350 ℃往復(fù)式動(dòng)密封井下工具設(shè)計(jì)研究

張磊

（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

在石油工業(yè)中，許多井下工具需要進(jìn)行往復(fù)式動(dòng)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如滑套、注水工作筒等。隨著油氣資源的開發(fā)環(huán)境朝著更惡劣和非常規(guī)的方向發(fā)展，越來越多的油氣田面臨高溫的井筒條件。高溫井筒條件下，橡膠基密封體容易發(fā)生高溫降解失效，使井下工具的密封耐受性出現(xiàn)問題。以井下工具中常見的注水測調(diào)工具為例，目前條件下，海上油田常用的測調(diào)工具內(nèi)均含有橡膠基密封體，無法滿足高溫油田注水測調(diào)需求[1-3]。本文對350 ℃動(dòng)密封在井下工具的應(yīng)用情況進(jìn)行研究，主要研究對象為用于實(shí)現(xiàn)井下工具水嘴開關(guān)的高溫動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，采用350 ℃動(dòng)密封組件代替彈性密封體，進(jìn)行350 ℃動(dòng)密封井下工具設(shè)計(jì)可行性研究，對于解決高溫環(huán)境下的密封需求、提高井下工具的密封可靠性具有重要意義。

1 350 ℃動(dòng)密封結(jié)構(gòu)形式

常見的密封形式包括橡塑密封、彈性金屬密封、螺紋密封、機(jī)械密封、填料密封、閥門密封、研合面密封和迷宮密封，為選擇合適的350 ℃密封結(jié)構(gòu)，本文總結(jié)了不同密封形式的特點(diǎn)，如表1所示。

表1 不同密封形式的特點(diǎn)

橡塑密封原理簡單，易于推廣，但是目前已知的橡塑密封最高耐溫327 ℃，不滿足350 ℃耐溫要求。在彈性金屬密封方面，許多公司已能生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的金屬O圈、E圈、C圈等彈性金屬密封產(chǎn)品。彈性金屬密封的優(yōu)點(diǎn)是耐高溫、高壓，但缺點(diǎn)是動(dòng)密封情況下，磨損對O圈密封性能影響很大。螺紋密封的優(yōu)點(diǎn)是耐高溫、密封可靠，但缺點(diǎn)是開關(guān)轉(zhuǎn)矩較大，不適用于井下工具的開關(guān)。常用的機(jī)械密封包括彈簧機(jī)械密封和波紋管機(jī)械密封兩種形式。機(jī)械密封的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)密封、耐高溫、高轉(zhuǎn)速，缺點(diǎn)是不耐高壓。此外，隨著非接觸式密封的推廣，越來越多的機(jī)械設(shè)備采用了非接觸式密封，而迷宮密封就是其中應(yīng)用比較廣泛的一種密封。迷宮密封可以耐高溫高壓。

2 350 ℃動(dòng)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)不同密封形式的特點(diǎn)和在井下工具上的適用性，確定不同密封形式在350 ℃動(dòng)密封設(shè)計(jì)上的可行性，決定對350 ℃彈性金屬O圈密封進(jìn)行設(shè)計(jì)。

高溫密封要求金屬密封材料必須具備一定的強(qiáng)度和韌性、高熔點(diǎn)及耐腐蝕性。常用的金屬密封材料包括不銹鋼、鉻鎳合金等，根據(jù)不同的使用條件，選擇不同的材料。此外，還可以在金屬表面添加軟性、韌性的材料涂層，如PTFE或者銀，這樣可以降低對O圈槽表面粗糙度的要求。對于350 ℃以上的條件，推薦使用鉻鎳合金。

假設(shè)金屬C環(huán)基體材料采用Alloy718或AlloyX750，外層包覆材料為銀，厚度為0.03～0.04 mm。當(dāng)密封環(huán)所受壓力達(dá)到或超過銀的屈服強(qiáng)度后，銀層將產(chǎn)生塑形變形，由于銀具有很好的塑形流動(dòng)性，因此可以填補(bǔ)密封面上的微觀不足，從而形成有效的密封。為了保證密封的有效性，金屬C環(huán)的壓縮率需要達(dá)到10%左右。利用基體的彈性回復(fù)力和金屬銀層的塑形變形來密封。

1)幾何建模。建立軸對稱模型，分別對旋轉(zhuǎn)軸、O圈槽和金屬C環(huán)、表面鍍層進(jìn)行建模，幾何建模如圖1所示。其中，旋轉(zhuǎn)軸和O圈槽假設(shè)為剛體，不考慮旋轉(zhuǎn)軸和O圈槽的變形和應(yīng)力。

模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

圖1 彈性金屬密封幾何模型

表2 金屬C環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)表 mm

模型使用的材料基本特性如表3所示。

表3 金屬C環(huán)材料性能表

350 ℃條件下的718合金力學(xué)性能為：σ0.2為970 MPa，強(qiáng)度極限σb為1160 MPa，彈性模量為196 GPa，斷面伸縮率為19.4%。

