考慮高低溫影響因素的金屬密封總成性能分析

吳繼媛

(南方科技大學，廣東 深圳 518055)

水下生產系統(tǒng)具有建設周期短、開發(fā)成本低、適用范圍廣、開發(fā)效益高的顯著優(yōu)勢，已成為經(jīng)濟高效開發(fā)深水油氣資源重要技術手段，得到了各國石油公司的廣泛關注。當前，我國海洋油氣開發(fā)所用水下油氣裝備幾乎全部依賴進口，嚴重影響了我國深海油氣資源開發(fā)[1]。因此，開展水下油氣裝備國產化對于維護國家能源安全，實現(xiàn)海洋強國戰(zhàn)略具有重要意義。

水下井口系統(tǒng)是水下油氣生產系統(tǒng)的基礎裝備，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海洋石油開采的安全性和可靠性[2-3]，一旦失效，輕則影響生產，重則導致災難性事故，因此，環(huán)空金屬密封技術是水下井口國產化過程中的重要攻關項點，亦是水下油氣生產系統(tǒng)的核心技術之一。

作為全球水下井口市場的國外少數(shù)廠商，已具備成熟的環(huán)空密封總成研發(fā)及測試能力，但基于商業(yè)保密需求，目前并未查詢到相關公開的水下井口環(huán)空密封研究文獻，且各家環(huán)空密封均是定制開發(fā)，只能用于自家產品，其密封結構、材料及機理均存在較大差異。

目前，國內已有部分學者及研究人員對水下井口環(huán)空金屬密封技術進行了初步探索，并取得了一定成果。如肖文生等[4]提出了多級金屬密封結構的密封總成，利用有限元分析軟件對密封部件、鎖緊單元進行了強度分析，并對密封性能進行了有限元分析評價；侯超等[5]結合有限元密封分析，對環(huán)空金屬密封的密封機理進行了闡述；秦浩智等[6]通過系列化設計方法和金屬密封機理研究，結合有限元分析，確定了密封總成系列化設計原則和評價標準，提出了密封總成系列化設計方法；而陳家旺等[7]通過對滑環(huán)組合密封件進行建模仿真，得到不同介質壓力下的密封接觸面的壓力曲線，并進行了實際測試。

通過前期研究，國內研究人員在環(huán)空金屬密封總成的密封設計、密封機理等方面已基本形成共識，但性能評價方面仍存在一定完善空間：一方面，性能評價輸入條件僅考慮了測試壓力，缺乏該密封的另一個關鍵指標——溫度的影響分析；另一方面，性能評價手段單一，大多僅是通過理論計算或有限元分析方式，缺乏實物測試。因此，開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，完善評價手段，對于掌握水下油氣裝備密封核心技術、突破水下井口系統(tǒng)國產化具有重要意義，同時亦可為該領域其它密封設計提供借鑒和參考。

1 環(huán)空金屬密封總成簡介

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，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(設計壽命不小于20年)、作業(yè)環(huán)境惡劣，當前主流環(huán)空密封均采用金屬對金屬密封，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泄漏，接觸面應力達到較軟材料屈服強度的2～3倍，使較軟密封體產生局部變形來填充密封副之間的微小間隙，從而達到密封效果[8]。環(huán)空金屬密封總成密封驅動環(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/套管懸掛器產生較高接觸壓力，進而形成高壓密封。為滿足水下裝備密封的高可靠性要求，一般金屬密封圈內外側均設置了多道密封凸起，達到冗余密封的效果。

典型環(huán)空金屬密封總成結構如圖1所示。當前主流技術指標：壓力等級10 000 psi(69 MPa)、材料等級EE級(不銹鋼)、溫度等級U級(-18°C～121°C)。

圖1 環(huán)空金屬密封總成結構組成示意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證方法

常規(guī)金屬密封總成性能評價以理論計算或有限分析為主，其主要流程為：依據(jù)金屬密封總成結構設計方案，結合材料選型及測試壓力，建立密封計算理論模型或有限元模型，計算密封凸起接觸面壓應力及結構應變情況，進而得出密封性能及結構強度評價結論，再根據(jù)該結果優(yōu)化密封設計方案，直至形成最終性能評價結論。

但上述金屬密封總成性能評價方法仍存在一定完善空間：1)全面性不足。性能評價輸入條件只有測試壓力，但對于該密封而言，除了壓力等級外，溫度等級亦是關鍵性能指標，因此，缺乏不同溫度下的密封性能及結構承載的準確分析，性能評價不全面。2)準確性不足。密封性能及結構強度驗證手段單一，大多僅是通過理論計算或有限元分析方式，缺乏實物試驗，分析結果準確性有待驗證。

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，在前期性能評價的基礎上，輸入條件增加溫度參數(shù)，更加全面地評價其綜合性能；同時，升級性能評價手段，構建“有限元分析+室內測試+無損探傷”的金屬密封性能評價流程，各評價手段相互修正，形成更加系統(tǒng)、準確的金屬密封性能評價體系。具體流程如圖2所示。

圖2 金屬密封總成性能分析流程(虛線部分為改進后新增項點)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 計算工況

依據(jù)設計溫度等級U級(-18°C～121°C)，確定計算工況典型溫度，即常溫(20°C)、設計高溫(121°C)、設計低溫(-18°C)，分別在上述溫度環(huán)境下施加10 000 psi(69 MPa)內壓，評價其在不同溫度下的密封性能及結構強度。

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 計算模型

鑒于金屬密封總成各零件主體均為軸對稱結構，選取軸對稱計算模型，且僅保留與密封有關的零件，提高計算效率；同時保留所有密封關鍵區(qū)域細節(jié)，確保分析結果準確性。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，定義接觸關系。

