水下采油樹油管掛K形金屬密封性能分析

彭粲粲，龔光輝，張開龍，周思柱，段夢蘭

（1.長江大學機械工程學院，湖北荊州434023；2.重慶前衛海洋石油工程設備有限責任公司，重慶401121；3.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；）

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水下采油樹油管掛K形金屬密封性能分析

彭粲粲1，龔光輝2，張開龍3，周思柱1，段夢蘭3

（1.長江大學機械工程學院，湖北荊州434023；2.重慶前衛海洋石油工程設備有限責任公司，重慶401121；3.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；）

摘要：水下采油樹是水下生產系統中的重要設備，其中油管懸掛器作為井液的必經通道，其密封性能不容忽視。利用ABAQUS軟件對油管懸掛器K形金屬密封建立二維軸對稱模型，對K形密封在預緊工況以及69MPa介質壓力的工作工況下進行有限元分析，得出其裝配時最佳過盈量的范圍以及在此范圍內的最大M ISES應力、接觸應力的分布情況。結果表明：在工作工況下，K形密封圈的最大M ISES應力略大于材料的屈服強度，密封圈發生了較小的塑性應變，其最大接觸應力能很好地滿足密封要求，可以實現密封。

關鍵詞：水下采油樹；油管懸掛器；K形金屬密封；接觸應力；密封性能

近年來，世界各國對油氣資源的依賴愈發強烈，因陸地資源有限，遠不能滿足日益增長的油氣需求，水下油氣開采已經成為了必然趨勢。水下采油樹是水下油氣開采的主要設備，而油管懸掛器出油口處的密封技術是目前采油樹研發的關鍵技術之一。由于國外對相關技術進行封鎖，所以對油管懸掛器出油口處的密封研究迫在眉睫。

油管懸掛器坐放在采油樹內，其本體上的密封分別位于出油口的上、下兩側，既能防止油液外流，還能阻擋外部雜質進入油管懸掛器內部污染原油。生產通道內的工作條件相對惡劣，與非金屬密封相比，金屬密封的耐腐蝕、耐壓能力要強很多。K形金屬密封與唇形密封相似，在使用時與采油樹樹體為過盈配合，所以在安裝時需要有合理的過盈量，產生一定的預緊力。

當密封件處于工作狀態時，工作壓力會擠壓K形密封的唇口部位，使密封表面與被密封部位貼合的壓力增大，密封性能大幅提高。

對于出油口處的密封，擬定使用金屬密封作為主密封，M E C密封作為輔助密封的方式（如圖1），雙重保障。目前，僅有國外幾家石油設備公司掌握了油管懸掛器密封技術，例如F M C公司的SB M S（金屬直孔密封）、X E M S（外部激勵密封）、Y H Y形密封，Ca meron公司的M E C密封等［1］。國內對采油樹油管掛出油口密封研究較少，2012年由中國石油大學（華東）李振濤等人［2］自主設計了適用于壓力等級為34.5MPa（5 000 psi）工況下的M E C密封，并對其不同工況性能進行分析，得出其最佳過盈量范圍以及不同過盈量對密封性能的影響。國內對于油管懸掛器采用金屬密封的密封形式尚無研究。本文對K形金屬密封性能進行研究，以期為國內金屬密封在采油樹油管掛中的應用打下基礎。

圖1　K形密封圈結構

1 密封性能的判定及研究方法

1.1 判定方法

一般來說，對于密封圈密封性能的研究，主要是研究其接觸應力（密封比壓），即比壓大于墊片系數乘介質壓力時，密封可行；否則是不能密封［3］。但此方法常適用于介質壓力小于34.5MPa的工作條件下，當介質壓力大于34.5MPa時，此準則不能使用。中國石油大學（華東）李振濤在對34.5MPa壓力等級下M E C密封圈設計分析時提出，當密封面的接觸應力滿足大于密封介質壓力3倍的要求，在理論上能形成良好的密封性能［2］。在研究K形密封時，可使用此標準來判定其密封性能。

1.2 研究方法

目前，對于密封圈的研究方法主要有3種：①試驗測試法，直觀可靠、數據準確，但需要專業的設備和多規格芯軸配件；②工程計算法，簡單有效、應用面廣，但對復雜密封結構存在局限性；③數值模擬法，技術先進、信息量大［4］。針對K形金屬密封，本文選擇數值模擬的方法，應用ABAQUS有限元軟件對K型密封圈進行建模，通過計算分析確定密封圈安裝過盈量，并對其預緊及工作工況的M ISES應力、接觸應力進行分析。

