O圈密封滲漏水汽定量規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究及分析

王 洪，詹 敏，鄭春峰，沈 瓊，毛慶凱

（中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452）

0 引言

隨著油田開發(fā)開采工作向智能油田、數(shù)字油田發(fā)展，管理模式從傳統(tǒng)方式向現(xiàn)代化跨越，致使智能注采技術(shù)要求不斷提高。其中，O圈密封對(duì)整個(gè)智能工具及系統(tǒng)的影響越來越重要，定量地測(cè)量出O圈水汽滲漏量對(duì)機(jī)電產(chǎn)品的二次封裝進(jìn)行定性的指導(dǎo)設(shè)計(jì)，也是協(xié)助完善工具標(biāo)定、制定產(chǎn)品檢驗(yàn)流程規(guī)范的重要參數(shù)。因此，準(zhǔn)確地了解O圈密封壓縮量與滲漏水汽量的變化規(guī)律，對(duì)于保障智能工具在油田領(lǐng)域安全、高效地注采施工具有重要的意義。有必要針對(duì)O圈密封滲漏的特性進(jìn)行特制的工裝加工，以及使用吸水化學(xué)劑收集這些滲漏出來的水汽并進(jìn)行測(cè)算，建立起綜合考慮高溫、高壓情況下水汽滲漏的定量模型，認(rèn)清O圈密封在高溫、高壓情況下水汽滲漏量的變化規(guī)律，以便對(duì)油田智能注采工具的使用壽命進(jìn)行定量的預(yù)測(cè)[1-3]。

圖1 滲漏實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 Flow chart of leakage experiment

1 O圈選型與滲漏實(shí)驗(yàn)流程

1.1 滲漏工裝設(shè)計(jì)及O圈選型

通過實(shí)驗(yàn)定量測(cè)得O圈密封滲漏水汽量需要進(jìn)行兩項(xiàng)準(zhǔn)備工作。首先要進(jìn)行滲漏工裝的設(shè)計(jì)與加工，其次要選定合適的O圈尺寸。

此次滲漏實(shí)驗(yàn)需要在高溫高壓環(huán)境中進(jìn)行，并測(cè)得O圈不同單邊壓縮量情況下的滲漏水汽量，所以O(shè)圈槽的深度設(shè)計(jì)尺寸不同，需要設(shè)計(jì)并加工的工裝為：小O圈單邊壓縮量為0.3mm、0.45mm、0.6mm情況下的工裝各3套，以便對(duì)取得的數(shù)據(jù)排除誤差；大O圈單邊壓縮量為0.3mm、0.45mm、0.6mm、0.75mm、0.9mm、1.05mm情況下的工裝各3套，以便對(duì)取得的數(shù)據(jù)排除誤差。在設(shè)計(jì)滲漏工裝時(shí)要考慮材質(zhì)的選擇，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)處于高溫高壓、水汽充盈的環(huán)境，會(huì)加速金屬材質(zhì)的生銹造成實(shí)驗(yàn)誤差，所以需要選擇不銹鋼材質(zhì)。本次實(shí)驗(yàn)選擇17-4材質(zhì)；收集從O圈滲漏出來的水汽，需要選擇耐高溫且具備一定承壓能力的試管；試管中裝有在高溫環(huán)境中仍具備良好吸水性的化學(xué)劑無水硫酸鎂[4,5]。

O圈選型需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的智能電控注水產(chǎn)品，其機(jī)械結(jié)構(gòu)涉及到的O圈尺寸為兩種：小O圈密封面尺寸直徑Φ12mm×Φ1.8mm，大O圈密封面尺寸直徑Φ108mm×Φ3.55mm。大小O圈材質(zhì)選擇丁腈橡膠，此種材質(zhì)為油田智能機(jī)電產(chǎn)品常用O圈密封材質(zhì)，具有通用性。

1.2 滲漏實(shí)驗(yàn)流程

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)定的實(shí)驗(yàn)工況為溫度150℃，壓力40Mpa，貼合智能電控產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)際工況。滲漏實(shí)驗(yàn)工裝及烘箱如圖3。大小O圈不同單邊壓縮量情況下，滲漏實(shí)驗(yàn)流程如下：

