彭立群，林達文，黃祖華，王 進

（ 株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

海洋鉆井收縮式封隔器試驗設(shè)計與研究

彭立群，林達文，黃祖華，王 進

（ 株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

封隔器密封試驗是對鉆井平臺防泄漏系統(tǒng)進行安全性判定最重要的手段之一。分析了收縮式封隔器的結(jié)構(gòu)與原理，設(shè)計了單件密封與組件密封兩種試驗方案并進行了分析比較，重點分析了單件密封試驗，并對收縮式封隔器靜態(tài)密封和疲勞性能進行了研究。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)封隔器的靜態(tài)密封和疲勞性能滿足使用要求，所設(shè)計的試驗方案為石油領(lǐng)域封隔器類橡膠件的壓裝提供了一種施工工藝，研究成果對封隔器類產(chǎn)品的研發(fā)和試驗起指導(dǎo)作用。

封隔器；密封性能；試驗研究

0 前言

封隔器作為海洋鉆井平臺隔水管系統(tǒng)中的一個重要單元設(shè)備，主要利用膠筒橡膠的變形進行密封，使鉆井過程中的淺層氣及鉆井液遠離鉆臺，以保證操作人員及設(shè)備的安全［1］。封隔器在正式使用前必須對其性能進行檢測，尤其是產(chǎn)品的靜態(tài)密封和疲勞性能。為確保鉆井平臺的安全性，更需要對其進行合理、全面的試驗［1-3］。

根據(jù)密封方式的不同，封隔器分為收縮式和壓縮式兩種。其中收縮式是利用橡膠的徑向收縮變形來實現(xiàn)密封的，而壓縮式是利用橡膠的軸向壓縮變形來實現(xiàn)密封的。文章以一種收縮式封隔器為研究對象，不僅設(shè)計了一套合理的試驗及壓裝方案，而且對封隔器的靜態(tài)密封和疲勞性能進行了試驗研究。

1 隔水管系統(tǒng)

隔水管系統(tǒng)是海洋油氣勘探開發(fā)中的重要單元裝備，是連接海底至鉆井平臺之間的重要通道，它主要用來隔離外界海水，用于鉆井液循環(huán)、支撐控制管線，為鉆桿、鉆井工具從鉆臺到海底井口裝置提供導(dǎo)向。而封隔器是隔水管系統(tǒng)中重要的部件，安裝于隔水管系統(tǒng)上端接近鉆井平臺處，是最后一道防泄漏保護裝置（詳見圖1）。

圖1 海洋鉆井隔水管系統(tǒng)

1.1 封隔器

目前的收縮式封隔器型號主要有MD系列、MDF系列、CSO系列。其中MD系列封隔器主要用在淺水，如自升式等平臺鉆井系統(tǒng)中；MDF系列主要用在深水海洋鉆井隔水管系統(tǒng)中。這兩種類型產(chǎn)品的最大額定壓力為14 MPa，它們的主要特點是可根據(jù)鉆具直徑的大小選擇不同規(guī)格。膠心為分瓣式結(jié)構(gòu)，拆裝方便且具有使用壽命長的特點。

CSO 系列封隔器的上部結(jié)構(gòu)類似于球形防噴器，封隔器外殼及管線出口結(jié)構(gòu)與 MD系列基本相同，不同之處在于密封膠芯本體結(jié)構(gòu)及其促動機構(gòu)。密封膠芯采用傳統(tǒng)的球形結(jié)構(gòu)，由橡膠和12～16 塊鐵芯硫化而成，膠芯的關(guān)閉由其底部的活塞在液壓的作用下沿著外殼內(nèi)壁向井口方向收攏，起到密封鉆具的作用。

圖2 收縮式封隔器結(jié)構(gòu)示意

1.2 膠筒

由于密封方式不同，封隔器膠筒分收縮式和壓縮式兩種，其中收縮式膠筒是一種圓柱形結(jié)構(gòu)的橡膠金屬彈性元件，利用高溫、高壓將橡膠與金屬硫化而成，主要由金屬環(huán)、橡膠層、O形圈組成（詳見圖3）。

