CN113550710B - 一种用于深水采油树井口的金属密封件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于深水采油树井口的金属密封件，金属密封件与连接器毂座配合连接，其中连接器毂座形成有环形凸起，金属密封件包括：密封件本体，呈台状，密封件本体的环形侧面设有内嵌体以密封连接器毂座，密封件本体的大台面设有凹弧结构，以对金属密封件产生自紧效果；限位凸体，呈台状，限位凸体与密封件本体同轴且与小台面固定连接，其两者连接处形成有限位凹槽，限位凹槽与环形凸起配合嵌入以对连接器毂座进行密封限位。其中限位凸体可改善密封件受外部压力时的接触力分布情况，位于金属密封件内侧端面的凹弧结构设计使内部介质的径向压力均匀施加在金属密封件上，以产生自紧效果，从而避免应力集中导致的密封失效。
Description
技术领域
本发明涉及水下油气生产装备密封技术领域，尤其涉及一种用于深水采油树井口的金属密封件。
背景技术
在石油钻采领域，水下采油树井口与连接器处的密封件性能要求严苛。目前国外井口头密封技术已经成熟的应用于工程领域，而国内尚处于研究起步阶段。水下井口密封装置的额定工作压力一般不小于5000psi。密封件长期与高温高压腐蚀流体，如海水、油气井液相接触，对深水连接器与井口头密封的安全性和可靠性具有关键性的影响。
国外密封件一般设计为与被密封面锥度相同的锥面密封圈，依靠接触的密封面相互挤压产生的弹性微变形提高密封效果，通过压力变化时产生的弹性扩张和内部流体的径向作用来进行有效密封。在锥形密封面的基础上产生了许多改进类型，比如具有弧形密封面和备用密封面的多密封面式密封件、兼具密封测试功能的密封测试式密封件、欠平衡钻井或气田生产时使用的外压型密封件等。密封件由水下机器人ROV在深水下井口头内完成安装，在内部压力较低或者是气井的情况下，可能会出现外部压力高于内压的情况，从而使得翼板结构的密封件可能存在密封失效的情况。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种用于深水采油树井口的金属密封件，用以解决水下采油树井口头与连接器间的高压密封失效的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种用于深水采油树井口的金属密封件，所述金属密封件与连接器毂座配合连接，其中所述连接器毂座形成有环形凸起，其特征在于，所述金属密封件的截面形状包括：
密封件本体，呈台状，所述密封件本体的环形侧面设有内嵌体以密封所述连接器毂座，所述密封件本体包括相对两侧的大台面和小台面，所述大台面呈凹弧结构，以对所述金属密封件产生自紧效果；
限位凸体，呈台状，所述限位凸体与所述密封件本体同轴且与所述小台面固定连接，以使得所述金属密封件的轴向截面呈燕尾状，且限位凸体和所述密封件本体沿相互靠近的方向截面尺寸逐渐减小，所述限位凸体与所述金属密封件的连接处形成有限位凹槽，所述环形凸起配合嵌入所述限位凹槽以对所述连接器毂座进行密封限位。
根据一些实施例，所述密封件本体的环形侧面包括沿所述金属密封件轴向依次连接的弧形密封面、锥形密封面以及内嵌体面，所述内嵌体面靠近所述大台面。
根据一些实施例，锥形密封面与相邻的连接器毂座锥面的锥度相同。
根据一些实施例，所述弧形密封面的锥度小于所述锥形密封面的锥度，所述锥形密封面的锥度小于所述内嵌体面的锥度。
根据一些实施例，所述内嵌体面上设有安装槽，所述内嵌体安装于所述安装槽内。
根据一些实施例，所述锥形密封面上设有第一环形槽，所述第一环形槽内设有第一密封圈。
根据一些实施例，所述限位凸体的环形侧面设有第二环形槽，所述第二环形槽内设有第二密封圈。
根据一些实施例，所述第一环形槽和所述第二环形槽的均呈燕尾状。
根据一些实施例，所述的内嵌体在挤压后与相邻的连接器毂座的锥面形成增强密封段。
根据一些实施例，所述密封件本体和所述限位凸体均为圆台状。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
