CN104596691A - 一种测试水下金属密封垫环预紧力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测试水下金属密封垫环预紧力的方法，步骤包括：步骤1、设定参数，1.1)将金属密封垫环所要求的密封内压P划分为若干级；1.2)设定预紧力F；1.3)计算压缩量；1.4)建立金属密封垫环的密封内压P、预紧力F和压缩量ΔH之间的对应关系；步骤2、按照金属密封垫环所划分的级数，从低到高逐一进行测试，得到在不同内压P作用下金属密封垫环所需的基本预紧力F，按照上述步骤依次进行P2、P3、…、Pn的预紧力测试，并记录试验数据，即成。本发明的方法，预紧力可实时调节，内压也可划分为若干等级，并根据金属密封垫环的密封效果确立工作内压与预紧力和压缩量之间的对应关系。
Description
技术领域
本发明涉及海洋石油钻采装备技术领域，涉及一种测试水下金属密封垫环预紧力的方法。
背景技术
金属密封垫环广泛应用于海洋水下承受内压较高设备之间的连接与密封，如水下井口头、水下采油树及液压连接器等水下钻采设备中。金属密封垫环的密封通径可达476.25mm(18 3/4”)，额定工作压力最高达105MP8(15000psi)，密封预紧力高达33.75×106N。
由于海洋水下钻采设备长期工作在水下，造成了金属密封垫环使用环境和受力状况非常恶劣，除了承受风、浪、流、水深等环境气候的影响，还要受平台偏移、平台颠簸、克服自身重力等各种外界载荷影响，加之工作压力又非常高，又受到海水安全与技术规范条款的约束等，使其必须具有非常高的可靠性和适应性。
为了确保海洋水下钻采设备在深水海洋环境下安全使用，保证金属密封垫环在极端恶劣环境下不会因为各种作业载荷而导致垫环密封失效，必须为金属密封垫环提供充足的密封预紧力，以确保金属密封垫环在弯曲、拉伸等工况下拥有良好的密封效果。
由于金属密封垫环位于封闭的连接设备之间，利用预紧力挤压锥面密封，预紧力的大小直接决定密封的效果和金属密封垫环的使用寿命，且密封压力又高，不能直接观测，而理论计算又存在很多优化和简化等问题，其计算结果有待实践检验；因此如何简单、有效地测试和提供金属密封垫环的密封预紧力是本专利解决的主要问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种测试水下金属密封垫环预紧力的方法，解决了现有技术中在实验过程中，不能直观、有效地测量和提供金属密封垫环预紧力和压缩量的问题。
本发明采用的技术方案是，一种测试水下金属密封垫环预紧力的方法，按照以下步骤实施：
步骤1、设定参数
1.1)将金属密封垫环所要求的密封内压P划分为若干级，即P1、P2、P3、…、Pn；
1.2)设定预紧力F，预紧力F需满足两个条件：第一，预紧力F须大于内压P产生的轴向反作用力；第二，预紧力F施加于密封面的接触应力不得大于金属密封垫环的屈服强度，
即有：P×b＜F＜σ×s/sinθ，(1)
其中，P是密封内压，单位是MPa，
a是活塞3的外圆面积，单位是mm2，
b是密封内压作用在金属密封垫环上的轴向面积，单位是mm2，
F是预紧力，单位是N，
σ是金属密封垫环屈服强度，单位是MPa，
s是密封面接触面积，单位是mm2，
θ是金属密封垫环锥面角；
试验时预先设定预紧力F大于轴向作用力P×b，并根据密封情况增减预紧力，记作ΔF；预紧力F对应不同的密封压力P分别记作F1、F2、F3、…、Fn，
在预紧腔X内施加的液压压力是F/a，根据需要实时调节；
1.3)压缩量ΔH通过测量及公式(2)计算得出：
