管线补偿器结构设计与优化

刘玉洲，王方祥，刘 楠，刘海超，张博渊

(中国石油渤海钻探工程有限公司 井下技术服务分公司，天津 300283)

在试油、压裂和大修等作业准备过程中，需要连接各种管线[1-4]，经常出现以下情况：

1) 在开工准备时，出口罐已摆放好位置，由井口到出口罐需要连接多根地面管线。由于地面管线的长度不适宜而连接不上。

2) 在试油作业过程中，需要经常根据不同的工况更换防喷器和采油树。由于原管线的长度不合适，导致不能将管线顺利连接到新的采油树上。

3) 在进行洗井、压井、汽化水等作业时，需要将水泥泵车连接到进口罐和压井管线之间，同样由于管线长短不合适，需要不断调整水泥泵车的位置，尤其在倒车过程中，存在安全隐患。

目前，施工现场出现以上情况时，需要增加、更换大量短节及活动弯头，或是用吊车调整设备位置，以求顺利连接管线。由此可见，由于管线长短不合适而造成的连接管线不方便的问题，不仅增加人工劳动强度，延长施工周期，增加施工成本，而且存在安全隐患。为了解决由于管线长短不合适而造成的连接管线不方便的问题，笔者设计了一种操作简单、连接可靠、安全有效的管线补偿器。通过数值模拟，优化了该管线补偿器中迷宫密封的结构。通过现场应用，验证了工具设计的合理性和有效性。

1 管线补偿器的整体结构

管线补偿器的整体结构如图1所示，主要包括伸缩结构、密封结构、防尘结构、锁紧结构等部件。伸缩结构由伸缩管和固定管组成，伸缩管插入固定管中，其后端的台阶限制最大伸出距离，台阶上安装的防尘圈起到刮清固定管孔内泥砂、保护密封组件的作用。密封结构选用非接触式直通型迷宫密封。锁紧结构通过开口锁紧环被油壬螺帽挤压进固定管的喇叭口内，使得开口锁紧环上锁紧牙抱紧伸缩管。开口锁紧环如图2所示。伸缩管可在固定管内边旋转边平移伸出或缩回，最大伸出距离为600 mm。该管线补偿器可直接连接到原有管线中，也可以先连接油壬或其他转换接头，再连接到采油树、水泥泵车等施工设备上，解决管线长短不合适的问题。

1—伸缩管；2—开口锁紧环；3—油壬螺帽；4—直通型迷宫密封；5—防尘圈；6—固定管。

2 密封结构优化设计

2.1 密封结构的选择

密封结构是管线补偿器的关键部件，其密封性能的好坏直接影响到管线补偿器工作的可靠性。选择迷宫密封结构的原因是：

图2 开口锁紧环结构示意

1) 管线补偿器在安装过程中，需要人工将伸缩管拉伸或缩回，普通密封结构依靠密封圈的弹性紧箍在伸缩管上，摩擦力较大，活动伸缩管费时费力。迷宫密封采取的是非接触式的密封结构[5-7]，密封齿和壁面之间具有一定的间隙，所以不存在直接的摩擦，使得被密封件可以轻便的活动。

2) 管线补偿器输送的是高压、高含砂的流体，在伸缩管柱时避免不了会有砂子进入密封结构，若采用普通密封圈，一旦密封圈与被密封件间进入砂子，密封圈会被快速磨损而失效。由于迷宫密封的密封齿与壁面之间的间隙，在正常的工作状态下，即使间隙内进入砂子，也不会发生摩擦损耗，能够有效延长迷宫密封的使用寿命。

迷宫密封是通过在密封组件间隙中设置由一系列涡流腔组成的“曲折通道”来耗散能量，即通过流体流动过程中的沿程摩阻和局部摩阻效应，使流体的整体动能降低，从而达到密封或减少泄漏的目的[8]。本研究选用结构简单、工作可靠的直通型迷宫密封[9]，密封效果主要与密封通道的长度和截面形状(齿形、齿数、齿尖角、空腔深度)有关[10-11]。三角形齿迷宫密封结构如图3所示。为了降低迷宫密封的泄漏量，根据管线补偿器的结构特点，采用数值模拟方法对密封长度为6.5 mm的迷宫密封结构进行优化设计。

图3 三角形齿迷宫密封结构示意

2.2 迷宫密封结构优化

利用计算动力学软件对迷宫密封中流体的流动形态进行数值模拟研究，以泄漏量最小化为原则优化设计迷宫密封的结构[12]。

2.2.1 物理模型

直通型迷宫密封的齿形主要为矩形、三角形和梯形，如图4所示。密封长度均为6.5 mm，以齿数为3、空腔深度为1 mm、齿尖角30°为例，建立物理模型，分析不同齿形对密封效果的影响。

