O圈密封滲漏水汽定量規律實驗研究及分析

王 洪，詹 敏，鄭春峰，沈 瓊，毛慶凱

（中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452）

0 引言

隨著油田開發開采工作向智能油田、數字油田發展，管理模式從傳統方式向現代化跨越，致使智能注采技術要求不斷提高。其中，O圈密封對整個智能工具及系統的影響越來越重要，定量地測量出O圈水汽滲漏量對機電產品的二次封裝進行定性的指導設計，也是協助完善工具標定、制定產品檢驗流程規范的重要參數。因此，準確地了解O圈密封壓縮量與滲漏水汽量的變化規律，對于保障智能工具在油田領域安全、高效地注采施工具有重要的意義。有必要針對O圈密封滲漏的特性進行特制的工裝加工，以及使用吸水化學劑收集這些滲漏出來的水汽并進行測算，建立起綜合考慮高溫、高壓情況下水汽滲漏的定量模型，認清O圈密封在高溫、高壓情況下水汽滲漏量的變化規律，以便對油田智能注采工具的使用壽命進行定量的預測[1-3]。

圖1 滲漏實驗流程圖Fig.1 Flow chart of leakage experiment

1 O圈選型與滲漏實驗流程

1.1 滲漏工裝設計及O圈選型

通過實驗定量測得O圈密封滲漏水汽量需要進行兩項準備工作。首先要進行滲漏工裝的設計與加工，其次要選定合適的O圈尺寸。

此次滲漏實驗需要在高溫高壓環境中進行，并測得O圈不同單邊壓縮量情況下的滲漏水汽量，所以O圈槽的深度設計尺寸不同，需要設計并加工的工裝為：小O圈單邊壓縮量為0.3mm、0.45mm、0.6mm情況下的工裝各3套，以便對取得的數據排除誤差；大O圈單邊壓縮量為0.3mm、0.45mm、0.6mm、0.75mm、0.9mm、1.05mm情況下的工裝各3套，以便對取得的數據排除誤差。在設計滲漏工裝時要考慮材質的選擇，因為實驗處于高溫高壓、水汽充盈的環境，會加速金屬材質的生銹造成實驗誤差，所以需要選擇不銹鋼材質。本次實驗選擇17-4材質；收集從O圈滲漏出來的水汽，需要選擇耐高溫且具備一定承壓能力的試管；試管中裝有在高溫環境中仍具備良好吸水性的化學劑無水硫酸鎂[4,5]。

O圈選型需要結合現場應用的智能電控注水產品，其機械結構涉及到的O圈尺寸為兩種：小O圈密封面尺寸直徑Φ12mm×Φ1.8mm，大O圈密封面尺寸直徑Φ108mm×Φ3.55mm。大小O圈材質選擇丁腈橡膠，此種材質為油田智能機電產品常用O圈密封材質，具有通用性。

1.2 滲漏實驗流程

本次實驗設定的實驗工況為溫度150℃，壓力40Mpa，貼合智能電控產品現場應用實際工況。滲漏實驗工裝及烘箱如圖3。大小O圈不同單邊壓縮量情況下，滲漏實驗流程如下：

圖3 線徑ф1.8mm O圈滲漏水汽量Fig.3 Leakage water vapor volume of O-ring with wire diameter ф1.8mm

1）組裝小O圈、大O圈滲漏實驗工裝：組裝9套小O圈滲漏實驗工裝，將密封面尺寸為Φ12mm×Φ1.8mm的O圈放入工裝內的凹槽，O圈單邊壓縮量0.3mm、0.45mm、0.6mm各3組工裝；組裝18套大O圈滲漏實驗工裝，將密封面尺寸為Φ108mm×Φ3.55mm的O圈放入工裝內的凹槽，O圈單邊壓縮量0.3mm、0.45mm、0.6mm、0.75mm、0.9mm、1.05mm各3組工裝。

2）將耐高溫小試管裝入無水硫酸鎂，并對有吸水藥劑的試管稱重，與試驗工裝連接并將組裝好的工裝放入托架。

3）將工裝托架放入加熱裝置中，各個工裝連接打壓管線，打壓至40Mpa，穩壓10min不滲不漏。

4）啟動加熱裝置，加熱到150℃，保持高溫、高壓的環境持續2周，并且記錄各個壓力表每日的壓力數值。

5）滲漏實驗工裝保持高溫、高壓的環境持續2周后，停止加熱并卸掉壓力，將工裝冷卻至室溫。

6）拆卸工裝，取出工裝中的試管，觀察藥劑變化并記錄重量。

7）分析并計算實驗數據，實驗前后重量差值，保存整理實驗材料及數據，清理滲漏實驗物料。

2 O圈滲漏驗證及各影響因素的分析

2.1 O圈滲漏驗證

機電產品的機械結構中大量用到O圈密封，但以海上實際應用效果來看，O圈密封效果一般，機電產品在高溫高壓環境中壽命不理想，拆開機電產品的電路板腔室，發現存有大量液體，造成電路板短路，致使機電產品損壞。通過O圈滲漏實驗驗證O圈密封在設計尺寸及壓縮率在合理范圍內，仍有部分水汽泄漏。通過實驗數據的前后對比發現，大小O圈均有水汽泄漏，測得數據為小O圈中位數平均泄漏量為33.5mg/2周，大O圈平均泄漏量為456.19mg/2周。證明了O圈密封在機電一體化產品的應用中，存在輕微滲漏的現象。

