馮春宇 洪 濤 蘭洪強 劉文超 紀(jì)慶宇

(1.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院 四川成都 610500；2.中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司四川成都 610041；3.中國石油塔里木油田公司 新疆庫爾勒 841000)

在天然氣氣井的開采過程中，采氣樹在井口采氣設(shè)備中至關(guān)重要，它是控制井口天然氣流通與截斷的關(guān)鍵設(shè)備[1]。采氣樹的重要組成部分是閘板閥，閘板閥廣泛地應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域[2]，并適用于多種氣體、液體。近年來國內(nèi)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)并開發(fā)了新的天然氣區(qū)塊，部分井口壓力已經(jīng)超過105 MPa，從而開始大量使用140 MPa的采氣井口設(shè)備[3-4]，這同時也對天然氣開采設(shè)備提出了更高的要求。井口壓力的提高，對閘板閥的金屬密封也提出了更高的要求，金屬密封的密封性能直接影響采油效率。

國內(nèi)外都對金屬密封進行了深入的研究，并取得了許多進展。POLYCARPOU和 ETSION[5]對金屬氣封的靜態(tài)密封特性進行了研究。BLANTON和EBERL[6]對具有銀鍍層的 C 形環(huán)進行研究，測試了壓力、表面粗糙度和法蘭撓度等參數(shù)對 C 形環(huán)性能的影響。國內(nèi)對金屬密封的研究較晚于國外，但也取得了一些進展。XING等[7]、申秀麗和翟宇[8]以 W 形密封圈為研究對象，分析了泄漏量與密封載荷、表面粗糙度的關(guān)系。林遠(yuǎn)大[9]研究了高壓情況下密封環(huán)端面的形變量，計算求得了各種力作用在密封環(huán)上所產(chǎn)生的力矩。楊惠霞和顧永泉[10]通過建立密封環(huán)模型，并利用有限元的方法研究了密封環(huán)熱變與力變形、密封端面膜壓分布情況、端面接觸熱等之間的相互作用。張寶忠和肖敏[11]對密封環(huán)端面的變形規(guī)律進行了計算分析，提出了影響機械密封的因素，并提出了控制端面變形的控制方法。

由于塔里木氣田的特殊作業(yè)工況，閘板閥使用環(huán)境是高溫高壓等極端工況，對于閘板與內(nèi)閥座之間的金屬密封有很高要求。而國內(nèi)對于金屬密封的研究一般都在壓力100 MPa以下，很少有關(guān)于超高壓極端工況的金屬密封的研究報道。為了探索金屬密封面在滿足超高壓密封時所需要的接觸應(yīng)力，本文作者利用實驗與仿真相結(jié)合的辦法，對高壓環(huán)境下環(huán)形金屬密封的密封特性進行研究，重點分析了密封面寬度和內(nèi)閥座端面直徑對密封性能的影響。文中通過數(shù)據(jù)分析，找出最佳密封面寬度和端面直徑，并進行試驗檢驗，為超高壓環(huán)形平面金屬密封設(shè)計提供一定參考。

1 環(huán)形平面金屬密封機制及密封材料選擇

1.1 環(huán)形平面金屬密封機制

環(huán)形平面金屬密封，下文簡稱金屬密封，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其由動環(huán)、靜環(huán)及其他零部件組成。從微觀角度上說，其密封機制[12-13]是密封面之間的微觀凸峰會產(chǎn)生不同程度的彈性和塑性變形，由此形成的不同比壓組成一個封閉環(huán)；封閉環(huán)上產(chǎn)生大于介質(zhì)壓力的反力，阻止介質(zhì)分子進入密封面，從而形成密封效果。當(dāng)有效密封寬度減小不能使介質(zhì)壓力下降到0時，介質(zhì)分子開始進入密封面，密封失效。

圖1 環(huán)形金屬密封結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 環(huán)形平面金屬密封材料選擇及性能

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在塔里木氣田開采天然氣時會達到低溫-46 ℃與高溫120 ℃的極端溫度工況，井口壓力達到140 MPa。為了適應(yīng)現(xiàn)場大溫度范圍、超高壓以及腐蝕性等極端環(huán)境[14]，對環(huán)形平面金屬密封材料的綜合性能提出了很高的要求，并且要求在環(huán)境溫度變化時材料的性能變化始終在安全范圍內(nèi)。

