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
[1]ISO13628-4.水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計和操作—第4部分：水下井口裝置和采油樹設(shè)備[S].2010.
[2]ISO10423.石油和天然氣工業(yè)—鉆井和采油設(shè)備—井口裝置和采油樹設(shè)備[S].2009.
[3]ISO15156.石油和天然氣工業(yè)—油氣開產(chǎn)中用于含硫化氫(H2S)環(huán)境下的材料[S].2009.
[4]汪治軍.彌散型高強度鎳基高溫彈性合金[J].中國有色金屬學(xué)報，2004，14(3)：78-79.
[5]趙劍，譚永華.自緊式K型金屬密封組件密封特性研究[J].火箭推進，2013，39(6)：35-41.
[6]李劉合.用于加工Inconel718的切削刀具發(fā)展現(xiàn)狀[J].工具技術(shù)，2010，49(5)：3-12.
[7]岳錫芬.減少回轉(zhuǎn)體零件夾持變形的幾種方法[J].機械工程師，2005，37(12)：145-146.
[8]鄧正平.鎳基高溫合金鍍銀工藝[J].電鍍與精飾，2001，29(1)：25-26.
[9]楊忠.光亮鍍銀層防變色處理工藝[J].機電元件，1993，13(2)：9-13.
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