圖3 收縮式膠筒

2 實驗

對收縮式封隔器還沒有具體的試驗標(biāo)準，主要參照SY/T 5106—1998 《油氣田用封隔器通用技術(shù)條件》，SY/T 5404—2002 《擴張式封隔器》，SY/T 6222—2012《套管封隔器》。其中密封用膠筒試驗可以參照HG/T 2181—2009《耐酸堿橡膠密封件材料》，HG/T 2579—2008《液壓系統(tǒng)用O形橡膠密封圈材料》，HG/T 2810—2008《往復(fù)運動橡膠密封圈材料》，鐵道行業(yè)標(biāo)準TB/T 2843—2010《機車車輛橡膠彈性元件通用技術(shù)條件》，日本工業(yè)標(biāo)準JIS E 4710—1995《鐵道機車車輛橡膠隔振器通則》等［4-5］，具體試驗按本企業(yè)內(nèi)部規(guī)范《收縮式封隔器試驗技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行。

收縮式封隔器性能主要包括靜態(tài)密封性能和疲勞性能兩部分。靜態(tài)密封性能是指對收縮式封隔器施加徑向鎖緊壓力并保持不變，然后施加軸向壓力，測試封隔器的密封性能；疲勞試驗是在靜態(tài)密封性能的基礎(chǔ)上，反復(fù)加壓、卸壓，對橡膠層進行徑向收縮疲勞試驗。具體的試驗方案包括單件密封和組件密封兩種，分別如圖4和圖5所示。重點介紹一下單件密封的試驗方案。

圖4 單件密封試驗

單件密封試驗：設(shè)計一種由外殼、端蓋、底盤、芯軸（模擬鉆桿）、徑向壓力通道、軸向壓力通道、O形圈、吊環(huán)組成的模擬封隔器裝置，設(shè)計徑向、軸向兩套增壓裝置 。其中軸向壓力是模擬淺層氣及鉆井液突然上升的壓力，徑向壓力是在緊急情況時人為施加的操作壓力。

將膠筒安裝于封隔器中，利用膠筒外圈橡膠與外殼內(nèi)表面構(gòu)成一個外腔，當(dāng)施加徑向壓力時，外腔充滿液壓油，封隔器在徑向壓力作用下鎖緊芯軸，此時與底盤、外殼、芯軸之間又構(gòu)成一個外腔；當(dāng)施加軸向壓力時，內(nèi)腔充滿液壓油，測試封隔器內(nèi)圈橡膠與芯軸的密封性能［4-5］。

圖5 組件加載試驗

組件密封試驗：設(shè)計一種由外端蓋、中端蓋、內(nèi)端蓋、外殼、底盤、芯軸（模擬鉆桿）、定位環(huán)、徑向壓力通道、軸向壓力通道、O形圈、吊環(huán)組成的模擬封隔器裝置，試驗原理與單件試驗相同，也是一種通用性的試驗裝置，通過更換不同的芯軸和端蓋可對三種不同型號的封隔器進行密封試驗。但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，適用于小口徑和變口徑鉆桿封隔器密封試驗。

2.1 試驗裝置

2.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

將試驗裝置設(shè)計得模塊化、標(biāo)準化，方便裝配和拆卸。其主要由模擬封隔器和裝置兩部分組成。由于鉆井平臺現(xiàn)場無大型液壓設(shè)備，對于大直徑、帶O形圈密封橡膠件，必須設(shè)計專門的壓裝裝置。該壓裝裝置由上橫梁、立式液壓千斤頂、中橫梁、絲桿、下橫梁組成一個獨立的框架。單件和組件密封試驗壓裝原理一致，分別如圖6和圖7所示。重點介紹單件密封試驗的壓裝過程。

2.1.2 裝配過程

裝配過程分壓入和取出兩部分。封隔器壓入：以低橫梁為基準，依次安裝底盤、O形圈、絲桿、外殼、芯軸、封隔器、中橫梁、上橫梁，將立式液壓千斤頂放置于中橫梁與上橫梁之間，操作千斤頂施加載荷，使中橫梁向下移動至封隔器進入模擬封隔器裝置內(nèi)，如圖8（a）所示。

