油管插入密封的實用性改造設計

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(中海油能源發展裝備技術有限公司機加工技術服務中心，天津 300452)

油管插入密封的實用性改造設計

安中望,李曉林,張佳寧

(中海油能源發展裝備技術有限公司機加工技術服務中心，天津 300452)

針對由于作業需求不同，定位密封與隔離密封無法通用，海上緊急作業時，只能將定位密封單向改為隔離密封使用的問題。從其工作原理出發，通過數據分析，設計一種可以在定位和隔離2種形式之間任意轉換的插入密封，用以滿足海上緊急作業需求。

定位；隔離；無法通用；形式轉換

隨著我國機械加工行業的不斷進步，一些石油工具產品逐漸被國產化開發，經過結構的優化和工藝的改進，形成了更符合我國行業需求的新產品，從而取代了進口產品，油管插入密封就是其中之一。以6 in定位插入密封(以下簡稱定位密封)為對象進行油管插入密封的實用性改造設計，將原有定位密封上的定位臺階去掉，經過材料強度分析，螺紋連接強度計算，在臺階去掉的位置加工UN外螺紋(英制螺紋)，同時相應設計2種UN內螺紋套筒：套筒1的外徑和原定位臺階的外徑尺寸相同，安裝后當定位密封使用；套筒2的外徑則是和去掉定位臺階后的最大外徑一致，安裝后當隔離插入密封使用(以下簡稱隔離密封)。螺紋安裝后靠螺紋自身的預緊力預緊，同時也可以通過其他手段進行放松，如防轉銷釘等。

圖1 6 in插入密封

1 總體結構設計

1.1 總體結構分析

油管插入密封主要由4部分組成，包括：上接頭，密封單元，中間接頭及下接頭，其總體長度根據中間短節的數量而定，通常在1～3 m之間，其最大外徑根據所配合的密封筒外徑而定，上下扣型為油管螺紋，見圖1。

定位密封有2個關鍵尺寸：一個為定位臺階尺寸，作業時，依靠定位臺階將插入密封定位在頂部隔離封隔器的上方，確保密封單元的位置處于中心管內，形成過盈密封；另一個為與頂部隔離封隔器中心管配合的最大尺寸，該尺寸用來控制插入密封與密封筒之間的間隙，保證插入密封在密封筒內不會出現大幅度偏移而導致密封失效。

由于井下環境復雜，完井作業工藝流程也會根據實際情況有所改變。有些作業因為管柱長度無法控制以至不能使用定位密封去進行準確的定位，此時只能使用隔離密封進行作業。隔離密封有一個關鍵尺寸，即與頂部隔離封隔器中心管配合的最大尺寸。作業時，隔離密封可以整體貫穿中心管內部，需依靠增加密封單元的數量，即增加插入密封的總體長度的方法保證有一定數量密封單元在中心管內形成過盈密封。

1.2 總體改造方案設計

基于6 in定位密封進行實用性改造設計，主要改造部位為上接頭的定位臺階部位，其他部位保持原有結構不變。

定位密封和隔離密封的本質差別在于有無定位臺階，如果想隨時在定位和隔離2種形式之間轉換，就必須將原有的一體式上接頭改為分體式，同時，分離的部分還需要用某種方式連接到本體上，該連接方式需要保證分體與本體軸向連接距離上的精確性，同時可以拆卸靈活，還具備一定的連接強度。

改造后需要實現定位臺階可安裝拆卸的功能，并且要求拆裝便捷，有軸向定位功能，因此擬定方案為定位臺階和本體采用直螺紋連接，依靠限位臺階定位。

1.2.1 螺紋的選擇

根據空間條件，采用5-1/2/in，8牙/in的非標準UN螺紋，精度等級2A級。改造方法為將原有的定位臺階去掉，在去掉定位臺階的位置加工5-1/2 in-8UN外螺紋，由于需要保證一定的預緊力，故沒有進行退刀槽的加工，因此，設計螺紋長度時，需要注意給出加工螺紋時所需的退刀量，保證螺紋能自然收尾。螺紋右端還預留了一個定位臺階，用來控制軸向距離的精確性。原6 in上接頭及改進后6 in接頭見圖3。

