超高壓氣井油管懸掛器金屬密封研究

針對140 MPa超高壓芯軸式油管懸掛器密封問題，優選半X形金屬密封作為油管懸掛器的金屬密封形式，通過有限元仿真研究了頂絲位移、凸臺半徑、底部夾角、過盈量和溫度等參數對密封性能的影響，并采用響應面法對密封關鍵結構參數進行優化。研究結果表明：密封接觸寬度和最大von Mises應力與半X形金屬密封頂絲位移呈正相關，最大接觸應力呈先增大后減小趨勢；密封接觸寬度與最大接觸應力隨凸臺半徑、底部夾角的增大呈先增大后減小趨勢；過盈量與von Mises應力、最大接觸應力、密封寬度呈正相關；半X形金屬密封可在高低溫的極端工況下保持良好的密封性能。優選出頂絲位移為1.6～2.0 mm，凸臺半徑為3.11 mm，夾角為103.1°，過盈量為0.6 mm。將優化后的油管懸掛器密封組件安裝并進行140 MPa氣壓試驗及現場試驗，密封性能滿足要求。研究結果可為高壓環境下油管懸掛器的研制提供技術支持。

芯軸式油管懸掛器；超高壓；金屬密封；接觸力學；密封試驗

TE931

A

202403033

Metal Seal of Tubing Hanger in Ultra-high Pressure Gas Wells

Feng Chunyu¹"Li Ao¹"Chen Xiaolin²"Du Wenbo³"Luo Xiaolong⁴

（1.School of Mechanical Engineering， Southwest Petroleum University; 2.Zhoucun District Emergency Management Bureau of Zibo City; 3.Sichuan Baoshi Machinery Drilling amp; Production Equipment Co.， Ltd.; 4.Chongqing Gas Group Co.， Ltd.）

For 140 MPa ultra-high pressure mandrel-type tubing hanger， the semi-X shaped metal seal was selected. The impacts of ejector displacement， boss radius， bottom angle， interference and temperature on the sealing performance were examined through finite element simulation， and the key structural parameters of the metal seal were optimized by using the response surface method. The results show that the seal contact width and maximum Von-Mises stress are positively correlated with the ejector displacement of the semi-X shaped metal seal， and the maximum contact stress increases and then decreases. The seal contact width and maximum contact stress increase and then decrease with the increase of boss radius and bottom angle. The interference is positively correlated with Von-Mises stress， maximum contact stress， and seal width. The semi-X shaped metal seal maintains a good performance under extreme conditions such as extremely high/low temperature. The optimal parameters are defined as ejector displacement of 1.6-2.0 mm， boss radius of 3.11 mm， bottom angle of 103.1°， and interference of 0.6 mm. The optimized metal seal was installed on the tubing hanger and then tested at a gas pressure of 140 MPa and on site， indicating satisfactory sealing performance. The research results provide a technical support to the development of tubing hanger used in high-pressure environment.

mandrel-type tubng hanger; ultra-high pressure; metal seal; contact mechanics; sealing test

0"引"言

油管懸掛器密封作為芯軸式油管懸掛器的核心部件，主要用于芯軸和四通間的密封，其密封性能直接影響天然氣的開采效率。目前，140 MPa級別的高壓油管懸掛器金屬密封組件基本都是從國外進口，因此自主研制高壓油管懸掛器金屬密封組件至關重要^［1］。

