羅曉蘭， 王 軍， 李方遒， 趙宏林， 段夢(mèng)蘭

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)， 北京 102249)

水下采油樹H4井口連接器處軸向密封間隙計(jì)算方法的研究

羅曉蘭， 王 軍， 李方遒， 趙宏林， 段夢(mèng)蘭

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)， 北京 102249)

該文通過對(duì)H4井口連接器處的VX鋼圈在預(yù)緊狀態(tài)和工作狀態(tài)下，進(jìn)行受力分析和變形計(jì)算，依據(jù)GB150-2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)中VX鋼圈密封面上的法向自緊力必須大于等于工作密封比壓的密封可靠性要求，得到了水下采油樹H4井口連接器處最大和最小預(yù)留軸向密封間隙計(jì)算公式。研究表明，此軸向密封間隙不僅與VX鋼圈的結(jié)構(gòu)尺寸、雙錐面傾角和材料類型有關(guān)，而且還與高壓井口頭直徑的大小、油氣壓力等因素有關(guān)。

水下采油樹；井口連接器；軸向密封間隙；密封可靠性

0 引言

深水油氣開發(fā)已成為世界石油工業(yè)的主要增長(zhǎng)點(diǎn)[1]，而水下生產(chǎn)系統(tǒng)是海洋油氣開發(fā)的關(guān)鍵。水下生產(chǎn)系統(tǒng)包括水下采油樹、水下管匯、水下控制系統(tǒng)、回接管線、水下分離設(shè)備等。其中水下采油樹在水下生產(chǎn)系統(tǒng)的工作過程中起到注水、注氣、控制油氣產(chǎn)量、化學(xué)試劑注入的作用，同時(shí)，通過采油樹閥門的緊急關(guān)閉來控制油井生產(chǎn)事故的發(fā)生。

井口連接器是采油樹中用于連接采油樹和井口的關(guān)鍵部件之一，如圖1所示。由圖1可知，無論是立式采油樹還是臥式采油樹，井口連接器都起到連接高壓井口和采油樹樹體，實(shí)現(xiàn)采油樹與井口聯(lián)接處的密封，防止油氣泄漏，承載采油樹內(nèi)外載荷及保證采油樹油氣生產(chǎn)安全可靠運(yùn)行的作用。

圖1 水下采油樹井口連接器

目前，F(xiàn)MC、ABB、VetcoGray等幾家公司最常用的井口連接器為H4連接器[2-5]，其主要結(jié)構(gòu)一般由指示桿/二次解鎖桿、外本體、推動(dòng)活塞、二次解鎖活塞、作用環(huán)、VX型金屬密封圈、鎖塊、銷釘和橡膠密封圈組成，如圖2所示。

圖2 H4水下連接器

H4連接器的工作原理是：當(dāng)需要采油樹與高壓井口鎖緊時(shí)，可以通過液壓管道向液壓腔注入液壓油使活塞向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)銷釘鎖塊環(huán)向收縮，實(shí)現(xiàn)H4連接器鎖塊與高壓井口鎖緊，此時(shí)，井口連接器與井口是由VX鋼圈實(shí)現(xiàn)密封。VX鋼圈為雙錐密封面結(jié)構(gòu)，其密封原理是自緊式密封，如圖3(c)所示。當(dāng)需要H4連接器與高壓井口解鎖或進(jìn)行拆卸時(shí)，液壓油推動(dòng)活塞向上移動(dòng)，銷釘鎖塊環(huán)向松開，再借助外部機(jī)具的提升力采油樹外本體，使連接器與井口脫離。

目前，關(guān)于水下采油樹H4連接器與高壓井口密封研究的相關(guān)文獻(xiàn)資料非常有限。Cameron公司的Kelly和Theiss通過對(duì)水下井口頭與水下采油樹之間密封機(jī)理的分析，提出了多種密封結(jié)構(gòu)選擇方法，為密封方案的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)，但沒有進(jìn)行密封預(yù)緊力計(jì)算等相關(guān)的理論研究[6]。我國(guó)的水下采油樹的研制處于起步階段，饒松海對(duì)H4連接器的VX鋼圈的受力和變形進(jìn)行了分析，并對(duì)其失效情況進(jìn)行了探索，為鋼圈的國(guó)產(chǎn)化和實(shí)際使用提供了理論依據(jù)[7]。

然而，為保證H4連接器中密封的有效性，開展H4連接器的VX密封鋼圈預(yù)緊力計(jì)算方法，特別是H4連接器鎖緊前，鎖塊的鎖牙與井口溝槽的預(yù)留密封間隙的研究，如圖3(a)所示，定量地預(yù)留出采油樹下放安裝時(shí)的預(yù)留安裝密封間隙，使得水下采油樹鎖塊與高壓井口一次安裝鎖緊到位后，VX鋼圈產(chǎn)生足夠的密封預(yù)緊力，以保證其在工作狀態(tài)下的密封可靠性。