圖3 6 in上接頭

1.2.2 定位臺階的改造設計

根據定位密封和隔離的關鍵尺寸，分別設計定位套筒和隔離套筒，配合上接頭使用，實現定位和隔離的功能。

定位套筒最大外徑與原定位臺階尺寸相同，內部為5-1/2 in-8UN內螺紋。為保證套筒右端面與上接頭上的定位臺階頂緊，將定位套筒內螺紋右端加工一段鏜孔，鏜孔內徑需大于內螺紋

大徑，且設計套筒內螺紋時需比本體外螺紋短3～5 mm，以保證螺紋完全嚙合擰緊。此外，套筒2側均需加工過渡倒角，保證配合后無明顯臺階。見圖4。

圖4 定位套筒及與上接頭裝配

隔離套筒的外徑和改造后上接頭最大外徑保持一致，除右端面不能加工倒角外，其他設計與定位套筒完全相同。見圖5。

圖5 隔離套筒及與上接頭裝配

2 金屬材料的選擇

進口油管插入密封所采用的材料為4145H(美國鋼號)[3-4]，國內對應材料為40CrMnMo，屬于合金結構鋼，40CrMnMo剛調質處理后，具有較高的綜合力學性能。鋼的淬透性甚好。鋼具有較高的回火穩定性。適宜制造界面較大的重負荷齒輪、齒輪軸及軸類零件[5]，石油行業常用來制做鉆鋌或加重鉆桿。其力學性能及化學成分見表1。

經過分析插入密封使用工況，所尋找的替代材料為42CrMo，同屬于合金結構鋼，42CrMo的強度和淬透性很高，無明顯的回火脆性。調質處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好。力學性能及化學成分見表2。

表1 40CrMnMo力學性能及化學成分表[5]

表2 42CrMo機械性能及化學成分表[5]

對比材料的力學性能認為，在機械性能方面，42CrMo的抗拉強度和屈服強度均高于40CrMnMo，而40CrMnMo僅在斷裂伸長率方面比42CrMo高，說明前者比后者的韌性、延展性好一些；在化學成分組成方面，2者僅在Mn元素含量上有較大的差距。Mn元素對材料性能的影響主要有以下幾個方面。

Mn是良好的脫氧劑和脫硫劑。鋼中一般都含有一定量的Mn，Mn的加入能消除或減弱由于硫所引起的的熱脆性，從而改善鋼的熱加工性能。

Mn和Fe形成固溶體，可提高鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強度；同時又是碳化物的形成元素，進入滲碳體中取代一部分鐵原子。Mn在鋼中由于降低臨界轉變溫度，起到細化珠光體的作用，也間接地起到提高珠光體鋼強度的作用。Mn對奧氏體組織的穩定能力僅次于鎳，可增加鋼的淬透性。已用含質量分數不超過2%的Mn與其他元素配合制成多種合金剛。

在高碳高Mn耐磨鋼中，Mn的質量分數可達10%～14%，經過固溶處理后有良好的韌性，當受到沖擊而變形時，表面層將因變形而強化，據有較高的耐磨性。

Mn與S形成熔點較高的MnS，可防止因FeS而導致的熱脆現象。Mn有增加鋼晶粒粗化的傾向和回火脆性敏感性、若冶煉澆鑄和鍛軋后冷卻不當，容易使鋼產生白點[4]。

綜上所述，Mn元素除了影響金屬材料的硬度和強度，主要影響材料的韌性，與2種材料進行力學性能對比所表現的不同之處相符。因此，認為42CrMo可以替代40CrMnMo，用于加工制造油管插入密封。

3 螺紋連接強度計算

定位密封在使用時，定位臺階需要承受一定的重量，因此，做成分體之后，定位臺階所承受的重量會轉移到螺紋連接上，所以需要對螺紋進行連接強度校核。

按照定位密封作業時的受力情況，可按照松螺栓連情況進行強度計算。

當定位密封承受工作載荷F時，連接螺紋所受的工作拉力也為F，螺紋的危險截面為螺紋壓根圓柱的橫截面，則拉伸強度滿足要求的條件為[6]

