水下采油樹MEC密封試驗(yàn)裝置研究

趙宏林，梅 靜，唐亞輝，段夢蘭，田紅平，程華榮

（1．中國石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2．江漢石油鉆頭股份有限公司，武漢430223）

水下采油樹MEC密封試驗(yàn)裝置研究

趙宏林1，梅 靜1，唐亞輝1，段夢蘭1，田紅平2，程華榮1

（1．中國石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2．江漢石油鉆頭股份有限公司，武漢430223）

MEC密封是水下臥式采油樹密封的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。為了進(jìn)行密封性能試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了MEC密封件的密封試驗(yàn)裝置。分析了該裝置的組成部分和關(guān)鍵參數(shù)，并采用ABAQUS軟件對(duì)其上、下安裝蓋的強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析。分析結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置滿足強(qiáng)度要求。

采油樹；密封；試驗(yàn)裝置；設(shè)計(jì)

在水下采油樹的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一個(gè)重要方面是采油樹的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其密封結(jié)構(gòu)的性能直接決定著水下采油樹的安全性和可靠性［1］。密封一旦失效，直接導(dǎo)致停工返修，耗時(shí)耗力，嚴(yán)重時(shí)將造成災(zāi)難性事故。分析水下采油樹結(jié)構(gòu)，有多個(gè)部位需要采用密封結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

MEC（m etal End Cap的英文縮寫）密封是國外石油開采設(shè)備（例如采油樹）中普遍使用的密封形式，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩端金屬部分與中間彈性體通過硫化處理粘結(jié)在一起，金屬部分為中間彈性體提供屏障作用，防止其與密封介質(zhì)接觸。水下臥式采油樹使用MEC密封的部位有：隔離短節(jié)與采油樹體和井口之間的2道MEC密封、油管懸掛器出油孔處上下2道MEC密封［2-5］。由于A BB Vetco Gray及Cameron等水下采油樹生產(chǎn)商設(shè)計(jì)制造的密封件只為自己的設(shè)備服務(wù)，對(duì)外實(shí)行產(chǎn)品和技術(shù)封鎖。因此，國內(nèi)MEC密封件只能自行設(shè)計(jì)研發(fā)。不論是何種密封形式，其結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)的基本要求是將其泄漏率控制在允許的范圍內(nèi)，因此對(duì)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封性能測試是判斷該密封結(jié)構(gòu)性能優(yōu)劣的必要環(huán)節(jié)，應(yīng)該針對(duì)其密封要求設(shè)計(jì)相應(yīng)測試精度的測試裝置，以符合被檢件的性能要求。

本文以油管懸掛器出油孔處MEC密封件為模型，設(shè)計(jì)了MEC密封件密封試驗(yàn)裝置，并對(duì)該裝置的組成和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行介紹和分析，對(duì)其關(guān)鍵零件進(jìn)行有限元分析，為MEC密封件的自主設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

圖1 采油樹主要密封部位

1 MEC密封機(jī)理

1．1 油管懸掛器密封原理

水下臥式采油樹油管懸掛器的側(cè)面開設(shè)有1個(gè)與軸向孔呈一定角度的出油口，如圖2所示。該出油口與臥式采油樹本體上的出油通道相連通，它們共同構(gòu)成油流通道，將從井底開采上來的原油逐級(jí)傳輸，最后通過管匯系統(tǒng)和立管傳輸?shù)胶Ｑ笃脚_(tái)或浮式生產(chǎn)裝置中。在油管懸掛器側(cè)面的出油口和采油樹本體的出油通道之間存在一定的間隙，從井底開采上來的高壓油品從出油口流向采油樹主體上的油流通道時(shí)，不可避免地會(huì)通過該間隙向上向下泄漏，因此，為防止高壓油品泄漏，需要在油管懸掛器出油口的上下位置各設(shè)置一道密封裝置，作為油管掛本體和采油樹本體內(nèi)徑的第一道屏障，永久的暴露于生產(chǎn)井液中。其機(jī)理是：密封經(jīng)過徑向和軸向擠壓，預(yù)壓到油管掛和采油樹本體之間狹小的空間，密封零件幾何形狀能確保順利壓入。

