油管挂环空金属密封制造技术研究

郭 骏， 朱生东， 张鹏举， 袁锦红， 施 佳

(1.中海石油深海开发有限公司， 广州 深圳 518000； 2.美钻能源科技(上海)有限公司， 上海 200943)



油管挂环空金属密封制造技术研究

郭 骏1， 朱生东1， 张鹏举2， 袁锦红2， 施 佳2

(1.中海石油深海开发有限公司， 广州 深圳 518000； 2.美钻能源科技(上海)有限公司， 上海 200943)

该文根据水下采油树的应用环境和要求，对水下采油树油管挂环空金属密封件的设计结构及原理、性能要求、制造工艺等进行了技术分析，并阐述了制造工艺过程中的技术难点及解决措施。在此基础上，进行了油管挂金属密封的研制，并将其应用于采油树制造项目，产品的各项试验结果表明，其质量及性能满足设计要求。

水下采油树；金属密封；镍基合金；压力自紧密封；金属弹性性能；表面镀银

0 引言

水下采油树作为海洋油气开采过程中的关键油气生产控制设备，是位于海底井口顶端开口处的一个系统组件，它提供了一系列用于原油生产、控制、测试及维修的通道和各种用来测量和维修的阀门。水下采油树油管挂环空金属密封是位于油管挂与树本体的环形空间内的一道关键密封，其密封介质是从海底地层开采出的具有高温、高压及高腐蚀性的原油(气)，恶劣的工况条件对密封件的性能提出了很高的要求，其核心制造技术长期被国外垄断，我国一直依赖进口。因此，作为水下采油树关键密封件，有必要对其进行研发制造。

1 油管挂环空金属密封设计原理及结构

水下采油树在油管挂与树本体之间存在环形间隙空间(环空)，当生产油气介质水平生产出口时，必须防止流体从环形间隙空间泄漏出去，因而在水平生产出口的两侧分别设计了一道双U型金属弹性密封件作为主密封，如图1所示。

图1 油管挂环空双U型弹性金属密封

油管挂双U型弹性金属密封原理如图2所示，其密封原理是利用金属弹性在介质压力作用下产生弹性形变，使之与密封配合面达到紧密贴合，从而实现压力自紧密封。

图2 双U型金属密封的结构形式

2 油管挂环空双U型金属密封的设计要求

设计上油管挂双U型金属密封为油管挂与树本体之间的环空主密封，其密封技术参数及要求如下：工作压力为10 000 psi；试验压力为15 000 psi；产品API规范等级为PSL 3/3G；性能测试为PR2。

要实现以上设计性能，对密封件材料的熔炼组织和热处理工艺、密封件的成形加工工艺、表面处理工艺等提出了以下要求：(1) 油管挂环空金属密封材料须有良好的弹性及疲劳强度；(2) 油管挂环空金属密封材料既能耐高低温又能耐原油介质腐蚀，同时能实现高压可靠密封。

3 油管挂环空双U型金属密封的制造技术方案

3.1 油管挂环空双U型金属密封的材料选择

(1) 考虑到油管挂双U型金属密封的耐腐性，成形加工性能及金属弹性要求，设计采用镍基合金INCONEL 718作为密封件的材质。

(2) INCONEL 718合金是含铌、钼的沉淀硬化型镍铬铁合金，在700℃时具有高强度、良好的韧性以及在高低温环境均具有耐腐蚀性，供货状态通常是固溶处理后沉淀硬化态。

(3) INCONEL 718合金具有良好的耐腐蚀性，易成形加工性能，经过有效的冶炼工艺及热处理工艺，INCONEL 718合金可获得良好的细晶粒组织及弹性性能。

3.2 油管挂环空双U型金属密封制造工艺流程

油管挂环空双U型金属密封的工艺流程如图3所示：

图3 油管挂环空双U型金属密封的工艺流程

3.3 油管挂环空双U型金属密封制造关键工艺

(1) 毛胚材料的熔炼、锻造及热处理工艺。

(2) 双U形密封件的成形加工工艺。

(3) 密封件的表面镀银处理工艺。

4 油管挂环空双U型金属密封的制造工艺措施

4.1 毛胚材料的熔炼、锻造及热处理

(1) 从设计原理上考虑，油管挂双U型金属密封属于金属弹性密封，因此要求密封件的材料具有细密的晶粒组织，良好的综合机械性能及弹性性能。

(2) 在冶炼工艺方面，为获得更纯净化的钢水，减低气体含量与有害元素含量，通常采用真空感应炉熔炼，甚至用真空感应冶炼加真空自耗炉或电渣炉重熔方式进行生产。锻造、轧制工艺是为了优化微观组织；热处理工艺包括固溶处理、中间处理和时效处理，是为了获得所要求的组织状态和良好的综合机械性能。

(3) 通常INCONEL718会使用以下两种热处理：1) 加热到926℃～1 010℃，水中快速冷却至室温，然后升温至718℃保持8 h，炉内冷致函至621℃，在621℃保持18 h作为时效处理，随后在空气中冷却至室温；2) 加热到1 037℃～1 065℃，水中快速冷却至室温，然后升温至760℃保持10 h，炉内冷至648℃，在649℃保持20 h作为时效处理，随后在空气中冷却至室温。