2 密封性能有限元分析

2.1 材料選用

由于K形密封圈作用于油管掛出油口位置，該位置工作環境惡劣，對溫度和壓力都有較高的要求，而且在接觸作用時接觸表面會發生一定的塑性變形，在油液的長時間作用下，其材料必須具有一定的耐腐蝕性。因此，選擇工作溫度范圍較大、屈服強度高、塑性較好以及具有一定耐腐蝕性能的金屬材料才能滿足其要求。在合金領域，目前大量使用的主要還是鐵基、鎳基和鈷基高溫合金。但鐵基高溫合金存在相不穩定的趨勢，合金組織可能軟化或者催化，最終導致力學性能下降；鈷基高溫合金抗熱腐蝕能力強，但大多數鐵基和鈷基合金的抗氧化性能均比鎳基合金低得多；鎳基高溫合金不僅具有足夠高的耐熱強度、良好的塑性等，其抗熱腐蝕能力也絕不亞于鈷基合金［5-6］。G H 4169合金目前在航天以及石油天然氣領域越來越受到重視，并且根據1986年統計，G H 4169年產量占整個高溫變形合金的45%［7-8］。因此，選用G H 4169合金為K形密封圈的材料，常溫下G H 4169材料屬性及應力應變曲線如表1和圖2所示。

表1　G H4169常溫下的材料特性

圖2　G H 4169材料常溫下應力應變曲線

2.2 模型建立

K形金屬密封圈在安裝時與樹體內壁為過盈配合，其預緊力的大小取決于過盈量的值，在安裝K形金屬環時，首先要確定其過盈量。

在ABAQUS中建模使用二維軸對稱模型。預緊工況下，其模型中設置3對接觸，即密封圈內側與油管掛外側接觸、密封圈外側與樹體內側接觸、密封圈上部與上端擋環接觸。將上端擋環和左側油管掛設為完全固定，模擬過程中約束右側樹體的y軸位移以及z方向的旋轉，向x軸負方向施加位移載荷。網格采用4節點雙線性對稱四邊形單元C A X4 R，為了減小計算量，對于主要研究的K形密封，網格選擇尺寸0.1，油管掛、樹體及擋環選擇尺寸1.0［9-10］。密封圈的約束條件、載荷以及網格劃分如圖3所示。

圖3　加載、邊界條件及網格模型

2.3 密封性能分析

在預緊工況下，對K形密封圈外側施加0.5mm的位移載荷，其M ISES應力分布如圖4所示。

圖4　0.5mm過盈量的M ISES應力分布

在ABAQUS后處理中，可提取出最大M ISES應力處節點受到的位移載荷與M ISES應力的變化關系，取此節點，提取出其關系曲線如圖5所示。

圖5　預緊工況位移載荷與最大M ISES應力變化曲線

圖4表明密封環在0.5mm過盈量下，最大應力值為986.5MPa，最大M ISES應力發生位置在密封圈外唇口的內側圓環處，且上下兩側受力及變形一致。

由圖5可知：K形密封圈壓縮量從0增加到0.02mm時，密封圈的最大M ISES應力增加較明顯，之后緩慢增加到最大。

K形密封圈在工作工況下，密封圈底部受到的壓力最大為69MPa。在此壓力下，使用不同的過盈量來進行分析計算，此處選擇從0.1～0.5mm取點的方法來施加位移載荷，其過盈量與最大M ISES應力關系如圖6所示。結果表明：過盈量從0.10mm加至0.15mm時，其最大M ISES應力略微減小，是因為MISES應力最大處從密封圈的開口環中心變化到外唇口的內側表面（如圖7）。當過盈量達到0.35mm之后，其最大MISES應力均為1 310MPa，最大M ISES應力已經超過材料的屈服強度進入塑性階段，其最大塑性應變為0.018。因此，過盈量上限取定為0.34mm。

