郭 駿， 朱生東， 張鵬舉， 袁錦紅， 施 佳

(1.中海石油深海開發(fā)有限公司， 廣州 深圳 518000； 2.美鉆能源科技(上海)有限公司， 上海 200943)

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油管掛環(huán)空金屬密封制造技術研究

郭 駿1， 朱生東1， 張鵬舉2， 袁錦紅2， 施 佳2

(1.中海石油深海開發(fā)有限公司， 廣州 深圳 518000； 2.美鉆能源科技(上海)有限公司， 上海 200943)

該文根據水下采油樹的應用環(huán)境和要求，對水下采油樹油管掛環(huán)空金屬密封件的設計結構及原理、性能要求、制造工藝等進行了技術分析，并闡述了制造工藝過程中的技術難點及解決措施。在此基礎上，進行了油管掛金屬密封的研制，并將其應用于采油樹制造項目，產品的各項試驗結果表明，其質量及性能滿足設計要求。

水下采油樹；金屬密封；鎳基合金；壓力自緊密封；金屬彈性性能；表面鍍銀

0 引言

水下采油樹作為海洋油氣開采過程中的關鍵油氣生產控制設備，是位于海底井口頂端開口處的一個系統(tǒng)組件，它提供了一系列用于原油生產、控制、測試及維修的通道和各種用來測量和維修的閥門。水下采油樹油管掛環(huán)空金屬密封是位于油管掛與樹本體的環(huán)形空間內的一道關鍵密封，其密封介質是從海底地層開采出的具有高溫、高壓及高腐蝕性的原油(氣)，惡劣的工況條件對密封件的性能提出了很高的要求，其核心制造技術長期被國外壟斷，我國一直依賴進口。因此，作為水下采油樹關鍵密封件，有必要對其進行研發(fā)制造。

1 油管掛環(huán)空金屬密封設計原理及結構

水下采油樹在油管掛與樹本體之間存在環(huán)形間隙空間(環(huán)空)，當生產油氣介質水平生產出口時，必須防止流體從環(huán)形間隙空間泄漏出去，因而在水平生產出口的兩側分別設計了一道雙U型金屬彈性密封件作為主密封，如圖1所示。

圖1 油管掛環(huán)空雙U型彈性金屬密封

油管掛雙U型彈性金屬密封原理如圖2所示，其密封原理是利用金屬彈性在介質壓力作用下產生彈性形變，使之與密封配合面達到緊密貼合，從而實現壓力自緊密封。

圖2 雙U型金屬密封的結構形式

2 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封的設計要求

設計上油管掛雙U型金屬密封為油管掛與樹本體之間的環(huán)空主密封，其密封技術參數及要求如下：工作壓力為10 000 psi；試驗壓力為15 000 psi；產品API規(guī)范等級為PSL 3/3G；性能測試為PR2。

要實現以上設計性能，對密封件材料的熔煉組織和熱處理工藝、密封件的成形加工工藝、表面處理工藝等提出了以下要求：(1) 油管掛環(huán)空金屬密封材料須有良好的彈性及疲勞強度；(2) 油管掛環(huán)空金屬密封材料既能耐高低溫又能耐原油介質腐蝕，同時能實現高壓可靠密封。

3 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封的制造技術方案

3.1 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封的材料選擇

(1) 考慮到油管掛雙U型金屬密封的耐腐性，成形加工性能及金屬彈性要求，設計采用鎳基合金INCONEL 718作為密封件的材質。

(2) INCONEL 718合金是含鈮、鉬的沉淀硬化型鎳鉻鐵合金，在700℃時具有高強度、良好的韌性以及在高低溫環(huán)境均具有耐腐蝕性，供貨狀態(tài)通常是固溶處理后沉淀硬化態(tài)。

(3) INCONEL 718合金具有良好的耐腐蝕性，易成形加工性能，經過有效的冶煉工藝及熱處理工藝，INCONEL 718合金可獲得良好的細晶粒組織及彈性性能。

