油管掛環(huán)空金屬密封制造技術(shù)
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摘要：該文根據(jù)水下采油樹的應(yīng)用環(huán)境和要求，對(duì)水下采油樹油管掛環(huán)空金屬密封件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及原理、性能要求、制造工藝等進(jìn)行了技術(shù)分析，并闡述了制造工藝過程中的技術(shù)難點(diǎn)及解決措施。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)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(xiàng)目，產(chǎn)品的各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果表明，其質(zhì)量及性能滿足設(shè)計(jì)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?gòu)椥孕阅埽槐砻驽冦y
0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(gè)系統(tǒng)組件，它提供了一系列用于原油生產(chǎn)、控制、測(cè)試及維修的通道和各種用來測(cè)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(duì)密封件的性能提出了很高的要求，其核心制造技術(shù)長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷，我國(guó)一直依賴進(jìn)口。因此，作為水下采油樹關(guān)鍵密封件，有必要對(duì)其進(jìn)行研發(fā)制造。
1油管掛環(huán)空金屬密封設(shè)計(jì)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(shí)，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(jì)了一道雙U型金屬?gòu)椥悦芊饧鳛橹髅芊?，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?gòu)椥栽诮橘|(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(shí)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(jì)要求
設(shè)計(jì)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(yàn)壓力為15000psi；產(chǎn)品API規(guī)范等級(jí)為PSL3／3G；性能測(cè)試為PR
2。要實(shí)現(xiàn)以上設(shè)計(jì)性能，對(duì)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(qiáng)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(shí)能實(shí)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?gòu)椥砸?，設(shè)計(jì)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(shí)具有高強(qiáng)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(jì)原理上考慮，油管掛雙U型金屬密封屬于金屬?gòu)椥悦芊猓虼艘竺芊饧牟牧暇哂屑?xì)密的晶粒組織，良好的綜合機(jī)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(jìn)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(shí)效處理，是為了獲得所要求的組織狀態(tài)和良好的綜合機(jī)械性能。
（3）通常INCONEL718會(huì)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(shí)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(shí)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(jī)械加工
4．2．1油管掛環(huán)空雙U型金屬密封件的機(jī)械加工技術(shù)難點(diǎn)油管掛環(huán)空雙U型金屬密封件，其加工難點(diǎn)在于：
（1）材質(zhì)INCONEL718的機(jī)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(shí)容易產(chǎn)生夾持變形，切削加工時(shí)切削力也會(huì)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(jī)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(jī)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(duì)傳統(tǒng)的硬質(zhì)刀具進(jìn)行涂層改性。研究表明，通過對(duì)硬質(zhì)刀具進(jìn)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(shì)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(qiáng)的結(jié)合強(qiáng)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(qiáng)了抗氧化性，同時(shí)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(shí)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(jī)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(jī)床花盤或與機(jī)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(diǎn)軟爪夾持、擺動(dòng)夾持、彈性?shī)A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(shí)現(xiàn)金屬間的緊密貼合，從而實(shí)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(duì)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(diǎn)有：
1）密封件表面鍍銀，使用時(shí)能增強(qiáng)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(hù)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(qiáng)度。
2）鍍銀工序后的鈍化及防變色保護(hù)膜處理工序質(zhì)量對(duì)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(yǔ)
（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(jī)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(duì)傳統(tǒng)的硬質(zhì)刀具進(jìn)行涂層改性，可解決鎳基合金機(jī)加工的刀具磨損問題。
（4）密封件表面鍍銀，能增強(qiáng)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?gòu)椥悦芊饧?，以增大其剛度，可確保加工尺寸穩(wěn)定性。
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作者:郭駿 朱生東 張鵬舉 袁錦紅 施佳 單位:中海石油深海開發(fā)有限公司 美鉆能源科技（上海）有限公司