1 H4連接器密封間隙的分析計(jì)算

如圖3(a)所示，相對(duì)于鎖塊，可假設(shè)井口頭及其井口溝槽鎖牙為固定端，預(yù)緊時(shí)液壓推動(dòng)活塞向下移動(dòng)，擠壓鎖塊向徑向和軸向方向移動(dòng)，若鎖塊下移的位移量g由各構(gòu)件之間的變形協(xié)調(diào)，那么作用環(huán)螺紋連接的采油樹外本體作為一個(gè)整體也隨之向下移g的位移量。由如圖2所示，具有雙密封錐面的VX鋼圈在采油樹外本體向下擠壓下產(chǎn)生軸向2e1的壓縮量和徑向產(chǎn)生2Δ1的壓縮量，密封圈達(dá)到預(yù)緊密封比壓，并且獲得最大的回彈力，達(dá)到初始密封效果，如圖3(b)、圖3 (c)所示。

此時(shí)，各個(gè)位移量之間有如下關(guān)系式：

(1)

式中：g為鎖塊鎖牙與井口溝槽在軸向密封間隙，mm；e1為VX鋼圈預(yù)緊時(shí)的單側(cè)軸向壓縮量，mm；Δ部為連接器各部件預(yù)緊時(shí)產(chǎn)生的軸向變形和，mm。

圖3 H4水下連接器密封間隙示意圖

因此，密封間隙g的大小對(duì)密封性能有很大的影響。若間隙g增大，VX鋼圈的壓縮量Δ也大，反彈力也增大，對(duì)應(yīng)的預(yù)緊密封力也較大，其密封效果更好。但是，此間隙也不能過大，否則會(huì)使VX鋼圈發(fā)生塑性變形而導(dǎo)致工作時(shí)密封失效。

2 VX鋼圈變形計(jì)算

在預(yù)緊狀態(tài)和工作狀態(tài)下，VX鋼圈壓縮量是不同的，所以必須分別在兩種工況下進(jìn)行VX鋼圈變形分析，如圖4所示。

2.1VX鋼圈預(yù)緊狀態(tài)下的變形分析

如圖4(b)所示，取半個(gè)VX鋼圈進(jìn)行靜力平衡分析，此時(shí)VX鋼圈只受到周向壓縮力W1的作用。設(shè)此時(shí)單位周向長(zhǎng)度上的周向載荷為W1/(πDm)，彈性變形內(nèi)VX鋼圈徑向壓縮應(yīng)變?chǔ)纽燃跋鄳?yīng)的周向應(yīng)力σθ為：

(2)

將式(1)代入式(2)得到:

(3)

式中：AR為VX鋼圈橫截面積，mm2；W1為預(yù)緊狀態(tài)時(shí)VX鋼圈所受的周向載荷，N；Δ1為VX鋼圈整體徑向壓縮量，mm；ER為VX鋼圈材料的彈性模量，MPa；Rm,Dm分別為VX鋼圈的平均半徑、直徑，mm。

如圖5(a)所示：Dm=Di+2Sn

圖5 VX鋼圈工作狀態(tài)下的受力分析

Di為高壓井口頭的內(nèi)直徑，mm；Sn為VX鋼圈密封面中點(diǎn)處的厚度，mm。

由式(3)積分得到周向載荷W1與VX鋼圈整體徑向壓縮量的關(guān)系為：

(4)

此時(shí)，VX鋼圈整體徑向壓縮量為Δ1：

(5)

由圖4(c)可知，水下采油樹H4井口連接器處的軸向壓縮量可近似為：

(6)

式中：α為VX鋼圈錐面錐角(°)；e1為VX鋼圈預(yù)緊時(shí)的單側(cè)軸向壓縮量，mm。

預(yù)緊時(shí)的VX鋼圈軸向壓縮量e1值是VX鋼圈在工作狀態(tài)下達(dá)到可靠密封的保證，但是，由于水下采油樹本體與VX鋼圈之間力的傳遞關(guān)系復(fù)雜，因而W1的計(jì)算較為困難。為求出VX鋼圈的e1值，可通過VX鋼圈工作狀態(tài)時(shí)受力及變形進(jìn)行求解。

2.2VX鋼圈工作狀態(tài)下的變形分析

工作狀態(tài)下，VX鋼圈受流體壓力p、VX鋼圈密封面上的法向分力G和操作時(shí)密封面上的摩擦力F作用，如圖5(a)所示。此時(shí)，VX鋼圈流體壓力p兩邊的作用面積不同，所以VX鋼圈會(huì)產(chǎn)生一定量的回彈，此時(shí)VX鋼圈錐面的徑向自緊力V為：

(7)

式中：Vp為VX鋼圈受流體壓力p產(chǎn)生的徑向擴(kuò)張力，N，Vp=πDmhp;h為VX鋼圈無介質(zhì)壓力作用的高度，mm；VR為操作時(shí)VX鋼圈的回彈力，N。

由于介質(zhì)壓力p的作用，使得VX鋼圈預(yù)緊時(shí)的徑向壓縮量e1會(huì)回彈一部分Δrw，如圖5(b)所示，此時(shí)，VX鋼圈徑向壓縮量ΔR為：

(8)