近年來，國內外專家學者對油管懸掛器金屬密封結構做了大量研究。王益敏等^［2］針對105 MPa高壓套管懸掛器密封，設計了一種分體式密封結構，其上部密封采用全金屬結構，且形成兩道密封，相較以往密封結構，密封性能更穩定。張崇等^［3］針對水下采油樹69 MPa以及180 ℃以上高溫高壓環境，設計出一種S形密封。田懿等^［4］對懸掛器K形金屬密封環進行研究，認為在壓力等級為69 MPa時，僅依靠安裝預壓縮量提供的接觸應力足夠滿足介質壓力的密封要求，且受介質溫度的影響較小。任冠龍等^［5］針對69 MPa的臥式采油樹密封設計要求，設計了一種Ｕ形金屬密封圈，并給出U形密封圈密封性能及結構強度的評判方法和指標。秦浩智^［6］總結了金屬密封件在密封面位置所承載的接觸壓力等參數和其材料所對應的屈服強度間存在的關系，并驗證了103.4 MPa井口頭系統密封總成能達到預定的密封效果。晏放等^［7］設計出芯軸式封隔器金屬密封，密封壓力為60 MPa。馮春宇等^［8-9］研究了超高壓、高低溫條件對節流閥Y形圈以及閘板閥環形平面金屬密封的影響，并進行尺寸優化。C.M.SANGAN等^［10］提出了單密封和雙密封的性能分級標準，并指出任何雙密封的性能極限都是內密封暴露于旋轉誘導進入的極限。但上述對懸掛器密封的研究主要集中于105 MPa壓力以下，涉及105 MPa以上高壓環境下的密封研究較少，在深井及高壓井越來越多的情況下，高壓工況下懸掛器密封的研究很有必要。

因此，有必要對油管懸掛器的密封結構進行研究。通過分析現有常規油管懸掛器的密封機理和懸掛能力，設計了一種適合140 MPa以上的油管懸掛器金屬密封組件，對其密封性能進行分析，并對主要結構參數進行優化，以期為高壓環境下油管懸掛器的研制提供技術支持，防止后期發生密封泄漏失效事故。

1"金屬密封結構設計

1.1"密封材料

懸掛器金屬密封面之間的接觸應力必須大于介質壓力，最小密封比壓需要控制在大于1.2倍介質壓力的范圍內，且接觸應力應為較軟材料對應屈服強度的2～3倍^［11］。

另外，依據API 6A《井口和采油樹設備規范》^［12］，井口通常選用馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼或鎳基合金類材料。其中奧氏體不銹鋼相較其他2種材料具有良好的塑性及韌性，且有較低的屈服強度，而316L奧氏體不銹鋼由于添加了鉬，其耐蝕性能優于其他常見不銹鋼。因此，選擇316L奧氏體不銹鋼作為芯軸式懸掛器密封件的金屬材料。通過拉伸試驗測得其屈服強度為218.11 MPa，抗拉強度為502.70 MPa，斷裂伸長率為37.7%；較硬的金屬壓環與底環選用機械強度及硬度較高的42CrMo材料^［13］。

1.2"密封結構

1.2.1"3種不同密封件結構

常用3種金屬密封件的結構如圖1所示。分別為X形金屬密封、H形金屬密封和半X形金屬密封。

由圖1可知：X形金屬密封件有4個方形凸起，受壓橫向張開后與四通、芯軸充分接觸形成密封，該接觸為面與面接觸；H形金屬密封件有4個半球形凸起，受壓后會橫向張開，使半球形凸起與四通、芯軸充分接觸形成密封，該接觸為線與面接觸；半X形金屬密封件只有下部2個半球形凸起，上部為平面，受壓后下部半球形凸起橫向張開，與四通、芯軸接觸形成密封。

1.2.2"建立油管懸掛器有限元模型

考慮金屬密封環及密封部位均為軸對稱結構的圓柱體，故按照軸對稱結構進行建模研究。利用ABAQUS軟件對懸掛器金屬密封建立有限元模型，結果如圖2所示。

由于金屬密封件的表面非常光滑，與其他部件接觸時，接觸面之間的庫倫摩擦因數值較小，取0.02。芯軸、四通、壓環和底環的表面光滑程度不如金屬密封件，庫倫摩擦因數值取0.06。此外，將密封面之間的滑動定義為有限滑移。

