油管掛環(huán)空金屬密封制造技術(shù)
水下采油樹油管懸掛裝置安裝于水下采油樹本體中,是懸掛井下油管,并連接油管和水下采油樹出油管線的重要通道。下面是小編搜集整理的相關(guān)內(nèi)容的論文,歡迎大家閱讀參考。
摘要:該文根據(jù)水下采油樹的應(yīng)用環(huán)境和要求,對水下采油樹油管掛環(huán)空金屬密封件的設(shè)計結(jié)構(gòu)及原理、性能要求、制造工藝等進行了技術(shù)分析,并闡述了制造工藝過程中的技術(shù)難點及解決措施。在此基礎(chǔ)上,進行了油管掛金屬密封的研制,并將其應(yīng)用于采油樹制造項目,產(chǎn)品的各項試驗結(jié)果表明,其質(zhì)量及性能滿足設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞:水下采油樹;金屬密封;鎳基合金;壓力自緊密封;金屬彈性性能;表面鍍銀
引言
水下采油樹作為海洋油氣開采過程中的關(guān)鍵油氣生產(chǎn)控制設(shè)備,是位于海底井口頂端開口處的一個系統(tǒng)組件,它提供了一系列用于原油生產(chǎn)、控制、測試及維修的通道和各種用來測量和維修的閥門。水下采油樹油管掛環(huán)空金屬密封是位于油管掛與樹本體的環(huán)形空間內(nèi)的一道關(guān)鍵密封,其密封介質(zhì)是從海底地層開采出的具有高溫、高壓及高腐蝕性的原油(氣),惡劣的工況條件對密封件的性能提出了很高的要求,其核心制造技術(shù)長期被國外壟斷,我國一直依賴進口。因此,作為水下采油樹關(guān)鍵密封件,有必要對其進行研發(fā)制造。
1油管掛環(huán)空金屬密封設(shè)計原理及結(jié)構(gòu)
水下采油樹在油管掛與樹本體之間存在環(huán)形間隙空間(環(huán)空),當(dāng)生產(chǎn)油氣介質(zhì)水平生產(chǎn)出口時,必須防止流體從環(huán)形間隙空間泄漏出去,因而在水平生產(chǎn)出口的兩側(cè)分別設(shè)計了一道雙U型金屬彈性密封件作為主密封,如圖1所示。油管掛雙U型彈性金屬密封原理如圖2所示,其密封原理是利用金屬彈性在介質(zhì)壓力作用下產(chǎn)生彈性形變,使之與密封配合面達(dá)到緊密貼合,從而實現(xiàn)壓力自緊密封。
2油管掛環(huán)空雙U型金屬密封的設(shè)計要求
設(shè)計上油管掛雙U型金屬密封為油管掛與樹本體之間的環(huán)空主密封,其密封技術(shù)參數(shù)及要求如下:工作壓力為10000psi;試驗壓力為15000psi;產(chǎn)品API規(guī)范等級為PSL3/3G;性能測試為PR
2。要實現(xiàn)以上設(shè)計性能,對密封件材料的熔煉組織和熱處理工藝、密封件的成形加工工藝、表面處理工藝等提出了以下要求:
(1)油管掛環(huán)空金屬密封材料須有良好的彈性及疲勞強度;
(2)油管掛環(huán)空金屬密封材料既能耐高低溫又能耐原油介質(zhì)腐蝕,同時能實現(xiàn)高壓可靠密封。
3油管掛環(huán)空雙U型金屬密封的制造技術(shù)方案
3.1油管掛環(huán)空雙U型金屬密封的材料選擇
(1)考慮到油管掛雙U型金屬密封的耐腐性,成形加工性能及金屬彈性要求,設(shè)計采用鎳基合金IN-CONEL718作為密封件的材質(zhì)。