由變形關(guān)系和靜力平衡可求得VR′：

(9)

為計(jì)算簡(jiǎn)單，計(jì)算回彈力VR′時(shí)可按最大值計(jì)算，即ΔR≈e1，因此：

(10)

考慮VX鋼圈密封面摩擦力的影響，由力的平衡可得操作時(shí)VX鋼圈密封面的法向力G為：

(11)

式中：ρ為VX鋼圈與采油樹本體之間的摩擦角(°)。

此時(shí)，VX鋼圈密封面上的法向自緊力q為：

(12)

式中：b1為VX鋼圈有效密封寬度，mm。

按照GB150-2011《壓力容器》[8]規(guī)定，為保證工作時(shí)密封，則q≥qs。

聯(lián)立式(7)、式(10)、式(11)、式(12)得到水下采油樹H4井口連接器處預(yù)緊時(shí)的軸向壓縮量e1為：

(13)

所以，井口連接器處預(yù)緊時(shí)的軸向壓縮量e1最小值為：

(14)

但水下采油樹H4井口連接器處預(yù)緊時(shí)的軸向壓縮量e1也不能過大，否則會(huì)使VX鋼圈發(fā)生塑性變形而失去密封效果。即：

(15)

所以，井口連接器處預(yù)緊時(shí)的軸向壓縮量最大值為：

(16)

式中：qs為工作密封比壓，由GB150-2011《壓力容器》中查取，MPa；σs為VX鋼圈材料的屈服極限，MPa。

考慮到VX鋼圈為彈性體，而連接器各部件尺寸一方面較大，另一方面連接器各部件的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于VX鋼圈，所以，相對(duì)于VX鋼圈的軸向位移可忽略各部件的軸向位移部的Δ部影響，則水下采油樹H4井口連接器處密封間隙計(jì)算公式為：

(17)

(18)

由式(14)可知，水下采油樹H4井口連接器處密封間隙的設(shè)計(jì)一方面要考慮VX鋼圈的截面尺寸AR、密封面寬度b1、密封面錐角α和VX鋼圈的材料性能ER、工作密封比壓qs對(duì)密封性能的影響；另一方面要考慮采油樹內(nèi)流體壓力p、VX鋼圈與采油樹本體材料選擇之間摩擦角ρ對(duì)密封性能的影響，最后還需要考慮高壓井口頭直徑的大小，合理確定VX鋼圈無介質(zhì)壓力作用的高度h、VX鋼圈的平均直徑Dm等因素的影響。

3 結(jié)論

(1)為確保采油樹與井口連接處的密封，必須設(shè)計(jì)合理的水下采油樹H4井口連接器處密封間隙g，密封間隙g的大小對(duì)VX鋼圈密封性能有很大的影響。若密封間隙g增大，VX鋼圈的壓縮量也大，反彈力也增大，對(duì)應(yīng)的VX鋼圈密封性能越好。但是密封間隙g也不能過大，否則會(huì)使VX鋼圈壓縮量過大，從而發(fā)生塑性變形而使VX鋼圈在工作時(shí)密封失效。

(2)依據(jù)VX鋼圈的密封機(jī)理，通過對(duì)VX鋼圈在預(yù)緊和工作狀態(tài)下變形關(guān)系和靜力平衡得出了水下采油樹H4井口連接器處最大、最小密封間隙計(jì)算公式。由計(jì)算公式可以看出，為確保水下采油樹H4井口連接器處形成合理的密封間隙，必須考慮井口頭直徑、介質(zhì)壓力、VX鋼圈和采油樹樹體材料之間的摩擦角的影響，同時(shí)，還必須合理設(shè)計(jì)VX鋼圈各部分尺寸，使得水下采油樹樹體鎖塊與井口一次安裝鎖緊到位后，VX鋼圈達(dá)到需要的預(yù)緊密封力，確保采油樹與井口連接處工作時(shí)的密封可靠性。

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Research on the Calculation Method of Subsea Tree H4 Wellhead Connector Axial Seal Clearance

LUO Xiao-lan，WANG Jun， LI Fang-qiu， ZHAO Hong-lin， DUAN Meng-lan

(China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249， China)

This paper presents the stress analysis and deformation calculation under the preloading and working conditions at the VX gasket in the H4 connector which is based on the standard of GB150-2011 “Pressure vessel”, stating that the normal force of sealing surface must be equal or greater than the demand of sealing specific pressure under working conditions. The results show that the axial sealing clearance is not only closely connected with the size of the VX gasket, double cone angle and material type, but also affected by the diameter of the high pressure wellhead and oil pressure.

subsea christmas tree； wellhead connector；axial seal clearance；seal reliability

2014-07-16

國(guó)家重大專項(xiàng)“水下管匯連接器樣機(jī)研制”(2011ZX05026-003-02)，國(guó)家高科技研究和發(fā)展計(jì)劃“水下采油樹關(guān)鍵技術(shù)研究及成套設(shè)備研制”(2012AA09A205)。

羅曉蘭(1964-)，女，副教授。

1001-4500(2015)04-0082-06

P75

A