2.2.2 计算模型

由于迷宫密封内的流场为复杂的湍流流动，所以采用三角形非结构化网格划分，在壁面附近进行适当的网格加密。

入口边界条件设置为压力入口，工作压力均为50 MPa；出口边界为充分发展的湍流；满足壁面无滑移条件，近壁区采用标准壁面函数处理。

图4 不同齿形物理模型

利用标准k-ε双方程模型在欧拉坐标下处理湍流计算[13-14]，使用基于压力修正法的SIMPLE算法求解动量方程和连续性方程，利用控制体积法对控制方程进行离散，空间离散采用一级迎风逼近格式[15]。模型常数取值：Cμ=0.09，C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

2.2.3 数值模拟结果分析

1) 齿形对密封效果的影响。

通过数值模拟获得不同齿形迷宫密封内流场的湍流黏度云图和速度矢量云图，如图5所示。由图5可见，矩形齿迷宫密封结构的湍流黏度最大值在迎流齿面的齿顶处，在空腔上部形成速度涡旋。三角形齿迷宫密封结构的湍流黏度最大值在空腔与节流间隙的交界面附近。同时，在三角形齿齿尖处存在较大的动能损失。梯形齿迷宫密封空腔内部的湍流黏度值在梯形齿的迎流侧较高，流体动能主要在梯形齿齿前耗散，在齿背动能损失最小；在梯形齿迎流侧的顶尖下游附近也存在动能损失；第1个空腔内的动能损失最大，后3个空腔内的损失较为平均。通过比较可知，梯形齿迷宫密封结构对流体动能的损耗主要发生在第1个空腔内，三角形齿密封结构的后3个空腔对流体动能损耗的作用较为平均，且水平较高。

a 湍流黏度云图(Pa·s)

b 速度矢量云图(m/s)

不同齿形迷宫密封的泄漏量如图6所示。由图6可知，三角形齿更有利于流体能量的耗散，泄漏量最小，密封效果最好。

图6 泄漏量对比

2) 齿数对密封效果的影响。

以三角形齿迷宫密封结构为研究对象，通过数值模拟获得不同节流齿个数的湍流黏度云图，如图7所示。由图7可知，节流齿数为3的密封结构在节流间隙的湍流黏度梯度大，在空腔和节流间隙交界面附近形成速度涡漩。节流齿数为2的密封结构在湍流黏度最大值在第1个齿齿尖的迎流侧，空腔内湍流黏度梯度较小，节流作用不明显，密封性能较弱。所以，优选齿数为3的三角形迷宫密封结构。

图7 湍流黏度云图

3) 空腔深度和齿尖角对密封效果的影响。

根据数值模拟获得不同空腔深度、不同齿尖角对迷宫密封泄漏量的影响规律，如图8所示。由图8可知，泄漏量随着空腔深度的增大而增大，随着齿尖角的增大先减小后增大。在一定空腔深度条件下，存在使泄漏量最小的齿尖角，且不同空腔深度条件下，最优齿尖角不同。空腔深度分别为2.0、1.5和1.0 mm的条件下，泄漏量最小的齿尖角分别为20°、30°和30°。根据管线补偿器的结构尺寸，优选空腔深度为1.0 mm，齿尖角为30°。

3 现场试验

基于对管线补偿器的结构设计和对迷宫密封的优化，加工组装了管线补偿器，如图9所示。

图8 空腔深度和齿尖角对泄漏量的影响

图9 管线补偿器

1) 密封性检验。

将管线补偿器连入试验管线，开泵并逐渐升压至50 MPa。压力每升高10 MPa，保压30 min，观察是否发生流体渗漏，压力是否发生变化。压力达50 MPa后，保压60 min。

检验过程中，未发现明显的流体渗漏，说明管线补偿器的密封效果良好，满足工作要求。

2) 使用效果评价。

该管线补偿器在大港油田作业区推广应用。现场应用效果表明，管线补偿器操作简单方便，两人配合即可轻松伸缩，管线连接可靠，密封安全有效，可以安全高效地解决由于管线长短不合适而造成的连接管线费时费力、存在安全风险的问题，缩短施工周期，提高工作效率。

4 结论

1) 设计了一种管线补偿器，操作简单方便，管线连接可靠，密封安全有效。

2) 利用数值模拟结果优选了三角形齿迷宫密封结构，齿数为3，空腔深度为1 mm，齿尖角为30°。

3) 管线补偿器可解决由于管线长短不合适而造成的连接管线费时费力、存在安全风险的问题。