外螺紋：

(1)

內螺紋：

(2)

式中：F為工作拉力，N；d1為外螺紋截面根部直徑，mm；D1為內螺紋截面根部直徑，mm；d為外螺紋截面內徑，mm；D為內螺紋截面外徑，mm；[σ]為螺栓材料的許用拉應力，MPa。

已知：F≤定位密封下部連接管柱的重力約為1 470 000 N；

d1=螺紋大徑-2×牙高=136.3 mm；

D1=螺紋公稱大徑=139.7 mm；

d=62 mm/76 mm；

D=186.6 mm(定位臺階外徑)；

[σ]=1 080 MPa(42CrMo材料抗拉強度)；

根據式(1)可得

內徑為62 mm時，外螺紋強度σ1=128 MPa；

內徑為76 mm時，外螺紋強度σ2=147 MPa；

內螺紋強度σ3=116 MPa

應力計算的結果遠小于材料許用應力，設計方案完全滿足作業上強度需求。

4 經濟效益分析

設計屬于實用性改造設計，即在加工設計后的新式工具同時，也可以將原有的工具進行改造，實現設計后的功能。實用性主要體現在2個方面。

1)多用型改造的設計打破了原有的定位密封和隔離密封只能單向改造的傳統，大大提高了本體的使用率，而且可以在最短的時間內完成定位密封和隔離密封的相互轉變，可以及時解決海上作業的應急需求。

2)在經濟效益方面據有顯著的提升，從原材料及人工成本上分析來看，原上接頭需用物料規格為Φ200 mm×790 mm，改造后所需物料規格為Φ160 mm×790 mm，節省物料36%；考慮到42CrMo 相比40CrMnMo市場價低27%，因此，物料方面綜合節省50%。原上接頭單價加工所需人工時約8 h/人，改造后約6 h/人，節省人工成本25%。從作業需求上分析，將定位密封單向改造為隔離密封所需人工時1.0 h/人，如果將上接頭進行更換則需要0.5 h/人，由于上接頭與中間短節之間為套管扣連接，更換還需具備擰扣設備。 而改造后的產品，更換套筒僅需10 min即可完成，并且不需要任何大型設備，對空間場地也沒有任何需求，可以將作業時間及需求提升至最短。

[1] 美國國家標準.統一英制管螺紋(UN和UNR牙型)[S].2003.

[2] 于源.螺紋標準手冊[M].北京：中國標準出版社，1997.

[3] 中國石油化工集團公司設備設計技術中心站.石油化工常用國內外金屬材料手冊[M].北京：中國石化出版社，2009.

[4] 安繼儒.中外常用金屬材料手冊[M].西安.陜西科學技術出版社，1998.

[5] 干勇，田志凌,董瀚，等.鋼鐵材料手冊[M].北京：化學工業出版社，2009.

[6] 濮良貴，紀名剛.機械設計[M].8版.北京：高等教育出版社，2006.

[6] 孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2006.

[7] 董星亮，曹式敬，唐海雄，等.海洋鉆井手冊[M].北京：石油工業出版社,2011.

[8] 劉良躍，于小龍，左凱，等.海上油氣田防砂工藝技術[M].北京：石油工業出版社,2015.

A Practical Reformation Design for the Tubing Seal Nipple

ANZhong-wang,LIXiao-lin,ZHANGJia-ning

(Machining Service Center, CNOOC EnerTech Equipment Technology Co. Ltd., Tianjin 300452, China)

Due to the different operation requirements, the location seal and isolation seal can’t be employed universally, so that in the urgent operation on the sea, the location seal must be changed to the isolation seal. A new seal nipple was designed according to operation principle as well as reasonable analysis data, which can be converted arbitrarily between location and isolation seal to fulfill the urgent operation requirements timely.

location; isolation; can’t be employed universally; transformation

U664.84

A

1671-7953(2017)05-0134-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.034

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

安中望(1990—)，男，學士，助理工程師

研究方向：鉆完井工具設計改造