高溫高壓艙管線穿艙密封技術(shù)研究

邢義良　劉文

摘要：管線穿艙密封技術(shù)主要用于管線等穿過具有氣密、防水、隔溫要求的艙壁或者鋼板。本文通過總結(jié)現(xiàn)有的電纜穿艙密封技術(shù)和常規(guī)穿板密封件設(shè)計，結(jié)合當下非常規(guī)油氣資源開發(fā)實驗裝置的設(shè)計要求，提出一種新型管線穿艙密封技術(shù)，該設(shè)計能夠在滿足高溫高壓艙密封性要求的前提下保證穿艙管線的可靠性，具有非常良好的應用前景。本文所涉及的穿艙密封技術(shù)，能夠在1000℃和35MPa的環(huán)境下，保證該裝置所包納的管線能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的艙內(nèi)外通信，同時保證高壓艙的密封性良好。綜合考慮目前市場上存在的類似產(chǎn)品，該設(shè)計無論在工作環(huán)境的極限值和可適用范圍上都遠遠超過現(xiàn)有設(shè)計。

關(guān)鍵詞：穿艙密封;油氣開發(fā)實驗裝置;管線;通訊

1 引言

目前在石油、化工及能源礦產(chǎn)和海洋工程等開發(fā)領(lǐng)域中，需要經(jīng)常用到一些高溫、高壓模擬設(shè)備，尤其是模擬深部地層的相關(guān)實驗設(shè)備以及用于石油、化工的勘探開發(fā)研究設(shè)備。當實驗模擬設(shè)備或者實際應用設(shè)備中需要進行眾多管線及熱電偶密封并且多路集中穿艙密封時，要求將多個或者多種管線匯集到一起，整體進行高壓艙體的穿越，目前有關(guān)此類技術(shù)的密封實現(xiàn)方式，大多通過將管線或者金屬探針澆注或者整體預埋在一個高強度的陶瓷或者玻璃塊內(nèi)，當達到一定的壓力時，由于陶瓷及玻璃的脆性，往往容易出現(xiàn)應力集中等現(xiàn)象，從而導致穿艙密封接頭由于密封件的脆硬性，出現(xiàn)裂紋或者微裂紋，從而產(chǎn)生密封失效及泄露的情況，最終會導致設(shè)備功能損失，嚴重的甚至會引發(fā)整套設(shè)備損壞。

目前在石油、化工及能源類的勘探及開發(fā)等領(lǐng)域中，需要經(jīng)常進行一些模擬現(xiàn)場的實驗室尺度的研究實驗，開展一些相關(guān)理論及實驗模型的模擬，經(jīng)常會遇到一些測試相關(guān)的問題，最為常見的就是關(guān)于溫度和壓力的測試、監(jiān)測，這就需要設(shè)備的硬件通過一些或者多根測試探針深入模型介質(zhì)內(nèi)部進行探測，在探針方面類似壓力管線及溫度探針之類進入高壓容器內(nèi)部時，就涉及到一系列密封問題，常規(guī)的高壓容器，在進行探測溫度壓力密封時，可通過O型圈及一些工程塑料等方式進行密封，當研究的條件繼續(xù)增多，地層深度繼續(xù)增加時，就對溫度、壓力指標的要求有進一步的提高，而O型圈及工程塑料在密封方面，普通氟膠最高可達200℃，密封所用的工程塑料最高可達330℃，而進行有些實驗時，尤其是石油天然氣領(lǐng)域內(nèi)，進行火燒驅(qū)油實驗時，對溫度要求，至少是600-1000℃，這就需要一種超出常規(guī)的溫度及壓力范疇的一孔多測點的穿艙密封技術(shù)。

2 傳統(tǒng)密封貫穿裝置的結(jié)構(gòu)

電纜密封貫穿裝置在海洋工程船舶、鉆采平臺、FPSO、海上風電等工程項目電纜穿倉穿甲板密封方面有著廣泛的應用，主要分為填料式密封裝置、模塊式密封裝置、帶焊接填料函穿線管密封裝置、套管式密封裝置、防火毯填充式密封裝置[1]。填料式密封裝置由堵料（膨脹條、膨脹阻燃劑）、填料和框架組成，填料由粉料和溶液兩部分組成，按照一定比例配置，充分充滿電纜框與電纜、電纜與電纜之間的空隙，膨脹條用于分隔電纜和膨脹后阻止填料的流溢。模塊式密封裝置是一種預制成有標準組件的裝置，一般由模塊、框架、附件組成。最大優(yōu)點是具有可拆性貫穿礦體長度小。模塊式密封裝置在海洋平臺、船舶等工程中的應用比較廣泛。帶填料函穿線管密封裝置由穿線管、套筒、填料函組成。穿線管為無縫鋼管或焊接鋼管，套筒為無縫鋼管，該密封裝置最適合單根電纜穿甲板用。套管式密封裝置一般由防火套管、框架和密封膠組成。安裝工具為打膠搶和美工刀，安裝方式為將防火套管包覆在貫穿框體內(nèi)的電纜上，在框體兩端填充以硅樹脂混合物為基礎(chǔ)的防火密封膠，特點是防火性能高，同時具有可拆性。防火毯式密封裝置由防火毯、密封膠和框架組成。安裝工具為打膠搶和美工刀，框架使用自設(shè)計的框架，框架的截面形狀和深度無特殊要求，安裝簡單快速，基本不存在浪費材料的可能。