圖3 線徑ф1.8mm O圈滲漏水汽量Fig.3 Leakage water vapor volume of O-ring with wire diameter ф1.8mm

1）組裝小O圈、大O圈滲漏實(shí)驗(yàn)工裝：組裝9套小O圈滲漏實(shí)驗(yàn)工裝，將密封面尺寸為Φ12mm×Φ1.8mm的O圈放入工裝內(nèi)的凹槽，O圈單邊壓縮量0.3mm、0.45mm、0.6mm各3組工裝；組裝18套大O圈滲漏實(shí)驗(yàn)工裝，將密封面尺寸為Φ108mm×Φ3.55mm的O圈放入工裝內(nèi)的凹槽，O圈單邊壓縮量0.3mm、0.45mm、0.6mm、0.75mm、0.9mm、1.05mm各3組工裝。

2）將耐高溫小試管裝入無水硫酸鎂，并對(duì)有吸水藥劑的試管稱重，與試驗(yàn)工裝連接并將組裝好的工裝放入托架。

3）將工裝托架放入加熱裝置中，各個(gè)工裝連接打壓管線，打壓至40Mpa，穩(wěn)壓10min不滲不漏。

4）啟動(dòng)加熱裝置，加熱到150℃，保持高溫、高壓的環(huán)境持續(xù)2周，并且記錄各個(gè)壓力表每日的壓力數(shù)值。

5）滲漏實(shí)驗(yàn)工裝保持高溫、高壓的環(huán)境持續(xù)2周后，停止加熱并卸掉壓力，將工裝冷卻至室溫。

6）拆卸工裝，取出工裝中的試管，觀察藥劑變化并記錄重量。

7）分析并計(jì)算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)前后重量差值，保存整理實(shí)驗(yàn)材料及數(shù)據(jù)，清理滲漏實(shí)驗(yàn)物料。

2 O圈滲漏驗(yàn)證及各影響因素的分析

2.1 O圈滲漏驗(yàn)證

機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)中大量用到O圈密封，但以海上實(shí)際應(yīng)用效果來看，O圈密封效果一般，機(jī)電產(chǎn)品在高溫高壓環(huán)境中壽命不理想，拆開機(jī)電產(chǎn)品的電路板腔室，發(fā)現(xiàn)存有大量液體，造成電路板短路，致使機(jī)電產(chǎn)品損壞。通過O圈滲漏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證O圈密封在設(shè)計(jì)尺寸及壓縮率在合理范圍內(nèi)，仍有部分水汽泄漏。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的前后對(duì)比發(fā)現(xiàn)，大小O圈均有水汽泄漏，測(cè)得數(shù)據(jù)為小O圈中位數(shù)平均泄漏量為33.5mg/2周，大O圈平均泄漏量為456.19mg/2周。證明了O圈密封在機(jī)電一體化產(chǎn)品的應(yīng)用中，存在輕微滲漏的現(xiàn)象。

圖2 滲漏實(shí)驗(yàn)工裝試管中裝有的藥劑重量Fig.2 The weight of the drug contained in the test tube of the leak test tooling

2.2 壓縮量的影響情況

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，壓縮率W用計(jì)算式表示：

式中：do——O形圈在自由狀態(tài)下的界面直徑（mm）；h——O形圈槽底與被密封表面的距離，即O形圈壓縮后的截面高度（mm）。

對(duì)于靜密封而言，w的取值范圍圓柱靜密封裝置和往復(fù)運(yùn)動(dòng)式密封裝置一樣，取w=10%～15%；平面密封裝置取w=15%～30%。此處滲漏實(shí)驗(yàn)涉及密封形式為平面密封裝置，取w=15%～30%。

3 滲漏實(shí)驗(yàn)結(jié)果與指導(dǎo)

3.1 小O圈滲漏結(jié)果

對(duì)小O圈滲漏實(shí)驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得出如下結(jié)論：