懸掛器金屬密封的靜態密封模擬分析可分2步：

（1）模擬懸掛器金屬密封激發變形過程。對芯軸和四通進行全約束，給頂絲沿頂絲軸線方向一定位移，使金屬密封完全激發變形。

（2）模擬加壓過程。金屬密封處需要承載140 MPa的壓力，平滑分布施加載荷，加載方式如圖3所示。其中紅色區域內加壓140 MPa。

1.2.3"數值計算結果

金屬密封件的密封性能主要由von Mises應力、最大接觸應力以及密封寬度表征，數值計算結果如圖4和圖5所示。

半X形金屬密封與H形金屬密封的密封接觸面為圓形弧面，而X形金屬密封的密封接觸面為平面，弧面在受到擠壓時相較于平面更易產生較大的應力，接觸應力越大則金屬面之間的密封性能越好。由圖4和圖5可知：H形金屬密封上部最大接觸應力為517.39 MPa，接觸寬度為4.62 mm；下部最大接觸應力為464.96 MPa，接觸寬度為2.45 mm，下部密封10個節點中只有4個節點的接觸應力大于140 MPa，若下部密封泄漏，則會增加密封件的受力面積，易使上部密封失效。故此，選擇半X形金屬密封作為油管懸掛器的金屬密封形式。

2"金屬密封件性能分析

2.1"頂絲位移對密封性能影響

分析初始安裝頂絲位移對半X形金屬密封性能的影響，在常溫20 ℃條件下，得到油管懸掛器頂絲位移量在1.6～2.4 mm時的頂絲位移與金屬密封件密封性能關系曲線，結果如圖6所示。

由圖6可知，密封接觸寬度和最大von Mises應力與頂絲位移呈正相關，最大接觸應力呈先增大后減小趨勢。這是因為在壓力增加到一定程度后繼續加壓，其凸面的形狀發生改變，從而使接觸面積進一步增大，減小了單位面積上的應力。對于金屬密封，最大接觸應力必須大于材料屈服強度的2～3倍才能實現密封。通過擬合曲線計算得出，頂絲位移不能小于1.542 4 mm，且頂絲位移過大則油管懸掛器密封件難以拆卸，故頂絲位移范圍取1.6～2.0 mm。

2.2"結構參數對密封性能影響

金屬密封件的凸臺半徑r、底部夾角α、過盈量δ為其主要結構參數，位置如圖7所示。

本節將探究其對密封性能的影響，并優選出合適的尺寸。

2.2.1"凸臺半徑r

圖8為凸臺半徑對金屬密封性能影響曲線。

由圖8可知：密封接觸寬度與最大接觸應力隨凸臺半徑的增大呈先增大后減小趨勢。這是因為當凸臺半徑增大到一定程度后，接觸區域的增長趨于飽和，此時接觸寬度基本保持不變，而由于接觸壓力分布的變化，最大接觸應力開始減小。當凸臺半徑為3.2 mm時，其密封接觸寬度與最大接觸應力均為最大。因此，凸臺半徑優選為3.2 mm。

2.2.2"底部夾角α

圖9為底部夾角對金屬密封性能影響曲線。由圖9可知：最大von Mises應力在288.30～296.30 MPa之間變化，密封接觸寬度與最大接觸應力隨底部夾角的增大呈先增大后減小趨勢。這是因為底部夾角越大，對密封件凸臺處的橫向支撐越強，接觸壓力越大；當壓力增大到一定程度后，金屬密封的接觸面積已經達到飽和，此時如果繼續增大底部夾角，金屬密封塑性變形加大，接觸將發生變化，密封接觸寬度反而與最大接觸應力出現下降的趨勢。因此，底部夾角優選為104°。

2.2.3"過盈量δ

表1為不同過盈量δ與密封性能關系表。由表1可知，過盈量與von Mises應力、最大接觸應力及密封寬度都呈正相關。在安裝條件不變的情況下，過盈量越大，金屬密封件底部凸面受到的壓力越大，而過盈量過大將會導致安裝與拆卸困難。當過盈量為0.6 mm時，最大接觸應力是金屬材料屈服強度的2倍以上，可滿足金屬密封的要求；而過盈量為0.2、0.4 mm時，密封接觸寬度較小。故過盈量優選為0.6 mm。