ΔH＝H0-H，(2)
其中，ΔH是金属密封垫环的压缩量，单位是mm；
H0是测试杆的原始伸长量，单位是mm；
H是预紧力施加后测试杆的伸长量，单位是mm，
ΔH、H与预紧力F一一对应，分别记作ΔH 1、ΔH 2、ΔH 3、…、ΔH n；H 1、H 2、H 3、…、H n；
1.4)建立金属密封垫环的密封内压P、预紧力F和压缩量ΔH之间的对应关系；
步骤2、按照金属密封垫环所划分的级数，从低到高逐一进行测试，得到在不同内压P作用下金属密封垫环所需的基本预紧力F，操作步骤如下；
2.1)选取内压P1，设定预紧力F1，如F1＝1.5P1×b，测量、记录原始伸长量H0；
2.2)通过液压口向预紧腔X内注入液压，通过活塞对金属密封垫环施加预紧力F1，使得金属密封垫环的两侧密封面发生挤压、变形、建立密封，然后从内压口注水、打压，当压力到达P1后进行稳压；
如在注水和打压过程中，渗漏口有水渗漏，则说明预紧力F1不够，须立即中止试验，卸掉载荷，并增加预紧力ΔF，预紧力为(F1+ΔF)，再按步骤2.2)重新进行试验。
2.3)如稳压期间有渗漏，检测到密封腔压力下降，渗漏口有水渗漏，则说明预紧力F1过小，须中止试验，卸掉载荷，增加预紧力ΔF，预紧力为(F1+ΔF)，再按步骤2.2)重新进行试验；
如稳压期间无渗漏，则说明试验状态良好，此时的预紧力(F1+ΔF)即为密封压力P1所需的基本预紧力，记录试验数据P1、(F1+ΔF)、H1；
如稳压期间还有渗漏，则继续增加预紧力ΔF，预紧力为(F1+2ΔF)，再按步骤2.2)重新进行试验，如此循环，直至试验状态良好，内压P不再泄漏，并记录试验数据；
2.4)如稳压期间无渗漏，则记录试验数据P1、F1、H1，然后卸载；
但不排除预紧力过大的可能，因此须减小预紧力ΔF，预紧力为(F1-ΔF)，再按步骤2.2)重新进行试验，如稳压期间有渗漏，检测到密封腔压力下降，渗漏口有水渗漏，则前次试验是成功的，前次试验的预紧力F1即为内压P1所需的基本预紧力，并记录试验数据P1、F1、H1；
如稳压期间无渗漏，则继续减小预紧力ΔF，预紧力为(F1-2ΔF)，再按步骤2.2)重新进行试验，如此循环，直至内压P发生泄漏，并记录前次试验数据；
2.5)完成密封压力P1的预紧力测试后，按照上述步骤依次进行P2、P3、…、Pn的预紧力测试，并记录试验数据，即成。
本发明的测试水下金属密封垫环预紧力的方法，其特点还在于，
利用一种测试装置，该测试装置的结构是：包括外筒，在外筒的上下端口分别设置有上端盖和下端盖，上端盖轴心设置有测试杆的安装孔，上端盖沿轴向另外设置有液压口，下端盖中设置有内压口和渗漏口，在上端盖和下端盖之间的外筒内壁套装有活塞，活塞下端沿与下端盖上端沿之间设置有承载环，承载环内圆套装有金属密封垫环，金属密封垫环分别与活塞下端沿与下端盖上端沿的锥面密封接触；活塞上表面轴心安装有测试杆，测试杆向上穿出上端盖的安装孔，活塞向上与上端盖之间形成了预紧腔X，活塞向下与下端盖之间形成了内压腔Y。
上端盖安装孔内设有密封件；上端盖、活塞、下端盖与外筒内壁分别设置有密封件。
本发明的有益效果是，设置有预紧腔、内压腔、渗漏口和测试杆，分别用于施加预紧力、打入内压、判断密封效果和测量压缩量，通过施加预紧力→建立密封→打入内压→判断密封效果→修正预紧力的循环方法测试预紧力和压缩量，以确立金属密封垫环在不同工作压力下所需的基本预紧力，并建立金属密封垫环的密封内压与预紧力和压缩量之间的对应关系；预紧力可实时调节，内压也可划分为若干等级，并根据金属密封垫环的密封效果确立工作内压与预紧力和压缩量之间的对应关系。