綜合以上因素考慮，選擇不銹鋼718作為環(huán)形平面金屬密封基材進行研究。不銹鋼718材料在650 ℃以下具有高強度、良好的韌性以及在高低溫環(huán)境下均具有良好的耐腐蝕性[15]。選擇的718材料在不同溫度下的力學(xué)性能，如泊松比、彈性模量、屈服強度的擬合曲線如圖2所示。

圖2 718材料泊松比、彈性模量、屈服強度擬合曲線

2 環(huán)形平面金屬密封最小接觸應(yīng)力試驗研究

2.1 試驗設(shè)計

為了探索金屬密封在滿足密封時所需要的最小接觸應(yīng)力，出于安全、成本等因素限制，設(shè)計試驗裝置進行試驗研究。如圖3所示，液壓壓力p1作用在活塞上，活塞上所受到的壓力F1作用于內(nèi)閥座上，氣壓p2從側(cè)面充入活塞，使得活塞端面受到向下的氣壓壓力F2，內(nèi)閥座上的壓力為F2-F1，并作用于閘板上，即內(nèi)閥座初始接觸應(yīng)力，以此分析工裝開始泄漏時的壓力。其具體計算公式如下。

圖3 金屬密封受力分析

活塞底部所受液壓壓力：

(1)

式中：F1為活塞底部加壓時所受的壓力；R1為活塞底部端面半徑。

活塞頂部所受密封氣壓壓力：

(2)

式中：F2為活塞底部加壓時所受的壓力；R2為活塞頂部承受氣壓的半徑。

內(nèi)閥座受力：

F3=F1-F2

(3)

式中：F3為內(nèi)閥座受力。

金屬密封接觸應(yīng)力：

(4)

式中：R3為閥座金屬密封面直徑。

根據(jù)上述將金屬密封工裝設(shè)計成如圖4樣式。其內(nèi)部金屬密封與實際金屬密封形式一致，同樣存在內(nèi)閥座，閘板等部件，通過內(nèi)閥座以及閘板進行金屬密封。為了測得環(huán)形平面金屬密封密封臨界泄漏最小接觸應(yīng)力，工裝采用活塞缸的形式，活塞液壓等級為2～14 MPa，活塞缸上部設(shè)計密封溝槽并與內(nèi)閥座相連接，活塞底部打入液壓，側(cè)邊打入氣壓。

圖4 裝置安裝剖面圖

2.2 試驗結(jié)果

如圖5所示，試驗時將手動液壓泵打壓至指定壓力后，開啟空壓機，關(guān)注氣瓶上的壓力表以及工裝是否有氣泡產(chǎn)生。當(dāng)工裝剛剛開始冒氣泡時，記錄試驗數(shù)據(jù)。

圖5 金屬密封試驗現(xiàn)場圖片

所得試驗數(shù)據(jù)如表1所示。結(jié)果表明，金屬密封密封時所需的最小接觸應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于密封氣體的壓力。對所得的接觸應(yīng)力數(shù)據(jù)進行擬合，得到的最小接觸接觸應(yīng)力與壓力的擬合方程為

表1 不同液壓壓力下試驗裝置的臨界接觸應(yīng)力

y=1.190 07x+1.746 8

(5)

由此得到在140 MPa超高壓環(huán)境下，金屬密封能夠密封所需的最小接觸應(yīng)力為約168 MPa。

3 金屬密封性能仿真分析

3.1 有限元模型及邊界條件設(shè)置

研究的金屬密封的通徑為78 mm，考慮到內(nèi)閥座以及外閥座在實際使用情況下需要安裝橡膠密封，為了模擬實際工況下閘板閥閥座的狀況，參考標(biāo)準(zhǔn)并在內(nèi)閥座以及外閥座上預(yù)留出密封溝槽，最終選取的金屬密封組合的模型如圖6所示。閘板與內(nèi)閥座之間設(shè)置接觸類型為摩擦接觸，壓力施加在入口端金屬密封處，其壓力大小為140 MPa。

