水下采油树H4井口连接器处轴向密封间隙计算方法的研究

罗晓兰， 王 军， 李方遒， 赵宏林， 段梦兰

(中国石油大学(北京)， 北京 102249)

水下采油树H4井口连接器处轴向密封间隙计算方法的研究

罗晓兰， 王 军， 李方遒， 赵宏林， 段梦兰

(中国石油大学(北京)， 北京 102249)

该文通过对H4井口连接器处的VX钢圈在预紧状态和工作状态下，进行受力分析和变形计算，依据GB150-2011《压力容器》标准中VX钢圈密封面上的法向自紧力必须大于等于工作密封比压的密封可靠性要求，得到了水下采油树H4井口连接器处最大和最小预留轴向密封间隙计算公式。研究表明，此轴向密封间隙不仅与VX钢圈的结构尺寸、双锥面倾角和材料类型有关，而且还与高压井口头直径的大小、油气压力等因素有关。

水下采油树；井口连接器；轴向密封间隙；密封可靠性

0 引言

深水油气开发已成为世界石油工业的主要增长点[1]，而水下生产系统是海洋油气开发的关键。水下生产系统包括水下采油树、水下管汇、水下控制系统、回接管线、水下分离设备等。其中水下采油树在水下生产系统的工作过程中起到注水、注气、控制油气产量、化学试剂注入的作用，同时，通过采油树阀门的紧急关闭来控制油井生产事故的发生。

井口连接器是采油树中用于连接采油树和井口的关键部件之一，如图1所示。由图1可知，无论是立式采油树还是卧式采油树，井口连接器都起到连接高压井口和采油树树体，实现采油树与井口联接处的密封，防止油气泄漏，承载采油树内外载荷及保证采油树油气生产安全可靠运行的作用。

图1 水下采油树井口连接器

目前，FMC、ABB、VetcoGray等几家公司最常用的井口连接器为H4连接器[2-5]，其主要结构一般由指示杆/二次解锁杆、外本体、推动活塞、二次解锁活塞、作用环、VX型金属密封圈、锁块、销钉和橡胶密封圈组成，如图2所示。

图2 H4水下连接器

H4连接器的工作原理是：当需要采油树与高压井口锁紧时，可以通过液压管道向液压腔注入液压油使活塞向下运动，带动销钉锁块环向收缩，实现H4连接器锁块与高压井口锁紧，此时，井口连接器与井口是由VX钢圈实现密封。VX钢圈为双锥密封面结构，其密封原理是自紧式密封，如图3(c)所示。当需要H4连接器与高压井口解锁或进行拆卸时，液压油推动活塞向上移动，销钉锁块环向松开，再借助外部机具的提升力采油树外本体，使连接器与井口脱离。

目前，关于水下采油树H4连接器与高压井口密封研究的相关文献资料非常有限。Cameron公司的Kelly和Theiss通过对水下井口头与水下采油树之间密封机理的分析，提出了多种密封结构选择方法，为密封方案的设计提供了指导，但没有进行密封预紧力计算等相关的理论研究[6]。我国的水下采油树的研制处于起步阶段，饶松海对H4连接器的VX钢圈的受力和变形进行了分析，并对其失效情况进行了探索，为钢圈的国产化和实际使用提供了理论依据[7]。

然而，为保证H4连接器中密封的有效性，开展H4连接器的VX密封钢圈预紧力计算方法，特别是H4连接器锁紧前，锁块的锁牙与井口沟槽的预留密封间隙的研究，如图3(a)所示，定量地预留出采油树下放安装时的预留安装密封间隙，使得水下采油树锁块与高压井口一次安装锁紧到位后，VX钢圈产生足够的密封预紧力，以保证其在工作状态下的密封可靠性。

1 H4连接器密封间隙的分析计算

如图3(a)所示，相对于锁块，可假设井口头及其井口沟槽锁牙为固定端，预紧时液压推动活塞向下移动，挤压锁块向径向和轴向方向移动，若锁块下移的位移量g由各构件之间的变形协调，那么作用环螺纹连接的采油树外本体作为一个整体也随之向下移g的位移量。由如图2所示，具有双密封锥面的VX钢圈在采油树外本体向下挤压下产生轴向2e1的压缩量和径向产生2Δ1的压缩量，密封圈达到预紧密封比压，并且获得最大的回弹力，达到初始密封效果，如图3(b)、图3 (c)所示。

