水下采油树油管挂K形金属密封性能分析

彭粲粲，龚光辉，张开龙，周思柱，段梦兰

（1.长江大学机械工程学院，湖北荆州434023；2.重庆前卫海洋石油工程设备有限责任公司，重庆401121；3.中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京102249；）



水下采油树油管挂K形金属密封性能分析

彭粲粲1，龚光辉2，张开龙3，周思柱1，段梦兰3

（1.长江大学机械工程学院，湖北荆州434023；2.重庆前卫海洋石油工程设备有限责任公司，重庆401121；3.中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京102249；）

摘要：水下采油树是水下生产系统中的重要设备，其中油管悬挂器作为井液的必经通道，其密封性能不容忽视。利用ABAQUS软件对油管悬挂器K形金属密封建立二维轴对称模型，对K形密封在预紧工况以及69MPa介质压力的工作工况下进行有限元分析，得出其装配时最佳过盈量的范围以及在此范围内的最大M ISES应力、接触应力的分布情况。结果表明：在工作工况下，K形密封圈的最大M ISES应力略大于材料的屈服强度，密封圈发生了较小的塑性应变，其最大接触应力能很好地满足密封要求，可以实现密封。

关键词：水下采油树；油管悬挂器；K形金属密封；接触应力；密封性能

近年来，世界各国对油气资源的依赖愈发强烈，因陆地资源有限，远不能满足日益增长的油气需求，水下油气开采已经成为了必然趋势。水下采油树是水下油气开采的主要设备，而油管悬挂器出油口处的密封技术是目前采油树研发的关键技术之一。由于国外对相关技术进行封锁，所以对油管悬挂器出油口处的密封研究迫在眉睫。

油管悬挂器坐放在采油树内，其本体上的密封分别位于出油口的上、下两侧，既能防止油液外流，还能阻挡外部杂质进入油管悬挂器内部污染原油。生产通道内的工作条件相对恶劣，与非金属密封相比，金属密封的耐腐蚀、耐压能力要强很多。K形金属密封与唇形密封相似，在使用时与采油树树体为过盈配合，所以在安装时需要有合理的过盈量，产生一定的预紧力。

当密封件处于工作状态时，工作压力会挤压K形密封的唇口部位，使密封表面与被密封部位贴合的压力增大，密封性能大幅提高。

对于出油口处的密封，拟定使用金属密封作为主密封，M E C密封作为辅助密封的方式（如图1），双重保障。目前，仅有国外几家石油设备公司掌握了油管悬挂器密封技术，例如F M C公司的SB M S（金属直孔密封）、X E M S（外部激励密封）、Y H Y形密封，Ca meron公司的M E C密封等［1］。国内对采油树油管挂出油口密封研究较少，2012年由中国石油大学（华东）李振涛等人［2］自主设计了适用于压力等级为34.5MPa（5 000 psi）工况下的M E C密封，并对其不同工况性能进行分析，得出其最佳过盈量范围以及不同过盈量对密封性能的影响。国内对于油管悬挂器采用金属密封的密封形式尚无研究。本文对K形金属密封性能进行研究，以期为国内金属密封在采油树油管挂中的应用打下基础。

图1　K形密封圈结构

1 密封性能的判定及研究方法

1.1 判定方法

一般来说，对于密封圈密封性能的研究，主要是研究其接触应力（密封比压），即比压大于垫片系数乘介质压力时，密封可行；否则是不能密封［3］。但此方法常适用于介质压力小于34.5MPa的工作条件下，当介质压力大于34.5MPa时，此准则不能使用。中国石油大学（华东）李振涛在对34.5MPa压力等级下M E C密封圈设计分析时提出，当密封面的接触应力满足大于密封介质压力3倍的要求，在理论上能形成良好的密封性能［2］。在研究K形密封时，可使用此标准来判定其密封性能。

1.2 研究方法

目前，对于密封圈的研究方法主要有3种：①试验测试法，直观可靠、数据准确，但需要专业的设备和多规格芯轴配件；②工程计算法，简单有效、应用面广，但对复杂密封结构存在局限性；③数值模拟法，技术先进、信息量大［4］。针对K形金属密封，本文选择数值模拟的方法，应用ABAQUS有限元软件对K型密封圈进行建模，通过计算分析确定密封圈安装过盈量，并对其预紧及工作工况的M ISES应力、接触应力进行分析。

