圖7)。

圖7 液壓成形金屬密封件坐封試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 The results of setting test by hydraulic forming

2.2 結(jié)果分析

通過機(jī)加工成形方法獲得的管坯容易出現(xiàn)金屬表面的毛刺以及組織破壞問題，如圖8a所示。液壓成形工藝獲得的密封件圓弧表面處出現(xiàn)較好的流線形以及均勻的致密性，如圖8b所示。使用液壓成形新工藝制造的坐封件能夠獲得光滑的表面，且有效避免了晶面的裂解，實(shí)現(xiàn)密封性的保持，如圖8c所示。

(a)管坯

(b)坐封前

(c)坐封后圖8 金屬密封件液壓成形管坯及坐封前后組織形貌Fig.8 Microstructures of metal seal by hydraulic forming with and without setting

金屬密封件的液壓成形工藝過程分為初始線性加壓以及貼模保壓環(huán)節(jié)。通過有限元分析，能夠?qū)σ簤撼尚喂に囘^程中圓弧表面不同受力點(diǎn)的受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖9所示。

(a)示意圖 (b)X方向

(c)Y方向 (d)Z方向圖9 金屬密封件液壓成形受力分析Fig.9 The stress analysis of metal sealing by hydraulic forming

在初始加壓環(huán)節(jié)，金屬密封管件內(nèi)部液體逐步受到壓縮，導(dǎo)致其內(nèi)部壓力逐漸升高，驅(qū)使管坯向模具逐漸靠近。在此環(huán)節(jié)中，密封面拱形薄壁圓弧外表面存在沿X和Z方向的拉應(yīng)力，其最大值σmax=896.962 MPa，但遠(yuǎn)小于坐封受力變形過程中密封面拱形薄壁圓弧外表面沿X和Z方向產(chǎn)生的拉應(yīng)力最小值σmin=1 749.39 MPa，可以看出液壓成形環(huán)節(jié)中并不會(huì)導(dǎo)致管坯提前破損。

在貼模保壓環(huán)節(jié)，伴隨壓力的逐漸升高，金屬密封面將貼緊模具，此過程將產(chǎn)生預(yù)設(shè)圓弧構(gòu)型。此過程中，內(nèi)部壓力逐漸升高，密封面所承受的Y軸壓力促使X、Z軸方向承受的應(yīng)力逐漸減小，同時(shí)隨著Y軸方向的應(yīng)力逐漸增大，能夠改善表面處的表面變質(zhì)以及破壞現(xiàn)象。

對密封面軸向方向液壓成形前后環(huán)節(jié)的5個(gè)位置進(jìn)行硬度對比分析，對應(yīng)標(biāo)記為1～5組，不同的測量位置需要最大程度上貼近密封面外表面，最終結(jié)果如圖10所示。

圖10 液壓成形前后金屬密封件密封面硬度對比Fig.10 Comparison of the hardness of the sealing surface before and after hydraulic forming

分析獲得的1～5組密封面硬度數(shù)據(jù)可知，液壓成形之前硬度呈直線分布，而在液壓成形之后硬度呈拱形分布。液壓成形之后的硬度較之前的硬度有提高，其中在位置3處硬度值最高，究其原因，在再結(jié)晶溫度以下的液壓成形存在一定的加工硬化，而在密封位置3處成形環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的變形程度最高，所以位置3處硬度的增大最大。

綜上所述，采用液壓成形工藝進(jìn)行金屬密封件的制造，在成形環(huán)節(jié)產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力能夠有效改善機(jī)加工成形過程中的組織變形以及沿晶界方向的開裂等問題，同時(shí)在密封件使用環(huán)節(jié)中不易產(chǎn)生裂紋，能夠延長工作時(shí)間且保證良好的密封性。

3 結(jié)論

(1)機(jī)加工成形方式導(dǎo)致的金屬表面變質(zhì)層和組織破壞等現(xiàn)象，是金屬密封件坐封后密封面拱形薄壁圓弧外表面產(chǎn)生裂紋的根本原因。

(2)基于MSC.Marc模擬和試驗(yàn)分析得出，液壓成形金屬密封件成形壓力為180 MPa、保壓時(shí)間為5 s 時(shí)，所得金屬密封件坐封效果較好。

(3)金屬密封件液壓成形過程中的徑向壓應(yīng)力能夠改善機(jī)加工導(dǎo)致的組織流線破壞等現(xiàn)象，坐封后密封面拱形薄壁圓弧外表面不易產(chǎn)生裂紋，可大大提高最終的坐封效果。

[1] 康玉柱. 中國致密巖油氣資源潛力及勘探方向[J]. 天然氣工業(yè)，2016，36(10)：10-18.