3.2 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封制造工藝流程

油管掛環(huán)空雙U型金屬密封的工藝流程如圖3所示：

圖3 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封的工藝流程

3.3 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封制造關鍵工藝

(1) 毛胚材料的熔煉、鍛造及熱處理工藝。

(2) 雙U形密封件的成形加工工藝。

(3) 密封件的表面鍍銀處理工藝。

4 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封的制造工藝措施

4.1 毛胚材料的熔煉、鍛造及熱處理

(1) 從設計原理上考慮，油管掛雙U型金屬密封屬于金屬彈性密封，因此要求密封件的材料具有細密的晶粒組織，良好的綜合機械性能及彈性性能。

(2) 在冶煉工藝方面，為獲得更純凈化的鋼水，減低氣體含量與有害元素含量，通常采用真空感應爐熔煉，甚至用真空感應冶煉加真空自耗爐或電渣爐重熔方式進行生產。鍛造、軋制工藝是為了優(yōu)化微觀組織；熱處理工藝包括固溶處理、中間處理和時效處理，是為了獲得所要求的組織狀態(tài)和良好的綜合機械性能。

(3) 通常INCONEL718會使用以下兩種熱處理：1) 加熱到926℃～1 010℃，水中快速冷卻至室溫，然后升溫至718℃保持8 h，爐內冷致函至621℃，在621℃保持18 h作為時效處理，隨后在空氣中冷卻至室溫；2) 加熱到1 037℃～1 065℃，水中快速冷卻至室溫，然后升溫至760℃保持10 h，爐內冷至648℃，在649℃保持20 h作為時效處理，隨后在空氣中冷卻至室溫。

4.2 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封件的機械加工

4.2.1 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封件的機械加工技術難點

油管掛環(huán)空雙U型金屬密封件，其加工難點在于：

(1) 材質INCONEL718的機加工易引起刀具的嚴重磨損。

(2) 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封零件的整體剛性小，不僅在用工裝夾持時容易產生夾持變形，切削加工時切削力也會引起工件彈性變形，影響尺寸精度。

4.2.2 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封件的機械加工措施

(1) 改善刀具磨損的工藝措施

1) 為解決鎳基合金機加工的刀具磨損問題，可采用最新發(fā)展的氣相沉積技術，對傳統(tǒng)的硬質刀具進行涂層改性。研究表明，通過對硬質刀具進行(Al/Ti)N-PVD復合涂層以及PVD納米涂層改性，使刀具具有更好的耐磨性能、抗氧化性、化學穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性，從而顯著提高了刀具的使用壽命及工件的加工質量。

2) 新型的PVD復合涂層及納米涂層改性技術的優(yōu)勢在于：

(a) 新型的氣相沉積復合涂層及納米涂層與刀具有很強的結合強度；

(b) 新型的氣相沉積復合涂層及納米涂層改善了刀具的熱傳導性能；

(c) 新型的氣相沉積復合涂層及納米涂層不僅提高了刀具切削刃的硬度，增強了抗氧化性，同時還降低了其與被切削金屬的親和力，從而改善了刀具的抗粘著磨損。

(2) 防止加工變形的工藝措施

1) 工藝分析

雙U形油管掛金屬密封件外形(如圖4所示)呈現一大直徑薄壁圓環(huán)結構，整體剛度弱，加工時的切削力往往造成被加工件的彈性變形，產生振刀，從而影響加工的尺寸精度。為此，在不同的加工階段，必須采用相應的工裝夾具來裝卡被加工的密封件，以增大其剛度，從而確保其加工的尺寸穩(wěn)定性。