1）隨著過盈量的提高，水汽滲漏量急速下降。

2）每一個(gè)過盈量加工3組工裝，排除誤差干擾后，得出小O圈單邊壓縮量不應(yīng)選擇0.3mm左右，原因?yàn)閱芜厜嚎s量為0.3mm時(shí)2周的滲漏量為其他單邊壓縮量的10～20倍。

3）下一階段實(shí)驗(yàn)工裝小O圈單邊壓縮量建議選擇區(qū)間為0.45mm～0.6mm之間，根據(jù)所取得數(shù)據(jù)，選擇單邊壓縮量0.45mm為最優(yōu)，對(duì)應(yīng)O圈壓縮率w=25%，符合機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)要求。

圖4 線徑ф3.55mm O圈滲漏水汽量Fig.4 Leakage water vapor volume of O-ring with wire diameter ф3.55mm

3.2 大O圈滲漏結(jié)果

對(duì)大O圈滲漏實(shí)驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得出如下結(jié)論：

1）隨著過盈量的提高，水汽滲漏量基本保持不變。

2）每一個(gè)過盈量加工3組工裝，排除誤差干擾后，得出大O圈單邊壓縮量不建議選擇0.3mm左右，出現(xiàn)一組數(shù)據(jù)滲漏量較高，但推測(cè)為工裝裝配不合理，尺寸有誤差所致。

3）下一階段實(shí)驗(yàn)工裝大O圈單邊壓縮量建議選擇區(qū)間為0.45mm～1.05mm之間，根據(jù)所取得數(shù)據(jù)，選擇單邊壓縮量0.8mm為最優(yōu)，對(duì)應(yīng)O圈壓縮率w=22.5%，符合機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)要求。

3.3 滲漏現(xiàn)象啟發(fā)

大小O圈在不同過盈量情況下的滲漏實(shí)驗(yàn)得到的啟發(fā)：

1）O圈在高溫、高壓環(huán)境下（40MPa、150℃）會(huì)發(fā)生輕微的滲漏，定量地收集滲漏水汽對(duì)智能電控注采工具的設(shè)計(jì)有指導(dǎo)幫助。

2）O圈在高溫、高壓環(huán)境下（40MPa、150℃），O圈外徑為Φ12mm×線徑Φ1.8mm，單邊壓縮量為0.45mm，滲漏量每2周平均滲漏值為35.25mg，按照智能注采工具使用壽命期限3年，計(jì)算水汽滲漏值為2.16g，滿足設(shè)計(jì)要求。

3）O圈在高溫、高壓環(huán)境下（40MPa、150℃），O圈外徑為Φ108mm×線徑Φ3.55mm，單邊壓縮量為0.8mm，滲漏量每2周平均滲漏450mg，按照智能注采工具使用壽命期限3年，計(jì)算水汽滲漏值為32.4g，可以進(jìn)行電路板腔室的二次封裝，保證滲漏的水汽不進(jìn)入電路板腔室，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

為有效解決現(xiàn)有智能電控注采工具O圈密封經(jīng)常失效、可靠性差、故障率高的問題，通過高溫、高壓實(shí)驗(yàn)定量測(cè)得滲漏水汽量與O圈壓縮率的規(guī)律，以便指導(dǎo)當(dāng)前機(jī)電產(chǎn)品的密封設(shè)計(jì)與選型，更能指導(dǎo)二次封裝方式的選用。通過本次研究和實(shí)驗(yàn)獲得以下認(rèn)識(shí)：

1）大O圈滲漏量是小滲漏量的13倍（456.19mg≈13×35.25mg）；大O圈外徑為Φ108mm，電纜接頭外徑為Φ12mm，即大O圈外徑=9倍×小O圈外徑，滲漏量與O圈的外徑成正相關(guān)聯(lián)系。

2）O圈密封滲漏影響的決定性因素：通過過盈量滲漏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以觀察到?jīng)Q定性因素為O圈直圈徑大小，O圈外徑越大，滲漏量越大，外徑越小，滲漏量越小。