2)結(jié)果分析。計(jì)算金屬C環(huán)在壓縮狀態(tài)下的Mises應(yīng)力分布如圖2所示[4-6]。

圖中，金屬C環(huán)本體上的最大Mises應(yīng)力發(fā)生在C環(huán)中間位置，最大為863 MPa。鍍層上的最大Mises應(yīng)力發(fā)生在鍍層與剛體接觸的位置，最大為440 MPa。接觸區(qū)域的大小和壓力分布決定了密封環(huán)的密封效果。計(jì)算金屬C環(huán)上的接觸壓力，接觸壓力最大為234 MPa，發(fā)生在金屬C環(huán)鍍層與剛體接觸的兩側(cè)位置。提取左側(cè)接觸面上的接觸壓力分布，單側(cè)有效接觸面寬度為0.2 mm。

綜上所述，常溫條件下，金屬C環(huán)本體上最大等效應(yīng)力為863 MPa，本體發(fā)生彈性變形，鍍層最大等效應(yīng)力為465 MPa，銀層發(fā)生塑形變形，填補(bǔ)接觸面的粗糙表面，接觸面上的接觸壓力最大為234 MPa，接觸寬度為0.21 mm，可以實(shí)現(xiàn)有效密封。為驗(yàn)證金屬C環(huán)在350 ℃條件下的密封性能，定義金屬材料的線性熱膨脹系數(shù)為1.35×10-5/℃，考慮金屬C環(huán)的熱應(yīng)力，計(jì)算金屬C環(huán)在壓縮狀態(tài)下的Mises應(yīng)力分布如圖3所示。

圖2 金屬C環(huán)在壓縮狀態(tài)下的Mises應(yīng)力分布圖

圖中，金屬C環(huán)本體上的最大Mises應(yīng)力發(fā)生在C環(huán)右側(cè)開口位置，最大為1559 MPa。鍍層上的最大Mises應(yīng)力發(fā)生在鍍層與剛體接觸的位置，最大為470.9 MPa。

接觸區(qū)域的大小和壓力分布決定了密封環(huán)的密封效果。計(jì)算金屬C環(huán)上的接觸壓力，左側(cè)接觸壓力最大為485 MPa，右側(cè)接觸壓力最大為502 MPa。提取右側(cè)接觸處的接觸壓力分布，接觸面寬度為0.21 mm。

綜上所述，350 ℃條件下，金屬C環(huán)本體上最大等效應(yīng)力為1559 MPa，鍍層最大等效應(yīng)力為486 MPa。兩側(cè)接觸面上的最大接觸壓力分別為485 MPa和502 MPa，接觸寬度為0.21 mm，可以實(shí)現(xiàn)有效密封。

3 350 ℃動(dòng)密封井下工具設(shè)計(jì)

目前海上油田常用的注水工具包括空心集成注水工作筒、邊測邊調(diào)工作筒和預(yù)置電纜工作筒，其采用的密封形式和耐溫耐壓參數(shù)如表4所示。

圖3 350 ℃下金屬C環(huán)在壓縮狀態(tài)下的Mises應(yīng)力分布圖

表4 現(xiàn)有注水工具耐溫耐壓統(tǒng)計(jì)表

以邊測邊調(diào)注水工作筒的活動(dòng)水嘴和固定水嘴處的密封為例，采用全金屬密封結(jié)構(gòu)，對350 ℃動(dòng)密封井下工具進(jìn)行設(shè)計(jì)。邊測邊調(diào)注水工作筒改進(jìn)后的裝配圖如圖4所示。

圖4 全金屬密封邊測邊調(diào)注水工作筒改進(jìn)后裝配圖

圖中，圓圈處原來為橡塑密封結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后為全金屬密封結(jié)構(gòu)，其中包括彈性金屬O圈軸向靜密封共3處、彈性金屬O圈軸向動(dòng)密封共2處。使用彈性金屬O圈靜密封代替原有的橡膠O圈，大大提高了工作筒使用溫度和密封可靠性。對于其他形式的井下注水工具，如預(yù)置電纜工作筒、空心集成工作筒等，均可利用各種形式的350 ℃密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，解決高溫注水需求，保證井下工具密封的可靠性和安全性。

4 結(jié)論

1)350 ℃條件下，橡塑密封將失效。對各種形式的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，總結(jié)了不同密封形式的特點(diǎn)，結(jié)果表明，彈性金屬密封適用于350 ℃往復(fù)式動(dòng)密封井下工具。

2)利用有限元分析軟件ABAQUS對彈性金屬密封進(jìn)行分析，結(jié)果表明，彈性金屬密封在350 ℃、20 MPa條件下可以實(shí)現(xiàn)有效密封。在現(xiàn)有井下工具基礎(chǔ)上，利用彈性金屬密封代替?zhèn)鹘y(tǒng)橡膠密封，可以有效提高井下工具的密封可靠性。