圖4 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封的外形

2) 加工步驟

第一步：用機床卡盤、壓板及拉桿卡住工件毛胚，加工出一端端面及圓環(huán)內周型面，并以此作為基準面，如圖5所示。

圖5 卡盤裝夾加工出基準面

第二步：以已加工面為基準，用內撐式自定心卡盤、壓板及拉桿螺栓將工件裝卡固定于機床花盤或與機床旋盤連接，分別加工出兩頭端面外形及U形槽，如圖6所示。

圖6 加工端面及U形槽

第三步：將自制專用撐環(huán)撐住U形槽的內圓面，并利用壓板、拉桿螺栓和自定心卡盤等工裝將工件固定于花盤或旋盤，加工出外形面，如圖7所示。

圖7 加工外形面

3) 加工工裝

為防止由于夾具的夾持力過大而引起的夾持變形，加工薄壁零件往往采用多點軟爪夾持、擺動夾持、彈性夾持或真空夾持的裝夾措施，使夾持力更加均勻，從而減小夾持變形引起的加工尺寸誤差。

4.3 油管掛雙U型金屬密封的表面處理

(1) 油管掛雙U型金屬密封是在介質的壓力下依靠金屬的彈性實現金屬間的緊密貼合，從而實現密封。為了達成金屬之間良好的緊密貼合效果，往往還在金屬密封面上鍍一層較軟的金屬。

(2) 對油管掛雙U型金屬密封的密封面，其表面處理措施采取表面鍍銀工藝。其技術優(yōu)點有：

1) 密封件表面鍍銀,使用時能增強密封性能，還能防粘著，抗咬合。

2) 鍍銀層有良好的抗腐蝕性。

3) 鍍銀層良好的導電性保證了陰極保護的連續(xù)性。

(3) 鍍銀工藝路線

鍍銀工藝流程如圖8所示：

圖8 鍍銀工藝流程

(4) 鍍銀工藝質量的主要影響因素

1) 鍍銀工序前的預處理工序質量決定影響鍍銀層的結合強度。

2) 鍍銀工序后的鈍化及防變色保護膜處理工序質量對鍍銀層的抗變色及抗氧化性能影響顯著。

3) 電鍍液的成分配制及雜質含量，電流密度，電鍍液的溫度等工藝參數直接影響鍍層性能。

5 結語

(1) 油管掛環(huán)空雙U型金屬密封制造技術關鍵在于毛胚材料的熔煉、鍛造及熱處理，密封件機械加工以及表面處理。

(2) INCONEL 718合金具有良好的耐腐蝕性，易成形加工性能，經過有效的冶煉工藝及熱處理工藝，可獲得良好的細晶粒組織及彈性性能。

(3) 采用最新發(fā)展起來的氣相沉積技術，對傳統(tǒng)的硬質刀具進行涂層改性，可解決鎳基合金機加工的刀具磨損問題。

(4) 密封件表面鍍銀，能增強密封性能，還能防粘著，抗咬合。

(5) 采用特殊工裝夾具來加工薄壁的金屬彈性密封件，以增大其剛度，可確保加工尺寸穩(wěn)定性。

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[2] ISO 10423.石油和天然氣工業(yè)—鉆井和采油設備—井口裝置和采油樹設備[S].2009.

[3] ISO 15156.石油和天然氣工業(yè)—油氣開產中用于含硫化氫(pS)環(huán)境下的材料[S].2009.

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Research on Manufacturing Technology of Tubing Hanger Annular Metal Seal

GUO Jun1, ZHU Sheng-dong1, ZHANG Peng-ju2, YUAN Jin-hong2， SHI Jia2

(1.China National Offshore Oil Corporation， Guangdong Shenzhen 518000，China；2.MSP/DRILEX(Shanghai)Co., Ltd， Shanghai 200943，China)

According to the applied environment and requirements of the subsea Christmas tree, this article conducted a technical analysis on the construction, designed principle, performance requirements and process technology of the tubing hanger annular metal seal on subsea Christmas tree, in addition, an elaborating of the technical difficulties and solving measures during manufacturing process was given in this article .On this basis, the specimen of the metal seal for the tubing hanger has been developed and applied to the subsea Christmas tree project. The results of every relevant test indicated that the quality and performance of the metal seal is capable of meeting the design requirements.

subsea christmas tree; metal seal; nickel-based alloys; pressure self-tight seal;elastic properties of metals;silver planting

2015-10-22

郭 駿(1978-)，男，工程師。

1001-4500(2016)01-0012-05

TE95

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