该方法操作方便、快捷，能够直观、有效地测量金属密封垫环的预紧力和压缩量；该方法还可用于研究海洋水下设备之间金属密封垫环的连接、挤压、变形、密封等问题。
附图说明
图1是本发明方法采用的测试装置结构示意图；
图2是图1中的Ⅰ处结构放大示意图；
图3是本发明方法的预紧力测试操作流程示意图。
图中，1.测试杆；2.上端盖；3.活塞；4.金属密封垫环；5.承载环；6.下端盖；7.外筒，8.液压口；9.内压口；10.渗漏口；
另外，F是预紧力；H是预紧力F施加后测试杆伸长量；X是预紧腔；Y是内压腔，a是活塞3的外圆面积；b是密封内压作用在金属密封垫环4上的轴向面积；θ密封面锥面角；S是密封面接触面积。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1、图2，本发明方法采用的测试装置结构是，包括外筒7，在外筒7的上下端口分别设置有上端盖2和下端盖6，上端盖2轴心设置有测试杆1的安装孔，上端盖2沿轴向另外设置有液压口8，下端盖6中设置有内压口9和渗漏口10，在上端盖2和下端盖6之间的外筒7内壁套装有活塞3，活塞3下端沿与下端盖6上端沿之间设置有承载环5，承载环5内圆套装有金属密封垫环4，金属密封垫环4分别与活塞3下端沿与下端盖6上端沿的锥面密封接触，上下密封面接触面积均为S，上下密封面与竖直方向的夹角均为θ；活塞3上表面轴心安装有测试杆1，测试杆1向上穿出上端盖2的安装孔，活塞3向上与上端盖2之间形成了预紧腔X，活塞3向下与下端盖6之间形成了内压腔Y，预紧腔X用于施加预紧力，内压腔Y用于打入内压，测试杆1用于测试金属密封垫环4的压缩量；
上端盖2安装孔内设有密封件；上端盖2、活塞3、下端盖6与外筒7内壁分别设置有密封件。
本发明的方法，利用上述的测试装置，通过施加预紧力→建立密封→打入内压→判断密封效果→修正预紧力的循环方式测试金属密封垫环4的预紧力和压缩量，按照以下步骤实施：
步骤1、设定参数
1.1)将金属密封垫环4所设计要求的密封内压P划分为若干级，即P1、P2、P3、…、Pn；
1.2)设定预紧力F，预紧力F需满足两个条件：第一，预紧力F须大于内压P产生的轴向反作用力，确保金属密封垫环4有预紧力存在；第二，预紧力F施加于密封面的接触应力不得大于金属密封垫环4的屈服强度，以免破坏金属密封垫环4的弹性变形，影响使用寿命，
即有：P×b＜F＜σ×s/sinθ，(1)
其中，P是密封内压，单位是MPa，
a是活塞3的外圆面积，单位是mm2，
b是密封内压作用在金属密封垫环4上的轴向面积，单位是mm2，
F是预紧力，单位是N，
σ是金属密封垫环屈服强度，单位是MPa，
s是密封面接触面积，单位是mm2，
θ是金属密封垫环4锥面角；
因此，试验时预先设定预紧力F大于轴向作用力P×b，如F＝1.5P×b，并根据密封情况增减预紧力，记作ΔF，可设定ΔF＝0.1P×b；预紧力F对应不同的密封压力P分别记作F1、F2、F3、…、Fn，
在预紧腔X内施加的液压压力是F/a，可根据需要实时调节；
1.3)压缩量ΔH通过测量及公式(2)计算得出：
ΔH＝H0-H，(2)
其中，ΔH是金属密封垫环4的压缩量，单位是mm；
H0是测试杆1的原始伸长量，单位是mm；
H是预紧力施加后测试杆1的伸长量，单位是mm，
ΔH、H与预紧力F一一对应，分别记作ΔH 1、ΔH 2、ΔH 3、…、ΔH n；H 1、H 2、H 3、…、H n；
1.4)建立金属密封垫环4的密封内压P、预紧力F和压缩量ΔH之间的对应关系；