圖6 單件密封試驗壓裝

圖7 組件密封試驗壓裝

圖8 封隔器裝配過程

封隔器壓出：將立式液壓千斤頂放置于中橫梁與下橫梁之間，操作千斤頂施加載荷，使中橫梁向上移動至封隔器離開模擬封隔器裝置，如圖8（b）所示。

3 結(jié)果與討論

3.1 靜態(tài)密封試驗

3.1.1 試驗方法

試驗方法包括抽真空、徑向、軸向預(yù)加載和徑向、軸向正式加載五個部分。

抽真空：取出模擬封隔器裝置外腔和內(nèi)腔堵頭，利用增壓泵向空腔施加壓力液體（含體積分數(shù)5%的可溶油和干凈自來水）。當(dāng)排氣孔有液體流出時，表明腔內(nèi)已是真空。擰緊堵頭，準備加壓試驗。

徑向預(yù)加載：徑向壓力以3 MPa/min增壓速度加壓至3 MPa，保持5 min，觀察橡膠變形及泄漏情況。

徑向正式加載：徑向壓力以4 MPa/min增壓速度，間隔1 MPa保持5 s，加壓至4 MPa，使橡膠鎖緊芯軸并始終保持不變，觀察橡膠變形及泄漏情況，記錄時間與壓力試驗數(shù)據(jù)。

軸向預(yù)加載：軸向壓力以5 MPa/min增壓速度加壓至10 MPa，保持5 min，觀察橡膠變形及泄漏情況。

軸向正式加載：軸向壓力以7 MPa/min增壓速度，間隔2 MPa保持5 s，加壓14 MPa保持10 min，觀察橡膠變形及泄漏情況，記錄時間與壓力試驗數(shù)據(jù)，同時記錄此時的徑向壓力值。

3.1.2 試驗結(jié)果

橡膠變形及壓力變化情況：初始狀態(tài)時內(nèi)圈橡膠與芯軸之間測有5 mm間隙。當(dāng)施加徑向壓力時，橡膠開始向芯軸收縮，間隙越來越小。隨著壓力增加至4 MPa，間隙消失，橡膠完全抱緊芯軸，徑向壓力保持不變。當(dāng)施加軸向壓力時，橡膠保持原狀，當(dāng)軸向壓力大于4 MPa時，徑向壓力迅速上升；當(dāng)軸向壓力達到14 MPa時，徑向壓力也增加到相同壓力值，觀察橡膠表面無異常，徑向、軸向壓力時間曲線見圖9。

試驗泄漏情況：在徑向和軸向整個試驗加壓過程中均無任何泄漏現(xiàn)象。

3.1.3 結(jié)果分析

壓力變化、橡膠變形、泄漏情況是評判封隔器靜態(tài)密封性能的三個重要參數(shù)。

圖9 徑向/軸向壓力與時間曲線

壓力變化：從圖9可知，首先施加的徑向壓力隨時間增加而變大，當(dāng)壓力值增加到4 MPa時，橡膠產(chǎn)生的收縮變形鎖緊芯軸，壓力值暫時保持不變。然后施加的軸向壓力也隨時間增加而變大，當(dāng)壓力值超過4 MPa時，徑向壓力迅速變大，最終軸向和徑向壓力同時達到14 MPa。這是因為內(nèi)腔與外腔之間存在壓力傳遞效應(yīng)，橡膠由原來的收縮狀態(tài)在軸向壓力作用下再次發(fā)生擴張變形，導(dǎo)致徑向壓力上升，最終內(nèi)腔與外腔壓力達到相同值。

橡膠變形：從試驗描述的情況分析，該封隔器橡膠層具有一定的彈性變形，單邊變形量控制在8～10 mm之間，滿足了高壓密封需要，且橡膠具有一定的強度，能承受14 MPa的壓力。這表明該類結(jié)構(gòu)的封隔器具有較好的密封性能。

泄漏情況：整個封隔器裝置是否發(fā)生泄漏是安全性判定中最關(guān)鍵的一項參數(shù)。從試驗描述來分析，在整個試驗過程中均未發(fā)生泄漏。從圖9得知，壓力增加至14 MPa后，未發(fā)生壓降。