2.3"多目標優化

2.3.1"約束條件及響應面建立

對半X形金屬密封件密封性能影響較大的參數（凸臺半徑r、底部夾角α、過盈量δ）進行優化，選其作為設計變量。考慮配合底環角度，凸臺半徑r為3.1～3.3 mm，底部夾角α為103°～105°，過盈量δ為0.5～0.7 mm。

金屬密封件的優化目標函數為：

Max［C_p］

Min［δ］（1）

式中：C_p為密封接觸面上的最大接觸應力，MPa。

根據設計變量及響應值，建立凸臺半徑r、夾角α和過盈量δ兩兩結合對最大接觸應力復合影響的響應面圖，結果如圖10所示。

2.3.2"結構參數優化

運用Design-Expert中的Optimization模塊，基于多島遺傳優化算法，以max［C_p］、min［δ］為目標，得到優化后的金屬密封件參數與初始參數對比，結果如表2所示。

由表2可知，優化后最大von Mises應力減小了7.48 MPa，最大接觸壓力增加了27.75 MPa，密封接觸寬度減小了0.16 mm。

3"極端溫度對密封性能影響

新疆某高壓作業區塊，由于冬、夏兩季存在極高和極低溫度情況，所以要考慮極端溫度下金屬密封件能否實現長期穩定的密封。根據有限元原理，需定義材料的熱性能參數^［14-15］，其中設置高溫下四通外側與芯軸中心溫度分別為120和180 ℃；低溫下四通外側與芯軸中心溫度分別為-46和20 ℃，并將該邊界條件參數與應力場耦合^［16-17］，計算結果如圖11示。

由圖11可知，極端溫度下最大von Mises應力均位于金屬密封件下部密封凸臺，見圖11中黑框所示。表3為不同溫度下金屬密封的評估指標表。

由表3可知，金屬密封件的最大von Mises應力、最大接觸應力和密封接觸寬度都是常溫狀態下最大，且與極端溫度條件下數值相差不大。在這3種工況下，接觸面所承載的接觸壓力均超過了外界介質壓力的2倍，且最大接觸壓力為材料屈服強度的2～3倍。因此，在極端溫度下半X形金屬密封能實現可靠密封。

4"懸掛器試驗

4.1"懸掛器密封壓力試驗

將優化后的懸掛器密封組件加工完成，并將整個懸掛器安裝完畢（見圖12），然后連接高壓設備。通過氣密封試驗進氣口向環空加壓，采取慢速均勻加壓方式，并在壓力達到140 MPa時穩壓15 min。對試壓壓力進行記錄，得到如圖13所示的試壓曲線。

試驗過程中，懸掛器無可見氣泡，壓降為0.5 MPa，證明半X形金屬密封性能良好，可在超高壓環境下使用。

4.2"懸掛器現場試驗

將該懸掛器安裝于塔里木油田某作業區的氣井內，圖14為油管懸掛器現場進行的密封試驗。

現場試驗表明，密封試驗檢測合格，且2022年安裝至今該井都能正常穩定地執行生產任務，未發生過密封泄漏情況。

5"結"論

（1）采用仿真手段，分析了不同密封結構、

頂絲位移、凸臺半徑、底部夾角、過盈量及溫度等因素對超高壓芯軸式油管懸掛密封器性能的影響，設計出采用316L金屬的半X形金屬密封件。

（2）通過仿真分析得出：密封接觸寬度和最大von Mises應力與頂絲位移呈正相關，最大接觸應力呈先增大后減小趨勢；凸臺半徑與底部夾角對最大接觸應力和密封接觸寬度的影響均呈先增大后減小變化；過盈量對最大接觸應力、密封接觸寬度和最大von Mises應力呈正相關；半X形金屬密封受溫度影響較小，可在高、低溫的極端工況下保持良好的密封性能。

（3）采用響應面法對密封關鍵結構參數進行優化分析，對凸臺半徑、底部夾角、過盈量進行優化，優化后的密封件在安全性能和密封性能上均有所提升。

（4）對半X形金屬密封進行壓力試驗，在壓力140 MPa下穩壓15 min期間，無可見氣泡，壓降為0.5 MPa。將該密封應用于塔里木油田某作業區的氣井，未發生泄漏情況。

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