此时，各个位移量之间有如下关系式：

(1)

式中：g为锁块锁牙与井口沟槽在轴向密封间隙，mm；e1为VX钢圈预紧时的单侧轴向压缩量，mm；Δ部为连接器各部件预紧时产生的轴向变形和，mm。

图3 H4水下连接器密封间隙示意图

因此，密封间隙g的大小对密封性能有很大的影响。若间隙g增大，VX钢圈的压缩量Δ也大，反弹力也增大，对应的预紧密封力也较大，其密封效果更好。但是，此间隙也不能过大，否则会使VX钢圈发生塑性变形而导致工作时密封失效。

2 VX钢圈变形计算

在预紧状态和工作状态下，VX钢圈压缩量是不同的，所以必须分别在两种工况下进行VX钢圈变形分析，如图4所示。

2.1VX钢圈预紧状态下的变形分析

如图4(b)所示，取半个VX钢圈进行静力平衡分析，此时VX钢圈只受到周向压缩力W1的作用。设此时单位周向长度上的周向载荷为W1/(πDm)，弹性变形内VX钢圈径向压缩应变εθ及相应的周向应力σθ为：

(2)

将式(1)代入式(2)得到:

(3)

式中：AR为VX钢圈横截面积，mm2；W1为预紧状态时VX钢圈所受的周向载荷，N；Δ1为VX钢圈整体径向压缩量，mm；ER为VX钢圈材料的弹性模量，MPa；Rm,Dm分别为VX钢圈的平均半径、直径，mm。

如图5(a)所示：Dm=Di+2Sn

图5 VX钢圈工作状态下的受力分析

Di为高压井口头的内直径，mm；Sn为VX钢圈密封面中点处的厚度，mm。

由式(3)积分得到周向载荷W1与VX钢圈整体径向压缩量的关系为：

(4)

此时，VX钢圈整体径向压缩量为Δ1：

(5)

由图4(c)可知，水下采油树H4井口连接器处的轴向压缩量可近似为：

(6)

式中：α为VX钢圈锥面锥角(°)；e1为VX钢圈预紧时的单侧轴向压缩量，mm。

预紧时的VX钢圈轴向压缩量e1值是VX钢圈在工作状态下达到可靠密封的保证，但是，由于水下采油树本体与VX钢圈之间力的传递关系复杂，因而W1的计算较为困难。为求出VX钢圈的e1值，可通过VX钢圈工作状态时受力及变形进行求解。

2.2VX钢圈工作状态下的变形分析

工作状态下，VX钢圈受流体压力p、VX钢圈密封面上的法向分力G和操作时密封面上的摩擦力F作用，如图5(a)所示。此时，VX钢圈流体压力p两边的作用面积不同，所以VX钢圈会产生一定量的回弹，此时VX钢圈锥面的径向自紧力V为：

(7)

式中：Vp为VX钢圈受流体压力p产生的径向扩张力，N，Vp=πDmhp;h为VX钢圈无介质压力作用的高度，mm；VR为操作时VX钢圈的回弹力，N。

由于介质压力p的作用，使得VX钢圈预紧时的径向压缩量e1会回弹一部分Δrw，如图5(b)所示，此时，VX钢圈径向压缩量ΔR为：

(8)

由变形关系和静力平衡可求得VR′：

(9)

为计算简单，计算回弹力VR′时可按最大值计算，即ΔR≈e1，因此：

(10)

考虑VX钢圈密封面摩擦力的影响，由力的平衡可得操作时VX钢圈密封面的法向力G为：

(11)

式中：ρ为VX钢圈与采油树本体之间的摩擦角(°)。

此时，VX钢圈密封面上的法向自紧力q为：

(12)

式中：b1为VX钢圈有效密封宽度，mm。

按照GB150-2011《压力容器》[8]规定，为保证工作时密封，则q≥qs。

联立式(7)、式(10)、式(11)、式(12)得到水下采油树H4井口连接器处预紧时的轴向压缩量e1为：

(13)

所以，井口连接器处预紧时的轴向压缩量e1最小值为：

(14)

但水下采油树H4井口连接器处预紧时的轴向压缩量e1也不能过大，否则会使VX钢圈发生塑性变形而失去密封效果。即：

(15)