圖6 金屬密封組合模型

3.2 不同因素對金屬密封性能的影響3.2.1 內(nèi)閥座端面直徑對最大接觸應(yīng)力的影響

金屬密封面寬度保持24 mm，當(dāng)端面直徑為102 mm時，經(jīng)過計算得出出口端最大接觸應(yīng)力為1 500 MPa左右，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于718材料室溫下的屈服強度980 MPa，材料會發(fā)生屈服。因此，以取一定安全系數(shù)計算所得的端面直徑112 mm為基準(zhǔn)，進行接觸應(yīng)力仿真，得到出入口端接觸應(yīng)力分布如圖7所示。其中出口端最大接觸應(yīng)力為441.24 MPa，入口端最大接觸應(yīng)力為959.24 MPa，小于材料的屈服極限。

圖7 端面直徑為112 mm時出入口端接觸應(yīng)力

通過改變端面直徑得到出入口端最大應(yīng)力分布，如圖8所示。

圖8 端面直徑對出入口端最大接觸應(yīng)力的影響及擬合曲線

從圖8可以看出，隨端面直徑增大，出口端金屬密封最大接觸應(yīng)力下降；當(dāng)內(nèi)閥座端面直徑大于116 mm時，最大接觸應(yīng)力下降趨勢變緩，在880～910 MPa之間波動；同時入口端最大接觸應(yīng)力下降趨勢也變緩。這是因為，隨著端面直徑的增大，密封面接觸面積變大，同時密封面比壓下降，因此最大接觸應(yīng)力減??；當(dāng)內(nèi)閥座端面直徑大于116 mm時，有效接觸面積增大變緩，因此最大接觸應(yīng)力曲線下降趨勢變緩。因此在設(shè)計內(nèi)閥座時，在滿足密封條件時，應(yīng)保證內(nèi)閥座端面直徑大于116 mm。

3.2.2 內(nèi)閥座端面直徑對有效密封寬度的影響

在金屬密封其他構(gòu)件及邊界條件不變的情況下，研究了端面直徑與有效密封面寬度的關(guān)系。如圖9所示，隨著端面直徑的增加，出入口端的有效密封面寬度按比例增加。這是因為，端面直徑增大密封比壓減小，密封面之間的微觀凸峰變形變小，使得有效密封寬度增大?？梢姡S著端面直徑增大，有效密封面寬度也增大，閘板閥金屬密封可靠性提高。

圖9 端面直徑對有效密封面寬度的影響及擬合曲線

3.2.3 密封面寬度對最大接觸應(yīng)力的影響

其他自變量保持不變，密封面寬度在24～27 mm之間變化，分析了密封面寬度對最大接觸應(yīng)力的影響，如圖10所示。出入口端最大接觸應(yīng)力隨密封面寬度的變化較小，其中入口端最大接觸應(yīng)力在350～370 MPa之間波動，而出口端最大接觸應(yīng)力在900 MPa左右波動。其原因是金屬密封在密封過程中，隨著密封面寬度增加，介質(zhì)由內(nèi)沿向外沿流動的路徑增加，流阻增加，但最大接觸應(yīng)力仍在內(nèi)沿處。因此可得出結(jié)論，最大接觸應(yīng)力并不隨密封面寬度增加而發(fā)生改變。

圖10 密封面寬度對出入口端最大接觸應(yīng)力的影響

3.2.4 密封面寬度對有效密封寬度的影響

如圖11所示，對出、入口端內(nèi)閥座與閘板的接觸應(yīng)力數(shù)據(jù)進行擬合發(fā)現(xiàn)，隨著密封面寬度的增加，有效密封面寬度穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，入口端有效密封面寬度的擬合值約為8.53 mm，出口端約為15.64 mm。密封寬度增加，最大接觸應(yīng)力變化較小，密封面之間的變形較小?？梢缘贸鼋Y(jié)論，有效密封面寬度并不會隨著金屬密封件密封面寬度的改變而發(fā)生改變。綜上，金屬密封有效密封面寬度只與內(nèi)閥座端面直徑有關(guān)。