圖2 滲漏實驗工裝試管中裝有的藥劑重量Fig.2 The weight of the drug contained in the test tube of the leak test tooling

2.2 壓縮量的影響情況

根據機械設計手冊，壓縮率W用計算式表示：

式中：do——O形圈在自由狀態下的界面直徑（mm）；h——O形圈槽底與被密封表面的距離，即O形圈壓縮后的截面高度（mm）。

對于靜密封而言，w的取值范圍圓柱靜密封裝置和往復運動式密封裝置一樣，取w=10%～15%；平面密封裝置取w=15%～30%。此處滲漏實驗涉及密封形式為平面密封裝置，取w=15%～30%。

3 滲漏實驗結果與指導

3.1 小O圈滲漏結果

對小O圈滲漏實驗所獲得的數據進行統計，可以得出如下結論：

1）隨著過盈量的提高，水汽滲漏量急速下降。

2）每一個過盈量加工3組工裝，排除誤差干擾后，得出小O圈單邊壓縮量不應選擇0.3mm左右，原因為單邊壓縮量為0.3mm時2周的滲漏量為其他單邊壓縮量的10～20倍。

3）下一階段實驗工裝小O圈單邊壓縮量建議選擇區間為0.45mm～0.6mm之間，根據所取得數據，選擇單邊壓縮量0.45mm為最優，對應O圈壓縮率w=25%，符合機械設計手冊要求。

圖4 線徑ф3.55mm O圈滲漏水汽量Fig.4 Leakage water vapor volume of O-ring with wire diameter ф3.55mm

3.2 大O圈滲漏結果

對大O圈滲漏實驗所獲得的數據進行統計，可以得出如下結論：

1）隨著過盈量的提高，水汽滲漏量基本保持不變。

2）每一個過盈量加工3組工裝，排除誤差干擾后，得出大O圈單邊壓縮量不建議選擇0.3mm左右，出現一組數據滲漏量較高，但推測為工裝裝配不合理，尺寸有誤差所致。

3）下一階段實驗工裝大O圈單邊壓縮量建議選擇區間為0.45mm～1.05mm之間，根據所取得數據，選擇單邊壓縮量0.8mm為最優，對應O圈壓縮率w=22.5%，符合機械設計手冊要求。

3.3 滲漏現象啟發

大小O圈在不同過盈量情況下的滲漏實驗得到的啟發：

1）O圈在高溫、高壓環境下（40MPa、150℃）會發生輕微的滲漏，定量地收集滲漏水汽對智能電控注采工具的設計有指導幫助。

2）O圈在高溫、高壓環境下（40MPa、150℃），O圈外徑為Φ12mm×線徑Φ1.8mm，單邊壓縮量為0.45mm，滲漏量每2周平均滲漏值為35.25mg，按照智能注采工具使用壽命期限3年，計算水汽滲漏值為2.16g，滿足設計要求。

3）O圈在高溫、高壓環境下（40MPa、150℃），O圈外徑為Φ108mm×線徑Φ3.55mm，單邊壓縮量為0.8mm，滲漏量每2周平均滲漏450mg，按照智能注采工具使用壽命期限3年，計算水汽滲漏值為32.4g，可以進行電路板腔室的二次封裝，保證滲漏的水汽不進入電路板腔室，滿足設計要求。

4 結論

為有效解決現有智能電控注采工具O圈密封經常失效、可靠性差、故障率高的問題，通過高溫、高壓實驗定量測得滲漏水汽量與O圈壓縮率的規律，以便指導當前機電產品的密封設計與選型，更能指導二次封裝方式的選用。通過本次研究和實驗獲得以下認識：

1）大O圈滲漏量是小滲漏量的13倍（456.19mg≈13×35.25mg）；大O圈外徑為Φ108mm，電纜接頭外徑為Φ12mm，即大O圈外徑=9倍×小O圈外徑，滲漏量與O圈的外徑成正相關聯系。

2）O圈密封滲漏影響的決定性因素：通過過盈量滲漏實驗數據可以觀察到決定性因素為O圈直圈徑大小，O圈外徑越大，滲漏量越大，外徑越小，滲漏量越小。