在上述方案中，密封件本体与限位凸体固定连接，以形成轴向截面呈流线型燕尾状的金属密封件，且连接处形成有限位凹槽，环形凸起配合嵌入限位凹槽以对连接器毂座进行密封限位，其中限位凸体可改善密封件受外部压力时的接触力分布情况，位于金属密封件内侧端面的凹弧结构设计使内部介质的径向压力均匀施加在金属密封件上，以产生自紧效果，从而避免应力集中导致的密封失效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种用于深水采油树井口的金属密封件的结构示意图；
图2为本发明提供的一种用于深水采油树井口的金属密封件进行密封前的示意图；
图3为本发明提供的一种用于深水采油树井口的金属密封件过盈安装密封时的示意图；
图4为本发明提供的一种用于深水采油树井口的金属密封件在预紧工况下的有限元云图；
图5为本发明提供的一种用于深水采油树井口的金属密封件在生产工况下的有限元云图。
图中：连接器毂座100、环形凸起110、密封件本体200、大台面210、凹弧结构211、弧形密封面220、锥形密封面230、第一环形槽231、第一密封圈232、内嵌体面240、安装槽241、内嵌体242、限位凸体300、限位凹槽310、第二环形槽320、第二密封圈330。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1至图2，本发明提供一种用于深水采油树井口的金属密封件，金属密封件与连接器毂座100配合连接，连接器毂座100具有环形凸起110，其中金属密封件包括密封件本体200和限位凸体300，其两者连接处形成有限位凹槽310，限位凹槽310配合嵌入环形凸起110，以对连接器毂座100进行密封限位，其具体方案如下。
密封件本体200呈台状，密封件本体200的侧面上设有内嵌体242以密封连接器毂座100，密封件本体200包括相对两侧的大台面210和小台面（未在图中示出），大台面210设有凹弧结构211，以对金属密封件产生自紧效果。
限位凸体300呈台状，限位凸体300与密封件本体200同轴且与密封件本体200的小台面固定连接，以使得金属密封件的轴向截面呈流线型的燕尾状，其两者连接处形成有限位凹槽310，环形凸起110配合嵌入限位凹槽310以对连接器毂座100进行密封限位。
值得注意的是，沿金属密封件轴向依次连接的弧形密封面220、锥形密封面230以及内嵌体面240所组成的密封接触面，其加工后的密封接触面表面粗糙度要控制在1.6
。密封件本体200材料可以选择低碳钢或不锈钢，优选材料为镍基合金。必要时密封面上应设计金属涂层或堆焊层，金属堆焊层应比连接器和井口头堆焊层的材料更软，安装和拆卸时应注意金属涂层或堆焊层划伤密封面。金属密封件的规范级别至少为PSL（产品规范级别）的PSL3G，材料选择应满足FF级标准，保证其机械性能，抗腐蚀性能和密封性能可以满足API（材料等级）的API（材料等级）17D规范要求。
在上述方案中，密封件本体200与限位凸体300固定连接，以形成轴向截面呈流线型燕尾状的金属密封件，且连接处形成有限位凹槽310，环形凸起110配合嵌入限位凹槽310，以使得金属密封件对连接器毂座100进行密封限位，其中限位凸体300可改善密封件受外部压力时的接触力分布情况，位于金属密封件内侧端面的大台面210设有凹弧结构211使内部介质的径向压力均匀施加在金属密封件上，以产生自紧效果。
根据一些实施例，密封件本体200和限位凸体300可呈方形台，也可以呈圆台状，还可以是一对壁面为弧面，另一对壁面为方形面。其中金属密封件本体200的环形侧面包括沿金属密封件轴向依次连接的弧形密封面220、锥形密封面230以及内嵌体面240，内嵌体面240靠近大台面210，其中弧形密封面220的锥度小于锥形密封面230的锥度，锥形密封面230的锥度小于内嵌体面240的锥度。
如图1所示，其中锥形密封面230与相邻的连接器毂座100面锥度相同。锥形密封面230上设有第一环形槽231，第一环形槽231内设有第一密封圈232。第一密封圈232可用于内嵌体面240失去密封作用后的二次密封。其中第一密封圈232可采用氢化丁晴橡胶圈，且第一密封圈232在安装入第一环形槽231后，其体积超出锥面，防止锥形密封面230与相邻的连接器毂座100面之间存在间隙无法形成可靠的密封。