傳統(tǒng)的穿艙密封裝置因為在防火和密封性能上的薄弱逐漸被新型防火可拆卸式貫穿裝置取代，火災中電纜著火對于昂貴的操縱設(shè)備、電纜數(shù)據(jù)處理設(shè)備和艦船航行來說是一大威脅，不但破壞船舶的操縱性能，而且電纜焚燒過程中產(chǎn)生大量的有毒煙霧和有毒氣體，易造成重大的人員安全傷害[2-3]。新型的可拆式電纜貫穿耐火密封裝置可以有效地解決因電纜著火帶來的問題，該型電纜貫穿耐火密封裝置隔熱耐火層由耐火套管和耐火密封膠組合而成，它們在遇火或高溫時，形成了一種絕熱良好的多孔介質(zhì)，其耐火性能達到SOLAS-A60，AO級，水密性能達到0.3MPa，氣密性達到0.2MPa，同時具備耐高溫、耐低溫、耐輻射、耐腐蝕、耐溫熱、無毒、無鹵、低煙等特性，對電纜護套和鐵、銅、鋁、鋅等不會產(chǎn)生腐蝕，而且富有彈性，抗沖擊、振動的性能優(yōu)良。將電纜貫穿耐火密封裝置的框或筒焊接在甲板或艙壁上，焊接必須牢固，其焊縫應保證嚴密，然后在框或筒內(nèi)部安裝耐火套管，兩端約25mm左右空間填充耐火密封膠[4]。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所研究的高溫高壓穿艙密封技術(shù)如圖1所示，以熱電偶的穿艙密封為例，溫度測柱管線可以通過防轉(zhuǎn)動壓板固定，在壓緊過程中通過密封座上對應的豁口將防轉(zhuǎn)動壓板限位，使其制動在密封壓蓋的作用下向下運動壓緊變形錐，保護溫度測柱自身不轉(zhuǎn)動，變形錐在受力的作用下將向下運動，擠壓密封座的密封錐面，在密封壓蓋和密封座的雙重擠壓下，變形錐將受力變形，從而在一定的預緊力下，將穿過密封壓蓋及防轉(zhuǎn)動壓板和變形錐及密封座的多根溫度測柱緊緊鎖住，由于溫度測柱和變形錐的內(nèi)部圓孔及變形錐的密封面和密封座的密封面間隙很小，并且表面粗糙度都在1.6以上，在較大的擠壓力下，各個接觸面將發(fā)生貼合并且實現(xiàn)緊緊的密封，防轉(zhuǎn)動壓板和密封座均采用耐高溫不銹鋼2520加工成型，中間的變形部分為變形錐采用耐高溫紫銅T2加工成型，密封壓蓋采用45號鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)蘸火以及表面鍍鉻工藝成型，硬度高，強度大，不易變形，通過鎖緊后成為一體，可實現(xiàn)1000℃的多根測柱的溫度測柱密封，從而實現(xiàn)了一孔多線穿艙密封，通過下部的轉(zhuǎn)接頭可以便捷地更換到不同的高壓設(shè)備上，通過轉(zhuǎn)接擰入高壓艙壁，及可實現(xiàn)轉(zhuǎn)移通用，通過本結(jié)構(gòu)中的密封和固定方法，即可實現(xiàn)在不同高度位置上布置不同長度的熱電偶，通過熱電偶頭部感應溫度的高低，熱電偶通過每根獨立的無縫鋼管密封在管線的內(nèi)部，管線測柱的外側(cè)是無縫鋼管，無縫鋼管將熱電偶封裝在管內(nèi)側(cè)，這樣，通過各種耐高溫材質(zhì)成型的一孔多線測點接頭結(jié)合不同的實驗設(shè)備滿足了石油天然氣領(lǐng)域的深部研究。

4 結(jié)束語

根據(jù)本文所設(shè)計的高溫高壓穿艙密封結(jié)構(gòu)在實驗設(shè)備上的運行結(jié)果以及針對該領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)的評估和實驗情況來看，得出以下結(jié)論：①本文所述高溫高壓穿艙密封結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，通用性好，可通過轉(zhuǎn)換接頭輕易更換到不同高壓設(shè)備上的優(yōu)點;②本文所述的高溫高壓穿艙密封結(jié)構(gòu)耐溫更高，可達1000℃，通過更高的耐溫度-壓力密封技術(shù)，有效的擴展了地層深度的深部研究;③本文所述高溫高壓穿艙密封結(jié)構(gòu)打破目前的相關(guān)儀器設(shè)備的溫度限制，更大更廣泛的拓展了科研研究的范圍;④此種密封結(jié)構(gòu)，結(jié)合耐高溫特點，可便捷的更換到其他高溫高壓設(shè)備上，大大提升了相關(guān)設(shè)備的研究范圍，整體拓展了實驗室的模擬范疇。

參考文獻：

[1]宋永強，何小超，趙杰.海洋工程電纜密封貫穿裝置應用研究[J].裝備制造技術(shù)，2018，7（9）：158-160，178.

[2]薛芳.電纜貫穿耐火密封裝置安裝[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2011，10（4）：77-79.

[3]朱陽飛，張一兵.新型可拆式電纜貫穿耐火密封裝置在船舶建造中的應用[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2012，8（23）：61-63.

[4]李軍格，秦傳洲，羅正華.機械密封式電纜貫穿件研制[J].價值工程，2012，31（1）：31-32.