KANG Yuzhu. Resource Potential of Tight Sand Oil & Gas and Exploration Orientation in China[J]. Natural Gas Industry，2016，36(10)：10-18.

[2] 賈承造，鄭民，張永峰. 中國非常規(guī)油氣資源與勘探開發(fā)前景[J]. 石油勘探與開發(fā)，2012，39(2)：129-136.

JIA Chengzao，ZHENG Min，ZHANG Yongfeng. Unconventional Hydrocarbon Resources in China and the Prospect of Exploration and Development[J]. Petroleum Exploration and Development，2012，39(2)：129-136.

[3] BAJUS M. Shale Gas and Tight Oil，Unconventional Fossil Fuels[J]. Petroleum & Coal，2014，56(3)：206-221.

[4] ZOU Caineng，YANG Zhi，ZHU Rukai. Progress in China's Unconventional Oil & Gas Exploration and Development and Theoretical Technologies[J].Acta Geologica Sinica(English Edition)，2015，89(3)：938-971.

[5] POLONSKY V L，TYURIN A P. Design of Packers for Sealing of the Inter-tube Space in Equipment Used for Recovery of Oil and Gas[J]. Chemical & Petroleum Engineering，2015，51(1/2)：37-40.

[6] GARFIELD G L，MACKENZIE G. Recent Metal-to-Metal Sealing Technology for Zonal Isolation：Applications Demonstrates Potential for Use in Hostile HPHT Environments-zonal [C]// SPE/IADC Drilling Conference. Amsterdam, 2007: 10.2118/105854-MS.

[7] 張勁，李煒，張士誠. 封隔器超彈性膠筒力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47(8)：71-76.

ZHANG Jin，LI Wei，ZHANG Shicheng. Experimental Study on Mechanics Properties of Rubber for Packer Sleeve[J]. Journal of Mechanical Engineering，2011，47(8)：71-76.

[8] ZHANG A. Challenges for High-pressure High-temperature Applications of Rubber Materials in the Oil and Gas Industry[M]// Residual Stress，Thermomechanics & Infrared Imaging，Hybrid Techniques and Inverse Problems. Berlin: Springer International Publishing，2016：65-79.

[9] 羅蕊. 含有易熔金屬密封部件的封隔器[J]. 國外油田工程，2001(8)：67.

LUO Rui. Contains the Fusible Metal Sealing Parts Packer[J]. Foreign Oilfield Engineering，2001(8)：67.

[10] 崔曉杰，張瑞，韓峰，等. 金屬對金屬密封組件的有限元分析與試驗(yàn)研究[J]. 石油機(jī)械，2014，42(8)：107-110.

CUI Xiaojie，ZHANG Rui，HAN Feng，et al. Finite Element Analysis and Experimental Study of the Metal to Metal Seal Assembly[J]. China Petroleum Machinery，2014，42(8)：107-110.

[11] 胡玉志，王銳. 大通徑金屬密封封隔器的研究與應(yīng)用[J]. 石油礦場機(jī)械，2005，34(4)：78-80.

HU Yuzhi，WANG Rui. Study and Application of Large Bore Seal Metal Packing[J]. Oil Field Equipment，2005，34(4)：78-80.

[12] ROY S，SADANA A K. Superelastic Nickel-Titanium Alloy Downhole Seals，Wellbore Tools Including Such Seals，and Related Methods:US20160123471[P]. 2016-05-05.

[13] 張鵬程，田黎明. 車削加工對鈹組織與性能的損傷[J]. 稀有金屬，2001(2)：90-93.

ZHANG Pengcheng，TIAN Liming. Effects of Lathe on Microstructure and Mechanical Properties of Beryllium[J]. Chinese Journal of Rare metals，2001(2)：90-93.

[14] 張士宏，徐勇，程明，等. 脈動(dòng)液壓成形技術(shù)與設(shè)備[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49(24):1-6.

ZHANG Shihong，XU Yong，CHENG Ming，et al. Technology and Equipment of the Pulsating Hydroforming Technology[J]. Journal of Mechanical Engineering，2013，49(24):1-6.