弧形密封面220在预紧工况时，配合过盈量使金属密封件产生轴向压缩，弧形密封面220发生弹塑性变形，金属流动填补表面的微小间隙，使弧形密封面220与连接器毂座100面之间的密封接触面上的凸起和沟槽相互嵌合，减少密封面的泄露率。
内嵌体面240上设有安装槽241，内嵌体242安装于安装槽241内。内嵌体242在挤压后与相邻的连接器毂座100的锥面形成增强密封段。内嵌件使用比密封件本体200更软的塑胶或金属材料制成，内嵌件挤压后不允许超出凹槽的容积。
根据一些实施例，限位凸体300的环形侧面设有第二环形槽320，第二环形槽320内设有第二密封圈330。其中第二环形槽320用于安装第二道氢化丁晴橡胶圈，起到二次密封以及防止介质进入的作用。安装后限位凸体300不仅起到限位作用，还在外部压力过大时产生金属弹性激励，改善密封件接触应力的分布。
其中第一环形槽231和第二环形槽320的径向截面均呈燕尾状。
本发明提供的密封件可通过ROV携带的水下钢圈取放器进行安装。
如图2所示，本发明提供的密封件在预紧力施加前，密封件的锥形密封面230、弧形密封面220以及内嵌体242与连接器毂座100锥形端面零压力接触，此时只有内嵌体242、弧形密封面220以及第一密封圈232和第二密封圈330与连接器毂座100锥形接触面接触，开始施加载荷时，上部连接器下移，金属密封件安装槽241内的内嵌体242、弧形密封面220以及第一密封圈232和第二密封圈330受到挤压变形，弧形密封面220发生金属弹塑性变形流动填补表面的微小间隙，第一密封圈232和第二密封圈330高出金属端面的部分分别被压缩至第一环形槽231和第二环形槽320，产生回弹力和压力。内嵌体242挤压后填补安装槽241，在金属锥形密封面230损伤或失效后作为备用密封面使用。由于限位凸体300的作用，连接器毂座100的锥形端面的位移为设定好的距离，金属密封件不会受到过度挤压发生大变形。此时连接器毂座100与金属密封件的配合位置如图3所示。在外部压力大于内部压力时，限位凸体300吸收水深带来的外部压力，配合其上设置的第二密封圈330产生弹性金属激励。在内部压力升高时，内部介质作用在内侧端面大台面210的凹弧结构211上，通过内侧端面的凹弧型设计，使内部介质压力作用均匀分布在每个弧形面上，避免应力集中，改善了接触应力的分布，同时产生了自紧效果。
密封性能评判标准：
对于本发明所含的两个非金属辅助密封圈，一般认为接触面上的接触应力大于一倍介质压力即可形成可靠密封。对于整体的金属密封结构，参考ASME Ⅷ-2、GB150-2010等规范以密封比压作为金属密封性能评价指标。
预紧工况下需保证密封圈接触面积上的接触应力大于预紧密封比压。当金属密封材料为镍基合金时，预紧密封比压为179.3MPa。
生产工况下需保证密封圈接触面积上的接触应力大于工作密封比压。工作密封比压为介质压力与密封系数的乘积，当金属密封材料为镍基合金时，密封系数最大为6.5，介质压力最大为69MPa，即最大工作密封比压为448.5MPa。
结构强度评判标准：
对于本发明所含的四个非金属辅助密封圈，根据其压缩永久变形量是否大于25%判定其结构强度。
对于整体的金属密封结构，应通过ASME VIII-2规范中的塑性垮塌评定。即以第四强度理论计算金属密封圈的等效应力，并与材料的力学性能（屈服强度、抗拉强度）进行比较分析。
如图4所示的有限元云图中，在预紧安装工况下，最大等效应力发生在密封圈本体接触部位，密封圈和内嵌体242的最大等效应力分别为303.68MPa 和244.02MPa，均小于各自材料的抗拉强度，表明二者均通过塑性垮塌分析满足结构强度设计。辅助密封圈的最大剪切应力为41.014MPa，最大压缩量为9%，表明辅助密封圈不会发生结构失效。同时密封圈本体和内嵌体242上的最大接触应力分别为1211.2MPa和1193.3MPa，在接触宽度上的平均接触应力分别约为540MPa和198MPa，均大于GB 150规范的预紧密封比压值179.3MPa，辅助密封圈上的接触应力均大于一倍以上的介质压力。综上本发明所设计密封圈在预紧安装工况的密封性能和结构强度良好。