圖11 密封面寬度對有效密封面寬度的影響

3.2.5 不同溫度條件下接觸應(yīng)力分析

由于在新疆塔里木油田現(xiàn)場，存在著極端溫度的工況，其最低溫度可達-46 ℃，而最高溫度則達到121 ℃[10]，因此文中研究了不同溫度下金屬密封的接觸應(yīng)力變化情況。從圖2中的擬合曲線方程可得到溫度-50～130 ℃下的材料參數(shù)，通過仿真得到不同溫度下出入口端的接觸應(yīng)力。由圖12可以看出，在-50～130 ℃工況下，溫度對材料接觸應(yīng)力的影響很小，驗證了選材的可靠性。

圖12 不同溫度下不銹鋼718材料出入口端接觸應(yīng)力

4 環(huán)形金屬密封超高壓試驗

通過前述仿真計算得到了各因素對金屬密封的影響，確定了內(nèi)閥座的端面直徑為116 mm，金屬密封面寬度為26 mm。但由于仿真軟件是基于理想模型進行的工況模擬，與實際工況仍存在一定差異，并不能完整地體現(xiàn)真實高壓情況下的實際情況。因此，需要對金屬密封件進行超高壓打壓試驗，以驗證設(shè)計的金屬密封的密封性能。

金屬密封配件均采用不銹鋼718材料，對設(shè)計出的金屬密封配件進行加工，并對金屬密封面噴涂硬質(zhì)合金WC，加工成品如圖13所示。

圖13 金屬密封配件

試壓步驟如下：將金屬密封及其他配件裝配在閘板閥閥體上，閘板閥出入口兩端用法蘭連接，并將進口一端與高壓打壓設(shè)備相連接，將出口端打開，并放入水中，如圖14所示。高壓端引入氣源，加壓范圍為0～140 MPa，采取慢速加壓的方式。加壓時，試驗高壓端，每個加壓階段的加壓過程要求進氣均勻。

圖14 閘板閥氣壓實驗裝置

試驗加壓過程為：加壓到70 MPa，穩(wěn)壓3 min，在無泄漏的前提下繼續(xù)加壓至140 MPa，穩(wěn)壓15 min，再升壓2.5 MPa，穩(wěn)壓15 min。在保壓期間，水池中應(yīng)無可見氣泡，同時高壓試驗壓力降低不超過2 MPa，即為試驗合格。

氣壓檢測結(jié)果如表2所示。試驗結(jié)果顯示第一次試壓試驗壓降為0.97 MPa，第二次壓降為0.14 MPa，2次試驗均無可見氣泡產(chǎn)生。可見，該金屬密封當(dāng)試驗壓力達到140 MPa仍保持良好的密封性能，并且壓降在允許的范圍內(nèi)，驗證了所設(shè)計的閘板閥金屬密封的可行性。

表2 金屬密封氣壓檢測結(jié)果

5 結(jié)論

(1)為研制超高壓環(huán)境下使用的環(huán)形平面金屬密封，優(yōu)選出不銹鋼718作為密封材料，并通過試驗得出滿足金屬密封密封條件所需最小接觸應(yīng)力與壓力之間的關(guān)系。

(2)建立金屬密封內(nèi)閥座-閘板有限元模型，分析座端面直徑、金屬密封密封面寬度對密封性能的影響。結(jié)果表明：隨著內(nèi)閥座端面直徑的增大，金屬密封的最大接觸應(yīng)力逐漸減小，有效密封寬度隨之增大，因此在滿足尺寸要求等情況下，內(nèi)閥座端面直徑盡可能取較大尺寸；金屬密封密封面寬度的改變對最大接觸應(yīng)力以及有效密封寬度的影響較小，可以忽略。

(3)不同溫度條件下接觸應(yīng)力分析表明，不銹鋼718材料能很好地適應(yīng)高低溫環(huán)境，材料性能穩(wěn)定。

(4)通過仿真確定內(nèi)閥座的端面直徑為116 mm，金屬密封面寬度為26 mm，并通過140 MPa氣壓試驗驗證了所研制的金屬密封在超高壓環(huán)境下使用的可行性。