非金屬密封件材料浸漬試驗(yàn)技術(shù)研究

齊效文，范海濤，許洋(美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

0 引言

非金屬密封件在水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，因水下生產(chǎn)系統(tǒng)安裝程序復(fù)雜、安裝費(fèi)用昂貴，故對(duì)于設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性要求極高。油氣介質(zhì)中通常會(huì)含有硫化氫、二氧化碳等腐蝕性氣體，因此與油氣介質(zhì)接觸的非金屬密封件的性能尤其重要[1]，ISO 10423在《石油和天然氣工業(yè)-鉆井和采油設(shè)備-井口裝置和采油樹(shù)設(shè)備》中明確要求，相關(guān)非金屬密封件需根據(jù)使用工況進(jìn)行不同濃度腐蝕性氣體浸漬試驗(yàn)[2]。

1 非金屬密封件浸漬試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)術(shù)語(yǔ)及定義

1.1.1 試驗(yàn)介質(zhì)

暴露介質(zhì)：柴油 60%，水5%，混合氣體35%，其中混合氣體的比例為：H2S 10%，CO280%，CH410%。增壓介質(zhì)：氮?dú)?/p>

1.1.2 試驗(yàn)溫度

溫度測(cè)量部位：溫度可以被測(cè)量，測(cè)量裝置應(yīng)在一個(gè)13 mm(0.5 in)的通孔內(nèi)與被試驗(yàn)設(shè)備接觸，且距由其他設(shè)備上封存液潤(rùn)濕表面13 mm(0.5 in)以內(nèi)。

最高試驗(yàn)溫度的加熱：在最高試驗(yàn)溫度的加熱過(guò)程中，應(yīng)使整個(gè)容器內(nèi)部或相應(yīng)潤(rùn)濕表面達(dá)到或者超過(guò)最高溫度(≥121 ℃)，或者試件內(nèi)部的加熱液體溫度要達(dá)到或者大于最高溫度。

溫度數(shù)據(jù)的記錄：所有溫度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)連同施加的壓力和同步時(shí)間記錄在圖表記錄器，確保圖表記錄器在整個(gè)的試驗(yàn)中連續(xù)地記錄壓力和溫度。

1.1.3 保壓周期

保壓周期的開(kāi)始：保壓期應(yīng)在壓力和溫度已呈穩(wěn)定，試驗(yàn)設(shè)備和所帶的壓力監(jiān)測(cè)裝置已與壓力源隔離以后開(kāi)始。

8.2 農(nóng)業(yè)防治 結(jié)合冬季修剪，清理殘枝落葉和病蟲(chóng)枝，減少越冬蟲(chóng)源菌源；越冬前全園行間機(jī)械深耕，滅殺越冬蟲(chóng)和菌源。

壓力的穩(wěn)定：當(dāng)每小時(shí)試驗(yàn)壓力的變化不大于5%或者150 PSi時(shí)(取其較小者)，應(yīng)認(rèn)為壓力穩(wěn)定。在整個(gè)保壓期間，壓力變化應(yīng)保持試驗(yàn)壓力的5%或者150 PSi之內(nèi)(取其較小者)。任何保壓試驗(yàn)前的穩(wěn)定周期至少1 h。

溫度的穩(wěn)定：當(dāng)溫度變化小于0.5 ℃(1 °F )/min時(shí)，應(yīng)認(rèn)為溫度穩(wěn)定。在整個(gè)穩(wěn)定期間，溫度要保持或者超過(guò)最大值，但不應(yīng)超過(guò)最大值11 ℃(20 °F)以上。

1.2 安全防護(hù)工作

硫化氫(H2S)是一種無(wú)色、可燃?xì)怏w，其毒性和氰化物相當(dāng)。它是涉及有毒氣體的工業(yè)事故最普遍的原因之一。硫化氫對(duì)人體有劇毒，低濃度下主要是對(duì)眼睛和呼吸道黏膜的刺激作用，可引起化學(xué)性炎癥和肺水腫。高濃度下表現(xiàn)對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)和全身的毒性作用。極高濃度的硫化氫可直接刺激頸動(dòng)脈感受器，反射性地抑制呼吸中樞，導(dǎo)致突然呼吸停止。因此試驗(yàn)過(guò)程中涉及硫化氫的作業(yè)必須做好安全防護(hù)工作。首先需擁有一個(gè)獨(dú)立的酸性氣體試驗(yàn)室里，試驗(yàn)室內(nèi)具有相應(yīng)的氣體傳感設(shè)備和用于吸附工作環(huán)境中的H2S的氣體洗滌設(shè)備(活性碳吸附設(shè)備)。試驗(yàn)室包括一個(gè)控制室，包括獨(dú)立于兩個(gè)酸性氣體試驗(yàn)室的溫度和壓力調(diào)節(jié)設(shè)備，從而為監(jiān)視試驗(yàn)提供一個(gè)無(wú)H2S環(huán)境。試驗(yàn)試驗(yàn)室擁有定制的連續(xù)運(yùn)行的通風(fēng)設(shè)備，經(jīng)由洗滌器底座每小時(shí)數(shù)次凈化試驗(yàn)室空氣。用于酸性氣體試驗(yàn)的浸漬試驗(yàn)容器為410材料，所有壓力變送器及多數(shù)管道系統(tǒng)及連接件均為耐腐蝕合金結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)室內(nèi)電力電纜為蛇皮管包裝而電力連接件(及照明設(shè)備)擁有防爆外殼。由訓(xùn)練有素的授權(quán)工作人員承擔(dān)試驗(yàn)，包括酸性氣體的使用。如果發(fā)生需要介入的事故，此類人員在使用自備通氣設(shè)備方面均訓(xùn)練有素。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