4.2 油管挂环空双U型金属密封件的机械加工

4.2.1 油管挂环空双U型金属密封件的机械加工技术难点

油管挂环空双U型金属密封件，其加工难点在于：

(1) 材质INCONEL718的机加工易引起刀具的严重磨损。

(2) 油管挂环空双U型金属密封零件的整体刚性小，不仅在用工装夹持时容易产生夹持变形，切削加工时切削力也会引起工件弹性变形，影响尺寸精度。

4.2.2 油管挂环空双U型金属密封件的机械加工措施

(1) 改善刀具磨损的工艺措施

1) 为解决镍基合金机加工的刀具磨损问题，可采用最新发展的气相沉积技术，对传统的硬质刀具进行涂层改性。研究表明，通过对硬质刀具进行(Al/Ti)N-PVD复合涂层以及PVD纳米涂层改性，使刀具具有更好的耐磨性能、抗氧化性、化学稳定性及热稳定性，从而显著提高了刀具的使用寿命及工件的加工质量。

2) 新型的PVD复合涂层及纳米涂层改性技术的优势在于：

(a) 新型的气相沉积复合涂层及纳米涂层与刀具有很强的结合强度；

(b) 新型的气相沉积复合涂层及纳米涂层改善了刀具的热传导性能；

(c) 新型的气相沉积复合涂层及纳米涂层不仅提高了刀具切削刃的硬度，增强了抗氧化性，同时还降低了其与被切削金属的亲和力，从而改善了刀具的抗粘着磨损。

(2) 防止加工变形的工艺措施

1) 工艺分析

双U形油管挂金属密封件外形(如图4所示)呈现一大直径薄壁圆环结构，整体刚度弱，加工时的切削力往往造成被加工件的弹性变形，产生振刀，从而影响加工的尺寸精度。为此，在不同的加工阶段，必须采用相应的工装夹具来装卡被加工的密封件，以增大其刚度，从而确保其加工的尺寸稳定性。

图4 油管挂环空双U型金属密封的外形

2) 加工步骤

第一步：用机床卡盘、压板及拉杆卡住工件毛胚，加工出一端端面及圆环内周型面，并以此作为基准面，如图5所示。

图5 卡盘装夹加工出基准面

第二步：以已加工面为基准，用内撑式自定心卡盘、压板及拉杆螺栓将工件装卡固定于机床花盘或与机床旋盘连接，分别加工出两头端面外形及U形槽，如图6所示。

图6 加工端面及U形槽

第三步：将自制专用撑环撑住U形槽的内圆面，并利用压板、拉杆螺栓和自定心卡盘等工装将工件固定于花盘或旋盘，加工出外形面，如图7所示。

图7 加工外形面

3) 加工工装

为防止由于夹具的夹持力过大而引起的夹持变形，加工薄壁零件往往采用多点软爪夹持、摆动夹持、弹性夹持或真空夹持的装夹措施，使夹持力更加均匀，从而减小夹持变形引起的加工尺寸误差。

4.3 油管挂双U型金属密封的表面处理

(1) 油管挂双U型金属密封是在介质的压力下依靠金属的弹性实现金属间的紧密贴合，从而实现密封。为了达成金属之间良好的紧密贴合效果，往往还在金属密封面上镀一层较软的金属。

(2) 对油管挂双U型金属密封的密封面，其表面处理措施采取表面镀银工艺。其技术优点有：

1) 密封件表面镀银,使用时能增强密封性能，还能防粘着，抗咬合。

2) 镀银层有良好的抗腐蚀性。

3) 镀银层良好的导电性保证了阴极保护的连续性。

(3) 镀银工艺路线

镀银工艺流程如图8所示：

图8 镀银工艺流程

(4) 镀银工艺质量的主要影响因素

1) 镀银工序前的预处理工序质量决定影响镀银层的结合强度。

2) 镀银工序后的钝化及防变色保护膜处理工序质量对镀银层的抗变色及抗氧化性能影响显著。

3) 电镀液的成分配制及杂质含量，电流密度，电镀液的温度等工艺参数直接影响镀层性能。

5 结语

(1) 油管挂环空双U型金属密封制造技术关键在于毛胚材料的熔炼、锻造及热处理，密封件机械加工以及表面处理。

(2) INCONEL 718合金具有良好的耐腐蚀性，易成形加工性能，经过有效的冶炼工艺及热处理工艺，可获得良好的细晶粒组织及弹性性能。

(3) 采用最新发展起来的气相沉积技术，对传统的硬质刀具进行涂层改性，可解决镍基合金机加工的刀具磨损问题。

(4) 密封件表面镀银，能增强密封性能，还能防粘着，抗咬合。

(5) 采用特殊工装夹具来加工薄壁的金属弹性密封件，以增大其刚度，可确保加工尺寸稳定性。

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Research on Manufacturing Technology of Tubing Hanger Annular Metal Seal

GUO Jun1, ZHU Sheng-dong1, ZHANG Peng-ju2, YUAN Jin-hong2， SHI Jia2

(1.China National Offshore Oil Corporation， Guangdong Shenzhen 518000，China；2.MSP/DRILEX(Shanghai)Co., Ltd， Shanghai 200943，China)

According to the applied environment and requirements of the subsea Christmas tree, this article conducted a technical analysis on the construction, designed principle, performance requirements and process technology of the tubing hanger annular metal seal on subsea Christmas tree, in addition, an elaborating of the technical difficulties and solving measures during manufacturing process was given in this article .On this basis, the specimen of the metal seal for the tubing hanger has been developed and applied to the subsea Christmas tree project. The results of every relevant test indicated that the quality and performance of the metal seal is capable of meeting the design requirements.

subsea christmas tree; metal seal; nickel-based alloys; pressure self-tight seal;elastic properties of metals;silver planting

2015-10-22

郭 骏(1978-)，男，工程师。

1001-4500(2016)01-0012-05

TE95

A