所以，井口连接器处预紧时的轴向压缩量最大值为：

(16)

式中：qs为工作密封比压，由GB150-2011《压力容器》中查取，MPa；σs为VX钢圈材料的屈服极限，MPa。

考虑到VX钢圈为弹性体，而连接器各部件尺寸一方面较大，另一方面连接器各部件的刚度远远大于VX钢圈，所以，相对于VX钢圈的轴向位移可忽略各部件的轴向位移部的Δ部影响，则水下采油树H4井口连接器处密封间隙计算公式为：

(17)

(18)

由式(14)可知，水下采油树H4井口连接器处密封间隙的设计一方面要考虑VX钢圈的截面尺寸AR、密封面宽度b1、密封面锥角α和VX钢圈的材料性能ER、工作密封比压qs对密封性能的影响；另一方面要考虑采油树内流体压力p、VX钢圈与采油树本体材料选择之间摩擦角ρ对密封性能的影响，最后还需要考虑高压井口头直径的大小，合理确定VX钢圈无介质压力作用的高度h、VX钢圈的平均直径Dm等因素的影响。

3 结论

(1)为确保采油树与井口连接处的密封，必须设计合理的水下采油树H4井口连接器处密封间隙g，密封间隙g的大小对VX钢圈密封性能有很大的影响。若密封间隙g增大，VX钢圈的压缩量也大，反弹力也增大，对应的VX钢圈密封性能越好。但是密封间隙g也不能过大，否则会使VX钢圈压缩量过大，从而发生塑性变形而使VX钢圈在工作时密封失效。

(2)依据VX钢圈的密封机理，通过对VX钢圈在预紧和工作状态下变形关系和静力平衡得出了水下采油树H4井口连接器处最大、最小密封间隙计算公式。由计算公式可以看出，为确保水下采油树H4井口连接器处形成合理的密封间隙，必须考虑井口头直径、介质压力、VX钢圈和采油树树体材料之间的摩擦角的影响，同时，还必须合理设计VX钢圈各部分尺寸，使得水下采油树树体锁块与井口一次安装锁紧到位后，VX钢圈达到需要的预紧密封力，确保采油树与井口连接处工作时的密封可靠性。

[1] 廖谟圣.海洋石油钻采工程技术与装备[M].北京:中国石化出版社,2010:8-11.

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[3] Hyde P, Ratliff L, Stephens T. Method and apparatus for equalizing pressure with a wellbore: U.S. Patent Application 11/804,829[P]. 2007-5-21.

[4] Cuiper G H, Paulo P C S. Subsea connector: U.S. Patent 8,720,574[P]. 2014-5-13.

[5] 李士斌, 何军国. 力学分析在石油机械产品中的应用[J]. 内江科技, 2008, 29(11): 138-138.

[6] Kelly T P， Theiss D H. Rationale for Sealing Systems for Subsea Production Systems[C]. OTC 5795,USA, 1995.

[7] 饶松海.VX钢圈的密封原理[J].中国海洋平台,1998，13(4):30-32.

[8] GB150-2011, 钢制压力容器[S]. 2011.

[9] 赵正修.石油化工压力容器设计[M].东营：石油大学出版社，1996.

Research on the Calculation Method of Subsea Tree H4 Wellhead Connector Axial Seal Clearance

LUO Xiao-lan，WANG Jun， LI Fang-qiu， ZHAO Hong-lin， DUAN Meng-lan

(China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249， China)

This paper presents the stress analysis and deformation calculation under the preloading and working conditions at the VX gasket in the H4 connector which is based on the standard of GB150-2011 “Pressure vessel”, stating that the normal force of sealing surface must be equal or greater than the demand of sealing specific pressure under working conditions. The results show that the axial sealing clearance is not only closely connected with the size of the VX gasket, double cone angle and material type, but also affected by the diameter of the high pressure wellhead and oil pressure.

subsea christmas tree； wellhead connector；axial seal clearance；seal reliability

2014-07-16

国家重大专项“水下管汇连接器样机研制”(2011ZX05026-003-02)，国家高科技研究和发展计划“水下采油树关键技术研究及成套设备研制”(2012AA09A205)。

罗晓兰(1964-)，女，副教授。

1001-4500(2015)04-0082-06

P75

A