2 密封性能有限元分析

2.1 材料选用

由于K形密封圈作用于油管挂出油口位置，该位置工作环境恶劣，对温度和压力都有较高的要求，而且在接触作用时接触表面会发生一定的塑性变形，在油液的长时间作用下，其材料必须具有一定的耐腐蚀性。因此，选择工作温度范围较大、屈服强度高、塑性较好以及具有一定耐腐蚀性能的金属材料才能满足其要求。在合金领域，目前大量使用的主要还是铁基、镍基和钴基高温合金。但铁基高温合金存在相不稳定的趋势，合金组织可能软化或者催化，最终导致力学性能下降；钴基高温合金抗热腐蚀能力强，但大多数铁基和钴基合金的抗氧化性能均比镍基合金低得多；镍基高温合金不仅具有足够高的耐热强度、良好的塑性等，其抗热腐蚀能力也绝不亚于钴基合金［5-6］。G H 4169合金目前在航天以及石油天然气领域越来越受到重视，并且根据1986年统计，G H 4169年产量占整个高温变形合金的45%［7-8］。因此，选用G H 4169合金为K形密封圈的材料，常温下G H 4169材料属性及应力应变曲线如表1和图2所示。

表1　G H4169常温下的材料特性

图2　G H 4169材料常温下应力应变曲线

2.2 模型建立

K形金属密封圈在安装时与树体内壁为过盈配合，其预紧力的大小取决于过盈量的值，在安装K形金属环时，首先要确定其过盈量。

在ABAQUS中建模使用二维轴对称模型。预紧工况下，其模型中设置3对接触，即密封圈内侧与油管挂外侧接触、密封圈外侧与树体内侧接触、密封圈上部与上端挡环接触。将上端挡环和左侧油管挂设为完全固定，模拟过程中约束右侧树体的y轴位移以及z方向的旋转，向x轴负方向施加位移载荷。网格采用4节点双线性对称四边形单元C A X4 R，为了减小计算量，对于主要研究的K形密封，网格选择尺寸0.1，油管挂、树体及挡环选择尺寸1.0［9-10］。密封圈的约束条件、载荷以及网格划分如图3所示。

图3　加载、边界条件及网格模型

2.3 密封性能分析

在预紧工况下，对K形密封圈外侧施加0.5mm的位移载荷，其M ISES应力分布如图4所示。

图4　0.5mm过盈量的M ISES应力分布

在ABAQUS后处理中，可提取出最大M ISES应力处节点受到的位移载荷与M ISES应力的变化关系，取此节点，提取出其关系曲线如图5所示。

图5　预紧工况位移载荷与最大M ISES应力变化曲线

图4表明密封环在0.5mm过盈量下，最大应力值为986.5MPa，最大M ISES应力发生位置在密封圈外唇口的内侧圆环处，且上下两侧受力及变形一致。

由图5可知：K形密封圈压缩量从0增加到0.02mm时，密封圈的最大M ISES应力增加较明显，之后缓慢增加到最大。

K形密封圈在工作工况下，密封圈底部受到的压力最大为69MPa。在此压力下，使用不同的过盈量来进行分析计算，此处选择从0.1～0.5mm取点的方法来施加位移载荷，其过盈量与最大M ISES应力关系如图6所示。结果表明：过盈量从0.10mm加至0.15mm时，其最大M ISES应力略微减小，是因为MISES应力最大处从密封圈的开口环中心变化到外唇口的内侧表面（如图7）。当过盈量达到0.35mm之后，其最大MISES应力均为1 310MPa，最大M ISES应力已经超过材料的屈服强度进入塑性阶段，其最大塑性应变为0.018。因此，过盈量上限取定为0.34mm。