1．2MEC密封原理

mEC密封件依靠初始安裝時(shí)外界提供的徑向預(yù)緊力，使彈性體部分壓縮變形進(jìn)而產(chǎn)生一定的彈性能量，并激勵(lì)兩端金屬部分與密封表面緊密貼合，初始實(shí)現(xiàn)金屬對(duì)金屬密封；在工作狀態(tài)下，密封介質(zhì)壓力作用于該密封件一端金屬端面，使密封件實(shí)現(xiàn)自緊密封，如圖3所示。

圖2 油管懸掛器出油孔處上下2道密封總體安裝布置結(jié)構(gòu)

圖 3mEC密封原理

2MEC密封件試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)方案

2．1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)要求

1）MEC密封件試驗(yàn)裝置能夠承受103．5mPa的壓力（額定工作壓力為69mPa，A PI 17D規(guī)定氣密性試驗(yàn)壓力為額定工作壓力的1．5倍）。

2） 能夠進(jìn)行MEC密封件密封性能測試試驗(yàn)，內(nèi)容包括在工作壓力下有無泄漏、密封面能否形成良好的密封等。

3） 能夠自動(dòng)采集需要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（壓力值、螺栓位移），并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理，例如記錄壓力值并處理成壓力曲線圖。

2．2mEC密封試驗(yàn)裝置組成

1） 測試流體加壓裝置。液壓試驗(yàn)測試時(shí)，測試流體為液體時(shí)，加壓裝置可選用能過通過手動(dòng)加壓的超高壓手動(dòng)泵（一般可以達(dá)到200mPa）。

2） 應(yīng)力／應(yīng)變測量。能夠測得密封件上某些部位的應(yīng)力值。

3） 測量儀器／儀表。壓力表。

4） 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由液壓試驗(yàn)臺(tái)的傳感器輸出信號(hào)，并傳送到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)配套軟件收集數(shù)據(jù)。

5） 主體部分。如圖4所示主要部件的功能：

1） 螺栓和螺母。上下安裝蓋依靠螺栓連接，并在試驗(yàn)過程中承受足夠的力，從而對(duì)整個(gè)裝置起到保護(hù)作用。

2）mE C密封件。在試驗(yàn)過程中需要承受103．5mPa的高壓，與內(nèi)外密封臺(tái)配合，形成密封環(huán)形空間并在外部激勵(lì)的條件下起到密封作用。

3） 外密封臺(tái)。試驗(yàn)液體通過排氣口流入外密封臺(tái)，通過外密封臺(tái)凸臺(tái)的間隙與MEC密封件接觸。

4） 內(nèi)密封臺(tái)。與外密封臺(tái)和MEC密封件配合形成密封，以測試MEC密封圈密封性能。

5） 上安裝蓋。承受試驗(yàn)過程中高壓液體所產(chǎn)生的軸向和徑向壓力。

6） 下安裝蓋。與上安裝蓋通過螺栓聯(lián)接，支撐保護(hù)內(nèi)外密封臺(tái)、MEC密封件。

7） 壓環(huán)。與外密封臺(tái)配合在安裝過程中固定MEC密封件。

8） 安裝底座。固定密封臺(tái)架，防止在安裝和試驗(yàn)過程中裝置發(fā)生晃動(dòng)。

9） 吊環(huán)螺釘。在安裝過程中是天車與上、下安裝蓋起吊的接點(diǎn)。

10） 連接件。于排氣口配合，在試驗(yàn)過程中通過上下排氣口注入和排放試驗(yàn)液體，試驗(yàn)中密封排氣口，防止液體泄漏。

圖4mE C密封件試驗(yàn)裝置

2．3ME C密封件密封性能測試方法

安裝時(shí)通過外界提供的徑向預(yù)緊力使mEC密封件達(dá)到預(yù)密封狀態(tài)，在試驗(yàn)過程中通過手動(dòng)加壓泵從下安裝蓋的排氣口泵入試驗(yàn)液體，上安裝蓋的排氣口敞開，直至試驗(yàn)液體溢出，再用連接件堵住上安裝蓋的排氣口，液體通過外密封臺(tái)間凸臺(tái)的空隙流入內(nèi)密封臺(tái)與壓環(huán)間的間隙與mEC密封件接觸，mEC密封件達(dá)到工作狀態(tài)，起密封作用。在對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，通過測量腔體內(nèi)壓力的大小來判斷密封圈的密封性能。向試驗(yàn)裝置高壓腔體內(nèi)每次增加6．894mPa（1 000 psi）壓力，直至測試壓力達(dá)到103．4mPa（15 000 psi），穩(wěn)定后保壓15min并檢測是否泄露，保壓期間記錄壓力曲線，并用表格記錄泄漏情況（如表1）。