1.3.1 高溫試驗(yàn)設(shè)備

設(shè)備功能：實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)溫度范圍室溫至最大試驗(yàn)溫度，溫度波動(dòng)不大于每分鐘0.5 ℃(1 °F)。通過(guò)專用通道，溫度值反饋給控制中心，并執(zhí)行來(lái)自控制中心的工作指令。

1.3.2 室溫氣壓試驗(yàn)設(shè)備

設(shè)備功能：室溫下氣壓試驗(yàn)用水箱，用于室溫下氣壓試驗(yàn)中，將試驗(yàn)裝置完全浸泡在水中，監(jiān)測(cè)壓力穩(wěn)定情況及保壓期間有無(wú)氣泡產(chǎn)生。

1.4 非金屬密封件浸漬試驗(yàn)

1.4.1 室溫本體氣壓試驗(yàn)

試驗(yàn)溫度：室溫。

試驗(yàn)裝置圖如圖3所示。

試驗(yàn)步驟：(1)按試驗(yàn)裝置圖連接設(shè)備；(2)把整個(gè)裝置放入池水中，或者使用肥皂水涂在所有可能泄漏的地方；(3)在試驗(yàn)容器A側(cè)打氣壓至額定工作壓力1 000 PSi；(4)確保壓力穩(wěn)定后，保壓15 min；(5)泄壓至0；(6)在試驗(yàn)容器B側(cè)打氣壓至額定工作壓力1 000 PSi；(7)確保壓力穩(wěn)定后，保壓15 min；(8)泄壓至0。

驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：(1)在氣壓試驗(yàn)中，在保壓期間水池內(nèi)無(wú)可見(jiàn)的氣泡，或者在泄漏點(diǎn)處無(wú)肥皂氣泡產(chǎn)生；(2)保壓期間壓力穩(wěn)定，每小時(shí)變化率應(yīng)保持在50 PSi以內(nèi)。

1.4.2 浸漬試驗(yàn)

試驗(yàn)介質(zhì)：氮?dú)猓旌蠚怏w：H2S 10%，CO280%，CH410%。

試驗(yàn)溫度：121 ℃

試驗(yàn)步驟：

(1)對(duì)浸漬容器內(nèi)注入容器凈容積的60%的柴油，再注入容器凈容積的5%的蒸餾水；(2)把樣件放入浸漬容器中；(3)按試驗(yàn)裝置圖連接設(shè)備，對(duì)浸漬容器蓋上試驗(yàn)操作箱，打開(kāi)通風(fēng)設(shè)備，使浸漬容器周圍都處于負(fù)壓狀態(tài)；(4)打開(kāi)A側(cè)的截止閥，在A側(cè)用混合氣體為浸漬容器增壓至300±30 PSi，然后關(guān)閉截止閥，把增壓管線中的混合氣體釋放，然后拆除混合氣體增壓管線；(5)加熱浸漬容器，升溫至121 ℃；(6)打開(kāi)B側(cè)截止閥，在B側(cè)通過(guò)氮?dú)鈿鈮罕脼榻n容器增壓至1000±100 PSi，在增壓過(guò)程中，試驗(yàn)溫度不能低于121 ℃或高于132 ℃；(7)關(guān)閉B側(cè)截止閥，氮?dú)庠鰤合到y(tǒng)泄壓；(8)保壓160 h，保壓期間試驗(yàn)壓力為1 000±100 PSi，當(dāng)壓力低于1 000 PSi時(shí)，可打開(kāi)B側(cè)截止閥，補(bǔ)壓至1 000 PSi，然后再關(guān)閉截止閥，氮?dú)庠鰤合到y(tǒng)泄壓。保壓過(guò)程中試驗(yàn)溫度不能低于121 ℃或高于132 ℃；(9)停止加熱，冷卻浸漬容器至室溫；(10)緩慢打開(kāi)C側(cè)的截止閥，按約300 PSi/min的速度泄壓，直至壓力為0；(11)打開(kāi)B側(cè)截止閥，用氮?dú)獯祾呓n容器3 min；(12)移開(kāi)試驗(yàn)操作箱，拆除浸漬容器端蓋，把樣件取出，為樣品拍照，并添加標(biāo)簽及標(biāo)識(shí)，然后把樣件放入盛有柴油容器中，等待做樣件的后續(xù)物理和機(jī)械性能測(cè)試。

圖1 浸漬容器

圖2 樣件浸漬

圖3 試驗(yàn)裝置

驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：

(1)在整個(gè)額定壓力保壓期間，試驗(yàn)壓力在1 000±100 PSi范圍內(nèi)。(2)在高溫試驗(yàn)過(guò)程中，最高試驗(yàn)溫度不能低于121 ℃或高于132 ℃。

2 結(jié)語(yǔ)

(1)非金屬密封件浸漬試驗(yàn)為特定工況使用的非金屬密封件材料性能提供了驗(yàn)證方法，能夠確保密封件在設(shè)備使用壽命時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定性。

(2)試驗(yàn)中的混合氣體選用了標(biāo)準(zhǔn)中最高要求的體積分?jǐn)?shù)，充分的驗(yàn)證了材料的性能，能夠更好地選取到合適的密封材料。