如图5所示的有限元云图中，在生产操作工况下，最大等效应力发生在密封圈本体与介质接触的部位，密封圈和内嵌体242的最大等效应力分别为427.91MPa 和342.33MPa，密封圈材料的屈服强度为414MPa、内嵌体242材料的屈服强度为310MPa，表明密封圈本体和内嵌体242均发生局部塑性变形，密封圈和内嵌体242的最大等效应力均小于材料的抗拉强度，表明二者均通过塑性垮塌分析满足结构强度设计。辅助密封圈的最大剪切应力为61.28MPa，最大压缩量为18%，表明辅助密封圈不会发生结构失效。同时密封圈本体和内嵌体242上的最大接触应力分别为1302.2MPa和737.5MPa，在接触宽度上的接触应力分别为720MPa和468MPa，均大于448.5MPa的工作密封比压值，辅助密封圈上的接触应力均大于一倍以上的介质压力。综上，本发明所设计密封圈在生产操作工况下的密封性能和结构强度良好。
工作原理：本发明提供的密封件在预紧力施加前，密封件的锥形密封面230、弧形密封面220以及内嵌体242与连接器毂座100锥形端面零压力接触，此时只有内嵌体242、弧形密封面220以及第一密封圈232和第二密封圈330与连接器毂座100锥形接触面接触，开始施加载荷时，上部连接器下移，金属密封件安装槽241内的内嵌体242、弧形密封面220以及第一密封圈232和第二密封圈330受到挤压变形，弧形密封面220发生金属弹塑性变形流动填补表面的微小间隙，第一密封圈232和第二密封圈330高出金属端面的部分分别被压缩至第一环形槽231和第二环形槽320，产生回弹力和压力。内嵌体242挤压后填补安装槽241，在金属锥形密封面230损伤或失效后作为备用密封面使用。由于限位凸体300的作用，连接器毂座100的锥形端面的位移为设定好的距离，金属密封件不会受到过度挤压发生大变形。此时连接器毂座100与金属密封件的配合位置如图3所示。在外部压力大于内部压力时，限位凸体300吸收水深带来的外部压力，配合其上设置的第二密封圈330产生弹性金属激励。在内部压力升高时，内部介质作用在内侧端面大台面210的凹弧结构211上，通过内侧端面的凹弧型设计，使内部介质压力作用均匀分布在每个弧形面上，避免应力集中，改善了接触应力的分布，同时产生了自紧效果。
本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
Claims (7)
1.一种用于深水采油树井口的金属密封件，所述金属密封件与连接器毂座配合连接，其中所述连接器毂座形成有环形凸起，其特征在于，所述金属密封件包括：
密封件本体，呈台状，所述密封件本体的环形侧面设有内嵌体以密封所述连接器毂座，所述密封件本体包括相对两侧的大台面和小台面，所述大台面设有凹弧结构，以对所述金属密封件产生自紧效果；所述密封件本体的环形侧面包括沿所述金属密封件轴向依次连接的弧形密封面、锥形密封面以及内嵌体面，所述内嵌体面靠近所述大台面；锥形密封面与相邻的连接器毂座锥面的锥度相同，所述弧形密封面的锥度小于所述锥形密封面的锥度，所述锥形密封面的锥度小于所述内嵌体面的锥度；
限位凸体，呈台状，所述限位凸体与所述密封件本体同轴且与所述小台面固定连接，以使得所述金属密封件的轴向截面呈燕尾状，且限位凸体和所述密封件本体沿相互靠近的方向截面尺寸逐渐减小，所述限位凸体与所述金属密封件的连接处形成有限位凹槽，所述环形凸起配合嵌入所述限位凹槽以对所述连接器毂座进行密封限位。
2.根据权利要求1所述的一种用于深水采油树井口的金属密封件，其特征在于，
所述内嵌体面上设有安装槽，所述内嵌体安装于所述安装槽内。
3.根据权利要求1所述的一种用于深水采油树井口的金属密封件，其特征在于，
所述锥形密封面上设有第一环形槽，所述第一环形槽内设有第一密封圈。
4.根据权利要求3所述的一种用于深水采油树井口的金属密封件，其特征在于，
所述限位凸体的环形侧面设有第二环形槽，所述第二环形槽内设有第二密封圈。
5.根据权利要求4所述的一种用于深水采油树井口的金属密封件，其特征在于，
所述第一环形槽和所述第二环形槽的均呈燕尾状。
6.根据权利要求1所述的一种用于深水采油树井口的金属密封件，其特征在于，
所述的内嵌体在挤压后与相邻的连接器毂座的锥面形成增强密封段。
7.根据权利要求1所述的一种用于深水采油树井口的金属密封件，其特征在于，
所述密封件本体和所述限位凸体均为圆台状。
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