測試結(jié)果需滿足A PI-SP EC 17D水下井口和采油樹設(shè)施規(guī)范中所規(guī)定的要求，氣密性試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則為每個(gè)保壓周期內(nèi)無可見的泄露。若發(fā)現(xiàn)有可視泄露，則此次壓力測試失敗，測試需重新進(jìn)行。除了遵循API-SPEC-17D規(guī)范的相關(guān)要求，保壓期間記錄的壓力曲線要在以下所描述的范圍之內(nèi)：圖形記錄顯示的壓降率不宜超過試驗(yàn)壓力的3%或2mPa （300psi）中的最小者。最終壓力不應(yīng)低于保壓期結(jié)束之前的試驗(yàn)壓力。初始試驗(yàn)壓力不應(yīng)高出規(guī)定試驗(yàn)壓力的5%。

表1mEC密封壓力測試

3mEC密封件試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)和計(jì)算

MEC密封件的試驗(yàn)裝置為螺栓連接的圓形平蓋結(jié)構(gòu)。因此，按G B150鋼制壓力容器的規(guī)范要求設(shè)計(jì)密封試驗(yàn)裝置的核心尺寸。

3．1 上安裝蓋徑向最小厚度

在試驗(yàn)過程中上安裝蓋通過螺栓組與下安裝蓋連接，起到保護(hù)外密封臺(tái)和密封件的作用，在試驗(yàn)過程中其在軸向和徑向需要承受整個(gè)裝置由于泵入腔體高壓液體所產(chǎn)生的壓力。因此，對(duì)其尺寸的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵。計(jì)算上安裝蓋最小厚度式中：pC為設(shè)計(jì)壓力（內(nèi)部介質(zhì)最大壓力），m Pa，pC＝103．5mPa（根據(jù)API17D要求設(shè)計(jì)壓力為工作壓力的1．5倍）；DL為密封圈計(jì)算直徑，mm，DL＝480mm；Φ為焊接系數(shù)，Φ＝1；［σ］為60Si2mn A材料在常溫時(shí)的許用應(yīng)力，mPa，［σ］＝457mPa。

計(jì)算得δ＝61．30mm

3．2 上安裝蓋軸向最小厚度

式中：DL為密封圈計(jì)算直徑，mm，DL＝480mm；K為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)。

3．3 計(jì)算螺栓連接的上安裝蓋結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K式中：W為操作的螺栓的設(shè)計(jì)載荷，kN，W＝18719kN；LG為螺栓中心至墊片壓緊作用中心線的徑向距離，mm，LG＝171．7mm。

由于上安裝蓋中央開有小孔，因此需要對(duì)上安裝蓋進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。采用整體補(bǔ)強(qiáng)的方法設(shè)計(jì)上安裝蓋軸向厚度，其結(jié)構(gòu)特征系數(shù)改用K1＝K／v進(jìn)行計(jì)算。其中b＝50mm為開孔直徑。

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入計(jì)算得v＝0．896；K1＝0．893；δp＝215．86mm。

3．4 螺栓聯(lián)接受力計(jì)算

螺栓在試驗(yàn)過程中需要承受的軸向拉力F操作試驗(yàn)過程中的螺栓的設(shè)計(jì)載荷。

3．5 計(jì)算所需螺栓公稱直徑d及螺栓個(gè)數(shù)n

計(jì)算螺栓所需截面積Ap。螺栓的材料為60Si2mn A，［σ］＝457mPa為設(shè)計(jì)溫度（20℃）下螺栓材料的許用應(yīng)力；W＝18 719 k N為操作狀態(tài)時(shí)的螺栓的設(shè)計(jì)載荷。