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

材料參數(shù)：各零件主要材料參數(shù)取值見表1。考慮到金屬密封圈在密封過程中局部會產生塑性變形，需依據(jù)材料拉伸試驗獲取真實應力和塑性應變數(shù)據(jù)。

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

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

3.3 計算結果

3.3.1 判定準則

密封性能判定準則：Pcpress≥C×P=2.0×69 MPa=138 MPa，Pcpress為密封面壓應力，P為內壓。其中，金屬密封圈左右側上凸起是密封分析重點關注區(qū)域，將其接觸面分別建立節(jié)點路徑，分析密封面壓應力。如圖4所示建立金屬密封圈關鍵密封面節(jié)點路徑。

結構強度判定：局部失效判定(等效塑性應變)εpeq≤0.1。

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

3.3.2 密封性能評價

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

可以看出，設計溫度范圍內(-18°C～121°C)，雖然各溫度條件下的密封性能均滿足設計要求，但仍不同程度受到溫度變化的影響。對金屬密封總成而言，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，溫度應是金屬密封設計過程中不可忽略的關鍵影響因素，尤其是低溫，對金屬密封效果影響較大。

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

3.3.3 結構強度評價

通過圖6結果顯示，在環(huán)境溫度及額定內壓共同作用下，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。鑒于該金屬密封圈為自緊型密封，其密封機理決定了密封狀態(tài)下密封凸起必須壓至塑性狀態(tài)，以確保密封效果。結合應變云圖可以看出，塑性變形超標區(qū)域主要產生于部分密封凸起等局部小范圍，密封圈根部等其它應力集中區(qū)域塑性應變仍在允許范圍內，不會引起結構整體垮塌失效，故該結構強度可以接受。同時，該結果亦證明了該類金屬密封圈為一次性產品，密封凸起無法滿足重復使用要求。

結果對比顯示，計算工況下結構承載能力仍不同程度受到溫度變化的影響。高溫條件下施加內壓時，高溫產生的熱膨脹效應會導致金屬密封圈等效塑性應變增大(最大值0.129)，但與常溫條件相差不大(最大值0.118)；低溫(-18°C)條件下施加額定內壓時，金屬密封圈等效塑性應變與常溫條件一致。由此可以看出，高溫環(huán)境對金屬密封結構強度產生更大影響。

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 有限元分析結論

1)計算工況下，金屬密封圈與關聯(lián)部件建立了可靠的密封環(huán)面，密封性能及結構強度滿足設計要求，但仍不同程度受到溫度變化的影響，其中，低溫對密封性能影響較大，高溫對結構強度影響較大。

2)建議開展高低溫壓力循環(huán)試驗，并在測試結束后對密封件表面實施無損探傷，檢驗其應力超標區(qū)域是否產生影響結構整體強度裂紋缺陷，進一步評價金屬密封總成性能。

4 金屬密封總成高低溫壓力循環(huán)測試

4.1 測試方案

測試條件：溫度-18°C～121°C，壓力69 MPa，介質N2。驗收準則：每小時保壓壓降小于5%。測試設備：氣壓測試系統(tǒng)(0～160 MPa)、高低溫測試箱(-420°C～160°C)。測試方案及工裝如圖7和圖8所示。

依據(jù)API相關標準規(guī)定，高低溫壓力循序測試步驟如下[9-10]：

1) 升溫至121°C，測試壓力69 MPa，保壓至少1小時；

2) 降溫至-18°C下，測試壓力69 MPa，保壓至少1小時；

3) 升溫至121°C過程中，保持壓力不低于34.5 MPa；

4) 121°C下，測試壓力69 MPa，保壓至少1小時；

5) 降溫至-18°C過程中，保持壓力不低于34.5 MPa；

6) -18°C下，測試壓力69 MPa，保壓至少1小時；

7) 升溫至121°C過程中，保持壓力不低于34.5 MPa；

8) 121°C下，測試壓力69 MPa，保壓至少1小時；

9) -18°C下，測試壓力69 MPa，保壓至少1小時；

10) 常溫下，測試壓力69 MPa，保壓至少1小時；

11) 常溫下，測試壓力6.9 MPa，保壓至少1小時。

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

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

4.2 測試結果

由圖9結果顯示，金屬密封總成在各測試溫度下的保壓壓降均能滿足標準要求，溫度仍對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，對密封性能產生更大地影響。表2為每步驟測試結果展示。

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

表2 金屬密封總成高低溫測試結果
Tab. 2 Results of high and low temperature testing of metal seal assembly

步驟溫度/°C保壓時間/min保壓起始/MPa保壓結束/MPa測試壓降/MPa允許壓降/MPa結果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 金屬密封總成無損探傷

為進一步驗證金屬密封件結構承載性能，對高低溫壓力循環(huán)測試后的金屬密封件進行無損探傷，結合零件結構特點及可能存在的結構失效形式，選擇著色滲透探傷。檢測器材：噴罐式溶劑去除型著色滲透檢測材料。

圖10顯示，壓力測試后，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，但主體結構良好，未產生塑性變形及結構失效，與數(shù)值分析結果一致，主體結構強度滿足要求。同時，該結果亦驗證了該金屬密封為一次性產品，重復使用密封性能將急劇下降，實際應用中應盡量避免。

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

6 結 語

1)溫度是金屬密封設計及性能評價過程中不可忽略的重要影響因素。其中，低溫對密封性能影響較大，高溫對密封結構強度影響較大；

2)設計溫度范圍內，該金屬密封總成的密封性能及結構強度滿足設計要求，但均不同程度受到溫度變化的影響；

3)相對于單一密封性能評價手段，“理論計算/有限元分析+室內測試+無損探傷”的金屬密封總成性能評價方法更全面、準確，亦可為該領域其它密封設計提供借鑒和參考。