(2)INCONEL718合金是含鈮、鉬的沉淀硬化型鎳鉻鐵合金,在700℃時具有高強度、良好的韌性以及在高低溫環(huán)境均具有耐腐蝕性,供貨狀態(tài)通常是固溶處理后沉淀硬化態(tài)。
(3)INCONEL718合金具有良好的耐腐蝕性,易成形加工性能,經(jīng)過有效的冶煉工藝及熱處理工藝,INCONEL718合金可獲得良好的細(xì)晶粒組織及彈性性能。
3.2油管掛環(huán)空雙U型金屬密封制造工藝流程油管掛環(huán)空雙U型金屬密封的工藝流程如圖3所示:
3.3油管掛環(huán)空雙U型金屬密封制造關(guān)鍵工藝
(1)毛胚材料的熔煉、鍛造及熱處理工藝。
(2)雙U形密封件的成形加工工藝。
(3)密封件的表面鍍銀處理工藝。
4油管掛環(huán)空雙U型金屬密封的制造工藝措施
4.1毛胚材料的熔煉、鍛造及熱處理
(1)從設(shè)計原理上考慮,油管掛雙U型金屬密封屬于金屬彈性密封,因此要求密封件的材料具有細(xì)密的晶粒組織,良好的綜合機械性能及彈性性能。
(2)在冶煉工藝方面,為獲得更純凈化的鋼水,減低氣體含量與有害元素含量,通常采用真空感應(yīng)爐熔煉,甚至用真空感應(yīng)冶煉加真空自耗爐或電渣爐重熔方式進行生產(chǎn)。鍛造、軋制工藝是為了優(yōu)化微觀組織;熱處理工藝包括固溶處理、中間處理和時效處理,是為了獲得所要求的組織狀態(tài)和良好的綜合機械性能。
(3)通常INCONEL718會使用以下兩種熱處理:
1)加熱到926℃~1010℃,水中快速冷卻至室溫,然后升溫至718℃保持8h,爐內(nèi)冷致函至621℃,在621℃保持18h作為時效處理,隨后在空氣中冷卻至室溫;
2)加熱到1037℃~1065℃,水中快速冷卻至室溫,然后升溫至760℃保持10h,爐內(nèi)冷至648℃,在649℃保持20h作為時效處理,隨后在空氣中冷卻至室溫。
4.2油管掛環(huán)空雙U型金屬密封件的機械加工
4.2.1油管掛環(huán)空雙U型金屬密封件的機械加工技術(shù)難點油管掛環(huán)空雙U型金屬密封件,其加工難點在于:
(1)材質(zhì)INCONEL718的機加工易引起刀具的嚴(yán)重磨損。
(2)油管掛環(huán)空雙U型金屬密封零件的整體剛性小,不僅在用工裝夾持時容易產(chǎn)生夾持變形,切削加工時切削力也會引起工件彈性變形,影響尺寸精度。
4.2.2油管掛環(huán)空雙U型金屬密封件的機械加工措施
(1)改善刀具磨損的工藝措施
1)為解決鎳基合金機加工的刀具磨損問題,可采用最新發(fā)展的氣相沉積技術(shù),對傳統(tǒng)的硬質(zhì)刀具進行涂層改性。研究表明,通過對硬質(zhì)刀具進行(Al/Ti)N-PVD復(fù)合涂層以及PVD納米涂層改性,使刀具具有更好的耐磨性能、抗氧化性、化學(xué)穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性,從而顯著提高了刀具的使用壽命及工件的加工質(zhì)量。
2)新型的PVD復(fù)合涂層及納米涂層改性技術(shù)的優(yōu)勢在于:
(a)新型的氣相沉積復(fù)合涂層及納米涂層與刀具有很強的結(jié)合強度;