通過計(jì)算得Ap＝40 960．61mm2。

然后確定螺栓直徑與個(gè)數(shù)。其中d0為螺紋小徑，n為螺栓個(gè)數(shù)。

設(shè)計(jì)時(shí)d0與n是互相關(guān)聯(lián)的未知數(shù)。取n＝6，計(jì)算得螺紋小徑d0＝93．26mm。根據(jù)連接緊固螺紋標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)螺栓的公稱直徑為120mm，螺距為6mm，其螺紋小徑為113．51mm，可知其大于d0，滿足要求。

3．6 設(shè)計(jì)結(jié)果

由于上下安裝蓋在試驗(yàn)過程中承受整個(gè)裝置的壓力，因此其性能的好壞對(duì)試驗(yàn)的成敗的影響很大，同時(shí)還可能產(chǎn)生一定的安全隱患，為了保證試驗(yàn)裝置的安全可靠，順利進(jìn)行密封測試，有必要對(duì)上下安裝蓋的強(qiáng)度進(jìn)行校核，結(jié)合表2所算出的數(shù)據(jù)對(duì)上下安裝蓋進(jìn)行了有限元分析，得出上安裝蓋的應(yīng)力分布如圖5所示，下安裝蓋的應(yīng)力分布如圖6所示。

表2 試驗(yàn)裝置關(guān)鍵數(shù)據(jù)

圖5 上安裝蓋工作時(shí)應(yīng)力分布

圖6 下安裝蓋工作時(shí)應(yīng)力分布

由圖5～6可知，上安裝蓋的最大應(yīng)力為118．7mPa，位于上安裝蓋腔體外沿，下安裝蓋的最大應(yīng)力為106．1mPa，位于下安裝蓋腔體外沿，上下安裝蓋的材料為60Si2mnA，材料的許用應(yīng)力為457mPa，當(dāng)取安全系數(shù)為1．5時(shí)，上下安裝蓋能滿足強(qiáng)度要求。上、下安裝蓋出現(xiàn)最大應(yīng)力的地方均在端蓋的腔體外沿，在設(shè)計(jì)中可以通過適當(dāng)?shù)牡箞A角，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1） 根據(jù)G B150鋼制壓力容器的規(guī)范要求和A PI 17D相應(yīng)規(guī)范，針對(duì)設(shè)計(jì)水深1500mm、設(shè)計(jì)壓力為68．94mPa（10 000 psi）、設(shè)計(jì)溫度為－18～120℃的條件，設(shè)計(jì)了臥式采油樹MEC密封件的試驗(yàn)裝置，并對(duì)密封試驗(yàn)的組成和試驗(yàn)裝置的組成進(jìn)行介紹，對(duì)密封性能測試方法進(jìn)行介紹。

2） 根據(jù)G B150鋼制壓力容器的規(guī)范要求設(shè)計(jì)密封實(shí)驗(yàn)裝置上安裝蓋的的軸向和徑向最小厚度，同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)中螺栓的受力情況，計(jì)算得出螺栓組的分布情況和尺寸大小。

3） 為了保證試驗(yàn)安全可靠，順利進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)MEC密封件試驗(yàn)裝置的上、下安裝蓋強(qiáng)度進(jìn)行了校核，計(jì)算結(jié)果表明，上、下安裝蓋滿足強(qiáng)度要求。

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Research of Subsea TreemEC Seal Test Device

ZHAOH onglin1，MEIJing1，T A N G Yahui1，DUA Nmenglan1，
TIANHongping2，CHENH uarong1
（1．Research Center for O ffshore Oil and Gas，China University of Petroleum，Beijing102249，China；2．KingdreamPublic Limited Com pany，W uhan430223，China）

MEC sealis a key technology of subsea tree seal currently．In order to test its seal performance，a device for themE C seal is designed and the analysis of the key parameters and the composition of the device designed have been carried out．In the end，the strength of the upper and lowermounting cover has been cheeked by using the ABAQUS soft-ware，the resultindicates that the design of the device satisfies the requirement of strength．

subsea tree；seal；test device；design

T E952

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．010

2014-10-22

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目“水下采油樹關(guān)鍵技術(shù)研究及成套設(shè)備研制”（2012 A A09 A205）

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目“水下采油樹關(guān)鍵技術(shù)研究及成套設(shè)備研制”（2012 A A09 A205）

趙宏林（1962-），男，江蘇泰興人，教授，1999年畢業(yè)于西安理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，現(xiàn)從事海洋工程裝備研究工作，E-mail：zhaohl86＠163．com。