步骤2、按照金属密封垫环4所划分的级数，从低到高逐一进行测试，得到在不同内压P作用下金属密封垫环4所需的基本预紧力F，见图3所示，操作步骤如下；
2.1)选取内压P1，设定预紧力F1，如F1＝1.5P1×b，测量、记录原始伸长量H0；
2.2)通过液压口8向预紧腔X内注入液压，通过活塞3对金属密封垫环4施加预紧力F1，使得金属密封垫环4的两侧密封面发生挤压、变形、建立密封，然后从内压口9注水、打压，当压力到达P1后进行稳压；
如在注水和打压过程中，渗漏口10有水渗漏，则说明预紧力F1不够，须立即中止试验，卸掉载荷，并增加预紧力ΔF，预紧力为(F1+ΔF)，再按步骤2.2)重新进行试验。
2.3)如稳压期间有渗漏，检测到密封腔压力下降，渗漏口10有水渗漏，则说明预紧力F1过小，须中止试验，卸掉载荷，增加预紧力ΔF，预紧力为(F1+ΔF)，再按步骤2.2)重新进行试验；
如稳压期间无渗漏，则说明试验状态良好，此时的预紧力(F1+ΔF)即为密封压力P1所需的基本预紧力，记录试验数据P1、(F1+ΔF)、H1；
如稳压期间还有渗漏，则继续增加预紧力ΔF，预紧力为(F1+2ΔF)，再按步骤2.2)重新进行试验，如此循环，直至试验状态良好，内压P不再泄漏，并记录试验数据；
2.4)如稳压期间无渗漏，则记录试验数据P1、F1、H1，然后卸载；
但不排除预紧力过大的可能，因此须减小预紧力ΔF，预紧力为(F1-ΔF)，再按步骤2.2)重新进行试验，如稳压期间有渗漏，检测到密封腔压力下降，渗漏口10有水渗漏，则前次试验是成功的，前次试验的预紧力F1即为内压P1所需的基本预紧力，并记录试验数据P1、F1、H1；
如稳压期间无渗漏，则继续减小预紧力ΔF，预紧力为(F1-2ΔF)，再按步骤2.2)重新进行试验，如此循环，直至内压P发生泄漏，并记录前次试验数据；
2.5)完成密封压力P1的预紧力测试后，按照上述步骤依次进行P2、P3、…、Pn的预紧力测试，并记录试验数据，即成。
本发明方法，预紧腔用于施加预紧力，内压腔模拟井底压力；内压可划分为若干等级，可逐级进行预紧力测试；预紧力根据金属密封垫环的密封效果进行实时判定和调节，以确保获得金属密封垫环最基本的预紧力。试验结果确立了金属密封垫环4在不同密封压力P下所需的基本预紧力F，解决了现有技术中不能直观、有效地测量金属密封垫环4预紧力F和压缩量ΔH的问题。该方法可用于研究海洋水下设备的连接、挤压、变形、密封等问题，试验数据为现场使用提供参考依据。
Claims (3)
1.一种测试水下金属密封垫环预紧力的方法，其特点在于，按照以下步骤实施：
步骤1、设定参数
1.1)将金属密封垫环(4)所要求的密封内压P划分为若干级，即P1、P2、P3、…、Pn；
1.2)设定预紧力F，预紧力F需满足两个条件：第一，预紧力F须大于内压P产生的轴向反作用力；第二，预紧力F施加于密封面的接触应力不得大于金属密封垫环(4)的屈服强度，
即有：P×b＜F＜σ×s/sinθ， (1)
其中，P是密封内压，单位是MPa，
a是活塞3的外圆面积，单位是mm2，
b是密封内压作用在金属密封垫环(4)上的轴向面积，单位是mm2，
F是预紧力，单位是N，
σ是金属密封垫环屈服强度，单位是MPa，
s是密封面接触面积，单位是mm2，
θ是金属密封垫环(4)锥面角；
试验时预先设定预紧力F大于轴向作用力P×b，并根据密封情况增减预紧力，记作ΔF；预紧力F对应不同的密封压力P分别记作F1、F2、F3、…、Fn，
在预紧腔X内施加的液压压力是F/a，根据需要实时调节；
1.3)压缩量ΔH通过测量及公式(2)计算得出：
ΔH＝H0-H， (2)
其中，ΔH是金属密封垫环(4)的压缩量，单位是mm；