圖6　0.1～0.5mm過盈量最大M ISES應力變化曲線

圖7　最大M ISES應力位置

圖8為預緊工況過盈量0.5mm時密封圈的接觸應力分布圖。結果表明：其最大接觸應力出現在K型密封圈外側唇口與采油樹樹體表面接觸的表面，最大接觸應力為81.35MPa。可在后處理中提取出其最大接觸應力與過盈量的變化曲線。

圖8　預緊工況下0.5mm過盈量密封圈接觸應力分布

最大接觸應力隨過盈量變化曲線如圖9所示，可以看出：密封圈的接觸應力隨過盈量的增加而增大。由于K形密封在安裝時需要一定的過盈量來實現初始密封，但在機械加工中存在可能的誤差，給定的過盈量太小會導致密封圈形變過小，難以填滿密封面的凹凸面而造成泄露，因此選擇0.2mm為其初始過盈量的下限，此時其接觸應力為43.3MPa。

圖9　最大接觸應力隨過盈量變化曲線

以上結果表明K形金屬密封圈的最佳過盈量為0.20～0.34mm。

在0.20～0.34mm的過盈量條件下，對K形密封圈下端施加69MPa的介質壓力，可得到其最大M ISES應力以及最大接觸應力與過盈量的變化關系，如圖10所示。

圖10　過盈量與最大M ISES應力、最大接觸應力關系曲線

圖10表明了K形密封圈的過盈量在0.20～0.34mm時，其M ISES應力與接觸應力均成逐漸增加的趨勢，且其接觸應力為394.3～449.0MPa。

3 結論

1） 通過對K形密封在不同過盈量下的性能進行分析得出其接觸應力為394.3～449.0MPa，用此結果與介質壓力（69MPa）的3倍進行對比，結果表明其接觸應力均能滿足此判定方法下的密封要求。

2） 建立了K形密封圈的二維軸對稱模型，通過分析不同過盈量對預緊工況以及工作工況的最大M ISES應力、接觸應力的影響情況，最終得出其最佳裝配過盈量為0.20～0.34mm。

3） 分析了在0.20～0.34mm的裝配過盈量情況下，K形密封圈的最大M ISES應力和接觸應力變化情況，得出在此范圍內，最大M ISES應力略大于材料的屈服極限，材料進入塑性變形階段，且當過盈量為0.34mm時其最大應變為0.009 2，最大應力與最大應變均發生在密封圈外側唇口的內表面拐角處。并且，在此過盈量范圍內，密封圈最小接觸應力為394.3MPa，最大為449.0MPa，均能滿足密封要求。

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Analysis on Sealing Performance of K-shaped Metal Seal Used in Subsea X-tree Tubing Hanger

PENG Cancan，GONG Guanghui，ZHANG Kailong，ZHOU Sizhu，DUAN Menglan
（1.Collegeof Mechɑnicɑl Engineering，Yɑngtze Uniυersity，Jingzhou 434023，Chinɑ；2.Chongqing Qiɑnwei Science ɑnd Technology Group Co.，Ltd.，Chongqing 401121，Chinɑ；3.Offshore Oil ɑnd Gɑs Reseɑrch Center，Chinɑ Uniυersity of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，Chinɑ）

Abstract：The X-tree is a significant equip ment in the subsea production system. As a channel of the oil，sealing performance of the tubing hanger cannot be ignored. The paper established the two-dimensional axisymmetric model of k-shaped seal which used in the tubing hanger with ABAQUS. The finite element analysis in preload conditions and the working conditions with a pressure of 69MPa was carried out. The optional magnitude ofinterference in assem bly processing，the maxim umm ISES stress and contact stress distribution in this range was obtained. According to the results，the maxim umm ISES stress of the k-shaped seal was slightly larger than the yield limit and a small plastic strain occurred on the sealing ring. The maximum contact stress pressure can satisfy the requirement very well.

Key Words：subsea X-tree；tubing hanger；K-shaped metal seal；contact stress；sealing performance

作者簡介：彭粲粲（1991-），男，河南信陽人，碩士研究生，主要從事海洋石油裝備設計研究，E-mail：429154176 @ qq.com。

基金項目：國家發改委2013年海洋工程裝備研發及產業化專項“水下采油樹研發及產業化”（發改辦高技［2013］1764號）

收稿日期：2015-07-23

文章編號：1001-3482（2016）01-0016-05

中圖分類號：T E952

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.01.004