(b)新型的氣相沉積復(fù)合涂層及納米涂層改善了刀具的熱傳導(dǎo)性能;
(c)新型的氣相沉積復(fù)合涂層及納米涂層不僅提高了刀具切削刃的硬度,增強了抗氧化性,同時還降低了其與被切削金屬的親和力,從而改善了刀具的抗粘著磨損。
(2)防止加工變形的工藝措施
1)工藝分析雙U形油管掛金屬密封件外形(如圖4所示)呈現(xiàn)一大直徑薄壁圓環(huán)結(jié)構(gòu),整體剛度弱,加工時的切削力往往造成被加工件的彈性變形,產(chǎn)生振刀,從而影響加工的尺寸精度。為此,在不同的加工階段,必須采用相應(yīng)的工裝夾具來裝卡被加工的密封件,以增大其剛度,從而確保其加工的尺寸穩(wěn)定性。
2)加工步驟
第一步:用機床卡盤、壓板及拉桿卡住工件毛胚,加工出一端端面及圓環(huán)內(nèi)周型面,并以此作為基準(zhǔn)面,如圖5所示。
第二步:以已加工面為基準(zhǔn),用內(nèi)撐式自定心卡盤、壓板及拉桿螺栓將工件裝卡固定于機床花盤或與機床旋盤連接,分別加工出兩頭端面外形及U形槽,如圖6所示。
第三步:將自制專用撐環(huán)撐住U形槽的內(nèi)圓面,并利用壓板、拉桿螺栓和自定心卡盤等工裝將工件固定于花盤或旋盤,加工出外形面,如圖7所示。
3)加工工裝為防止由于夾具的夾持力過大而引起的夾持變形,加工薄壁零件往往采用多點軟爪夾持、擺動夾持、彈性夾持或真空夾持的裝夾措施,使夾持力更加均勻,從而減小夾持變形引起的加工尺寸誤差。
4.3油管掛雙U型金屬密封的表面處理
(1)油管掛雙U型金屬密封是在介質(zhì)的'壓力下依靠金屬的彈性實現(xiàn)金屬間的緊密貼合,從而實現(xiàn)密封。為了達(dá)成金屬之間良好的緊密貼合效果,往往還在金屬密封面上鍍一層較軟的金屬。
(2)對油管掛雙U型金屬密封的密封面,其表面處理措施采取表面鍍銀工藝。其技術(shù)優(yōu)點有:
1)密封件表面鍍銀,使用時能增強密封性能,還能防粘著,抗咬合。
2)鍍銀層有良好的抗腐蝕性。
3)鍍銀層良好的導(dǎo)電性保證了陰極保護的連續(xù)性。
(3)鍍銀工藝路線鍍銀工藝流程如圖8所示:
(4)鍍銀工藝質(zhì)量的主要影響因素
1)鍍銀工序前的預(yù)處理工序質(zhì)量決定影響鍍銀層的結(jié)合強度。
2)鍍銀工序后的鈍化及防變色保護膜處理工序質(zhì)量對鍍銀層的抗變色及抗氧化性能影響顯著。
3)電鍍液的成分配制及雜質(zhì)含量,電流密度,電鍍液的溫度等工藝參數(shù)直接影響鍍層性能。
5結(jié)語
(1)油管掛環(huán)空雙U型金屬密封制造技術(shù)關(guān)鍵在于毛胚材料的熔煉、鍛造及熱處理,密封件機械加工以及表面處理。
(2)INCONEL718合金具有良好的耐腐蝕性,易成形加工性能,經(jīng)過有效的冶煉工藝及熱處理工藝,可獲得良好的細(xì)晶粒組織及彈性性能。
(3)采用最新發(fā)展起來的氣相沉積技術(shù),對傳統(tǒng)的硬質(zhì)刀具進行涂層改性,可解決鎳基合金機加工的刀具磨損問題。
(4)密封件表面鍍銀,能增強密封性能,還能防粘著,抗咬合。
(5)采用特殊工裝夾具來加工薄壁的金屬彈性密封件,以增大其剛度,可確保加工尺寸穩(wěn)定性。
參考文獻
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