图6　0.1～0.5mm过盈量最大M ISES应力变化曲线

图7　最大M ISES应力位置

图8为预紧工况过盈量0.5mm时密封圈的接触应力分布图。结果表明：其最大接触应力出现在K型密封圈外侧唇口与采油树树体表面接触的表面，最大接触应力为81.35MPa。可在后处理中提取出其最大接触应力与过盈量的变化曲线。

图8　预紧工况下0.5mm过盈量密封圈接触应力分布

最大接触应力随过盈量变化曲线如图9所示，可以看出：密封圈的接触应力随过盈量的增加而增大。由于K形密封在安装时需要一定的过盈量来实现初始密封，但在机械加工中存在可能的误差，给定的过盈量太小会导致密封圈形变过小，难以填满密封面的凹凸面而造成泄露，因此选择0.2mm为其初始过盈量的下限，此时其接触应力为43.3MPa。

图9　最大接触应力随过盈量变化曲线

以上结果表明K形金属密封圈的最佳过盈量为0.20～0.34mm。

在0.20～0.34mm的过盈量条件下，对K形密封圈下端施加69MPa的介质压力，可得到其最大M ISES应力以及最大接触应力与过盈量的变化关系，如图10所示。

图10　过盈量与最大M ISES应力、最大接触应力关系曲线

图10表明了K形密封圈的过盈量在0.20～0.34mm时，其M ISES应力与接触应力均成逐渐增加的趋势，且其接触应力为394.3～449.0MPa。

3 结论

1） 通过对K形密封在不同过盈量下的性能进行分析得出其接触应力为394.3～449.0MPa，用此结果与介质压力（69MPa）的3倍进行对比，结果表明其接触应力均能满足此判定方法下的密封要求。

2） 建立了K形密封圈的二维轴对称模型，通过分析不同过盈量对预紧工况以及工作工况的最大M ISES应力、接触应力的影响情况，最终得出其最佳装配过盈量为0.20～0.34mm。

3） 分析了在0.20～0.34mm的装配过盈量情况下，K形密封圈的最大M ISES应力和接触应力变化情况，得出在此范围内，最大M ISES应力略大于材料的屈服极限，材料进入塑性变形阶段，且当过盈量为0.34mm时其最大应变为0.009 2，最大应力与最大应变均发生在密封圈外侧唇口的内表面拐角处。并且，在此过盈量范围内，密封圈最小接触应力为394.3MPa，最大为449.0MPa，均能满足密封要求。

参考文献：

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Analysis on Sealing Performance of K-shaped Metal Seal Used in Subsea X-tree Tubing Hanger

PENG Cancan，GONG Guanghui，ZHANG Kailong，ZHOU Sizhu，DUAN Menglan
（1.Collegeof Mechɑnicɑl Engineering，Yɑngtze Uniυersity，Jingzhou 434023，Chinɑ；2.Chongqing Qiɑnwei Science ɑnd Technology Group Co.，Ltd.，Chongqing 401121，Chinɑ；3.Offshore Oil ɑnd Gɑs Reseɑrch Center，Chinɑ Uniυersity of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，Chinɑ）

Abstract：The X-tree is a significant equip ment in the subsea production system. As a channel of the oil，sealing performance of the tubing hanger cannot be ignored. The paper established the two-dimensional axisymmetric model of k-shaped seal which used in the tubing hanger with ABAQUS. The finite element analysis in preload conditions and the working conditions with a pressure of 69MPa was carried out. The optional magnitude ofinterference in assem bly processing，the maxim umm ISES stress and contact stress distribution in this range was obtained. According to the results，the maxim umm ISES stress of the k-shaped seal was slightly larger than the yield limit and a small plastic strain occurred on the sealing ring. The maximum contact stress pressure can satisfy the requirement very well.

Key Words：subsea X-tree；tubing hanger；K-shaped metal seal；contact stress；sealing performance

作者简介：彭粲粲（1991-），男，河南信阳人，硕士研究生，主要从事海洋石油装备设计研究，E-mail：429154176 @ qq.com。

基金项目：国家发改委2013年海洋工程装备研发及产业化专项“水下采油树研发及产业化”（发改办高技［2013］1764号）

收稿日期：2015-07-23

文章编号：1001-3482（2016）01-0016-05

中图分类号：T E952

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.01.004