H0是测试杆(1)的原始伸长量，单位是mm；
H是预紧力施加后测试杆(1)的伸长量，单位是mm，
ΔH、H与预紧力F一一对应，分别记作ΔH1、ΔH2、ΔH3、…、ΔHn；H1、H2、H3、…、Hn；
1.4)建立金属密封垫环(4)的密封内压P、预紧力F和压缩量ΔH之间的对应关系；
步骤2、按照金属密封垫环(4)所划分的级数，从低到高逐一进行测试，得到在不同内压P作用下金属密封垫环(4)所需的基本预紧力F，操作步骤如下；
2.1)选取内压P1，设定预紧力F1，如F1＝1.5P1×b，测量、记录原始伸长量H0；
2.2)通过液压口(8)向预紧腔X内注入液压，通过活塞(3)对金属密封垫环(4)施加预紧力F1，使得金属密封垫环(4)的两侧密封面发生挤压、变形、建立密封，然后从内压口(9)注水、打压，当压力到达P1后进行稳压；
如在注水和打压过程中，渗漏口(10)有水渗漏，则说明预紧力F1不够，须立即中止试验，卸掉载荷，并增加预紧力ΔF，预紧力为(F1+ΔF)，再按步骤2.2)重新进行试验。
2.3)如稳压期间有渗漏，检测到密封腔压力下降，渗漏口(10)有水渗漏，则说明预紧力F1过小，须中止试验，卸掉载荷，增加预紧力ΔF，预紧力为(F1+ΔF)，再按步骤2.2)重新进行试验；
如稳压期间无渗漏，则说明试验状态良好，此时的预紧力(F1+ΔF)即为密封压力P1所需的基本预紧力，记录试验数据P1、(F1+ΔF)、H1；
如稳压期间还有渗漏，则继续增加预紧力ΔF，预紧力为(F1+2ΔF)，再按步骤2.2)重新进行试验，如此循环，直至试验状态良好，内压P不再泄漏，并记录试验数据；
2.4)如稳压期间无渗漏，则记录试验数据P1、F1、H1，然后卸载；
但不排除预紧力过大的可能，因此须减小预紧力ΔF，预紧力为(F1-ΔF)，再按步骤2.2)重新进行试验，如稳压期间有渗漏，检测到密封腔压力下降，渗漏口(10)有水渗漏，则前次试验是成功的，前次试验的预紧力F1即为内压P1所需的基本预紧力，并记录试验数据P1、F1、H1；
如稳压期间无渗漏，则继续减小预紧力ΔF，预紧力为(F1-2ΔF)，再按步骤2.2)重新进行试验，如此循环，直至内压P发生泄漏，并记录前次试验数据；
2.5)完成密封压力P1的预紧力测试后，按照上述步骤依次进行P2、P3、…、Pn的预紧力测试，并记录试验数据，即成。
2.根据权利要求1所述的测试水下金属密封垫环预紧力的方法，其特点在于，利用一种测试装置，该测试装置的结构是：
包括外筒(7)，在外筒(7)的上下端口分别设置有上端盖(2)和下端盖(6)，上端盖(2)轴心设置有测试杆(1)的安装孔，上端盖(2)沿轴向另外设置有液压口(8)，下端盖(6)中设置有内压口(9)和渗漏口(10)，在上端盖(2)和下端盖(6)之间的外筒(7)内壁套装有活塞(3)，活塞(3)下端沿与下端盖(6)上端沿之间设置有承载环(5)，承载环(5)内圆套装有金属密封垫环(4)，金属密封垫环(4)分别与活塞(3)下端沿与下端盖(6)上端沿的锥面密封接触；活塞(3)上表面轴心安装有测试杆(1)，测试杆(1)向上穿出上端盖(2)的安装孔，活塞(3)向上与上端盖(2)之间形成了预紧腔X，活塞(3)向下与下端盖(6)之间形成了内压腔Y。
3.根据权利要求2所述的测试水下金属密封垫环预紧力的方法，其特点在于：所述的上端盖(2)安装孔内设有密封件；上端盖(2)、活塞(3)、下端盖(6)与外筒(7)内壁分别设置有密封件。
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