3.2 疲勞試驗

3.2.1 試驗方法

徑向壓力以4 MPa/min速度增壓至4 MPa，保持不變。軸向壓力以7 MPa/min速度增壓至14 MPa，保持1 min后，內(nèi)腔先卸壓，外腔再卸壓。以上為一個循環(huán)，反復(fù)加載200次，觀察有無泄漏。試驗后取出產(chǎn)品，觀察橡膠與金屬粘接處有無裂紋，表面有無氣泡等。

3.2.2 試驗結(jié)果

整個試驗過程中均未發(fā)生泄漏、壓降現(xiàn)象。試驗后取出產(chǎn)品，目測觀察產(chǎn)品的橡膠與金屬粘接處，未發(fā)現(xiàn)裂紋［詳見圖10（a）］；清洗后產(chǎn)品的橡膠表面未發(fā)現(xiàn)氣泡、開裂等［詳見圖10（b）］。

圖10 試驗后封隔器狀態(tài)

3.2.3 結(jié)果分析

泄漏情況、粘接強度、橡膠表面狀態(tài)是密封用橡膠彈性元件疲勞性能判定中最重要的三個參數(shù)。

泄漏情況：泄漏試驗包括試驗工裝和封隔器兩部分，從試驗結(jié)果來分析，封隔器橡膠在反復(fù)收縮、擴張、復(fù)位變形后，仍具備較好的高壓密封作用。

粘接強度：封隔器的密封主要依靠橡膠的徑向收縮變形，當(dāng)橡膠變形后，上下端金屬件與橡膠結(jié)合處是應(yīng)力最為集中之處，此處的粘接強度直接關(guān)系到產(chǎn)品的密封性能。從圖11分析，該結(jié)構(gòu)的封隔器具有較好粘接強度和疲勞性能。

橡膠表面狀態(tài)：封隔器的橡膠層厚、寬，受力面積大，硬度高，在反復(fù)變形后通常會出現(xiàn)氣泡等。從圖10來看，產(chǎn)品橡膠表面并無氣泡、開裂等現(xiàn)象。

4 有限元分析

建立封隔器1/2有限元模型，主要對封隔器橡膠徑向收縮受力進行分析，與試驗進行比對，其中封隔器在徑向壓力作用下的應(yīng)力、應(yīng)變情況如圖11所示。

圖11 封隔器應(yīng)變云圖

應(yīng)力分布：從圖11得知，封隔器的最大應(yīng)力在橡膠與金屬粘合處，工裝最大應(yīng)力在芯軸中間受力處，與試驗分析一致。

應(yīng)變情況：從圖11得知，封隔器橡膠變形與壓力成正比，當(dāng)壓力為4 MPa時，橡膠完全與芯軸貼合，與試驗分析一致。

5 結(jié)語

（1）通過分析封隔器的結(jié)構(gòu)與原理，分別提出單件與組件密封兩種試驗和裝配方案并進行了分析比對，為封隔器類產(chǎn)品試驗設(shè)計提供參考。

（2）研究表明，該結(jié)構(gòu)收縮式封隔器的靜態(tài)密封和疲勞性能滿足使用要求，所設(shè)計的裝配方案為石油領(lǐng)域封隔器類橡膠件的壓裝提供了一種施工工藝參考。

（3）試驗方案能模擬實際工況進行試驗，試驗設(shè)計達到預(yù)期目的，具有一定的推廣應(yīng)用價值，為同類產(chǎn)品的研發(fā)和試驗起到指導(dǎo)作用。

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［4］ 彭立群， 林達文. 封隔器膠筒密封性能測試方法及密封性能測試裝置［P］. 中國∶CN 201510366740.1， 2015-06-29.

［5］ 彭立群，林達文. 一種收縮式模擬封隔器及其拆裝方法［P］.中國∶CN 201510366880.9， 2015-06-29.

［6］ 王進，譚帥霞，林達文.軌道交通橡膠彈性元件配方分析和性能試驗技術(shù)［M］. 北京：中國鐵道出版社， 2013.

［責(zé)任編輯：朱 胤］

TQ 336.4+2

B

1671-8232（2015）12-0031-06

2015-09-17

彭立群（1983— ），男，湖南永州人，工程師，長期從事橡膠彈性元件的試驗設(shè)計與研究。