環(huán)形金屬密封總成密封機制及性能分析
環(huán)形金屬密封總成是水下井口頭系統重要組成部分，其性能直接影響到水下井口頭系統的安全性，甚至整個(gè)水下油氣系統的可靠性。分析環(huán)形金屬密封總成的密封機制和工作原理，結合有限元分析結果，從密封環(huán)在密封過(guò)程中的變形情況來(lái)分析其密封性能。結果表明: 密封環(huán)在彈性變形階段可以實(shí)現密封，但對密封環(huán)的表面粗糙度和表面質(zhì)量有很高的要求，在環(huán)形密封總成工況條件下無(wú)法保證，應避免在此階段實(shí)現密封; 密封環(huán)在塑性變形階段能夠填補環(huán)表面存在的缺陷，實(shí)現良好的密封; 在塑性變形階段，密封環(huán)接觸面的變形情況成為影響密封性能的唯一因素。
根據海洋油氣鉆采的規定和要求，高壓井口頭與各層套管掛之間需要有獨立的壓力封隔。目前，世界范圍內海洋油氣開(kāi)發(fā)多數采用環(huán)形金屬密封總成來(lái)實(shí)現二者的密封。高壓井口頭和套管掛之間的密封屬于高壓接觸式金屬密封，用于防止管柱內流體的泄漏，保證水下井口頭系統的可靠性和安全性。
高壓流體的密封是一個(gè)復雜而又較難解決的問(wèn)題，密封的可靠性除了與連接結構形式、介質(zhì)特性、工況條件等有關(guān)外，主要取決于所采用的密封材料和密封元件的性能。國外金屬密封方面在結構設計、密封材料選擇、加工精度、公差范圍和現場(chǎng)安裝壓縮量等方面要優(yōu)于國內，國內在全金屬密封井口裝置方面的研究剛剛起步，在結合自身情況的同時(shí)應借鑒國外的設計理念、先進(jìn)技術(shù)等，加快金屬密封的研究進(jìn)程。本文作者通過(guò)分析環(huán)形金屬密封總成的密封機制及影響因素，借助有限元分析軟件對其進(jìn)行性能分析，驗證其設計和性能的合理性和可靠性。
1、環(huán)形金屬密封總成密封機制及影響因素
1.1、密封機制
環(huán)形金屬密封總成的作用就是形成高壓井口頭和套管掛之間的壓力封隔，防止管柱內流體的泄漏。環(huán)形金屬密封總成屬于金屬面接觸密封，該密封的泄漏方式主要是穿漏，即流體通過(guò)密封面之間的間隙的泄漏，管柱內流體在壓差Δp 作用下通過(guò)縫隙形成穿漏; 從微觀(guān)上來(lái)說(shuō)，是由于管柱內流體分子撞擊力f大于環(huán)形金屬密封總成密封面壓緊力p1與材料變形力p2之和，即f > p1 + p2，則流體分子楔入并穿越密封區域造成密封失效。加工后的密封面其表面總是存在溝槽，因此，環(huán)形金屬密封總成通過(guò)金屬表面高低不同的波峰受到壓縮產(chǎn)生大小不同的壓縮變形量，達到不同的比壓值，從而在密封面上形成一個(gè)微觀(guān)的封閉環(huán)，并在密封環(huán)上產(chǎn)生大于介質(zhì)壓力的反力，從而阻止管柱內流體分子的楔入，實(shí)現密封。
1.2、影響因素
從其密封機制來(lái)看，在指定結構和材料的情況下，影響環(huán)形金屬密封總成密封性能的主要因素有:
(1) 密封面粗糙度。密封面表面粗糙度過(guò)大時(shí)，在額定密封驅動(dòng)壓力下，密封表面的塑形變形不足以填滿(mǎn)泄漏通道，管柱內的流體會(huì )發(fā)生泄漏。如果密封接觸面上產(chǎn)生了超過(guò)屈服強度兩倍的塑性變形，接觸面發(fā)生永久變形，金屬開(kāi)始流動(dòng)，填平密封面表面的缺陷，將泄漏通道堵住。
(2) 密封面比壓。比壓過(guò)小，則密封面封閉環(huán)產(chǎn)生的反力小于管柱內流體的壓力，容易引起穿漏;比壓過(guò)大，密封面的壓縮變形量較大，容易導致密封組件的失穩和損壞。合理的密封面比壓能夠提高環(huán)形金屬密封總成的可靠性。
(3) 密封面寬度。理想狀態(tài)下，密封的可靠性與密封面寬度無(wú)關(guān)。但在實(shí)際情況中，密封副接觸面不能完全吻合，如果密封面寬度過(guò)窄，則不能形成封閉環(huán); 如果增加密封面寬度，則需要增大環(huán)形金屬密封總外驅動(dòng)力。
2、環(huán)形金屬密封總成密封性能分析
2.1、環(huán)形金屬密封總成主要組成部分及工作原理
環(huán)形金屬密封主要由鎖緊套筒、鎖緊環(huán)、驅動(dòng)環(huán)、密封環(huán)等組成，其基本結構如圖1 所示。壓力等級為103. 5 MPa，適用水深h≤1 500 m。其密封過(guò)程示意如圖2 所示，下放工具將環(huán)形金屬密封總成下放至高壓井口頭，密封環(huán)坐放至套管掛軸肩處。在鉆桿的驅動(dòng)下，將剪切銷(xiāo)釘6 剪斷，并在驅動(dòng)環(huán)4 向下移動(dòng)至合適位移時(shí)，將金屬密封環(huán)8 脹開(kāi)至密封狀態(tài)，內鎖緊環(huán)5 和外鎖緊環(huán)2 分別鎖入套管掛和井口的環(huán)形凹槽，回收下放工具，完成密封。在環(huán)形金屬密封總成下放安裝之前，要對套管掛和高壓井口頭內壁進(jìn)行清理，減小雜質(zhì)對密封的影響，并對密封體進(jìn)行防腐處理，提高密封性能。
圖1 環(huán)形金屬密封總成結構
圖2 密封過(guò)程示意
3、結論
(1) 密封環(huán)在彈性變形階段可以實(shí)現密封，但對密封環(huán)的表面粗糙度和表面質(zhì)量有很高的要求，在環(huán)形密封總成工況條件下無(wú)法保證，應避免在此階段實(shí)現密封。
(2) 密封環(huán)在塑性變形階段能夠填補環(huán)表面存在的缺陷，實(shí)現良好的密封。
(3) 在塑性變形階段，密封環(huán)接觸面的變形情況成為影響密封性能的唯一因素。
