W形密封结构金属封隔器性能研究

针对橡胶封隔器难以适应150℃、70 MPa以上环境的缺点,设计一种适用于230℃、70 MPa工况,两端传递载荷,中间中空促进径向变形的W形密封结构的金属封隔器,并研究其密封性能。根据工况需求,以温度依赖性和超弹性激发应力选择β-NiTi合金作为W形密封结构材料,以W形结构坐封后产生的接触应力评价其密封性能,以工作承压后W形结构的弹性-超弹性应变率评价其解封性能,分析W形密封结构半径、壁厚及壁厚比对其密封性能的影响,并对设计优化后的W形结构进行密封性能仿真分析。结果表明:结构半径对W形密封结构的密封性能和解封性能影响较小,而壁厚与壁厚比均显著影响密封性能和解封性能;随着壁厚的增加,W形密封结构的密封性能逐渐下降但解封性能逐渐上升,随着壁厚比的增加,密封性能逐渐下降解封性能先上升后下降。对设计优化后的W形结构进行密封性能仿真分析,结果表明,基于β-NiTi合金材料的W形密封结构金属封隔器完全可以适用于高温高压环境,其在230℃、70 MPa的工况下坐封载荷为220 kN,弹性-超弹性应变率达90%以上。

气体封隔器密封单元的增强方法与安全分析

气体封隔器胶筒是实现气井分层分段开采的关键部件。常规三胶筒结构在坐封时易发生初始破坏,导致胶筒整体应力水平降低,密封安全性储备不足。为此,提出一种多材料组合式密封单元的增强方法,用于HPHT105-232-V0型含硫化氢高温高压气体封隔器密封单元的设计;基于拉伸试验和Yeoh理论获得橡胶的本构模型参数;在温度204℃、坐封力200 kN和环空压力70 MPa下,分析了胶筒的应力和变形规律;试验测试了增强单元的密封安全性。分析结果表明:HPHT105-232-V0型封隔器密封单元胶筒的最大变形量为94.785 mm,最大接触应力为240 MPa,位于金属护环与套管接触区域。根据API标准,对HPHT105-232-V0型封隔器实物进行测试试验,坐封时胶筒未发生初始破坏,密封单元的整体应力水平提高;稳压过程胶筒压降幅度小于1%;整个试验测试过程中,密封单元无气泡溢出,封隔器卸载后胶筒结构无明显的塑性变形。研究结果表明,采用该增强方法所设计的多材料组合式密封单元具有良好的密封性能,满足极端环境下的密封安全性要求。

应力松弛下滑环组合密封性能研究

结合钻井过程中的高温高压工况和橡胶材料的应力松弛特性,利用有限元分析中压力渗透加载方式对旋转组合密封进行双侧加压,分析了流体压力、井下温度对组合密封主密封面的影响。结合有限元分析结果,提取橡胶密封的变形矩阵,并基于热弹流理论建立了旋转形式的滑环组合密封的数值分析模型。数值求解获得了应力松弛下不同的井下温度、粗糙度时的油膜厚度和油膜压力分布,然后通过密封试验分析了泄漏率、摩擦力矩和转速的关系。结果表明:考虑应力松弛后,介质压力越大接触压力越大,此时不易泄漏,不过摩擦力会有所增加;随着温度的升高,接触应力与介质压力几乎相当,此时泄漏量会有所增加,而温升还会引起黏度的降低,使得黏性摩擦力下降;粗糙度增加,导致油膜厚度增大以及膜压减小,进而引起泄漏增幅较快,而摩擦力略有减小;泄漏率和摩擦力随主轴转速增加。

150MW等级双超汽轮机高压缸前轴封结构优化

150MW等级双超机组为超高温进汽方式,高压缸前轴封漏汽温度较高,若轴封结构设计不当,会导致轴封蒸汽外漏、轴承油中带水、端部汽缸变形、汽封动静碰磨或转子弯曲等安全事故,而且较大的高品质蒸汽泄漏也会影响机组的经济性。通过优化高压缸前轴封结构,对数十种漏汽组合模型进行了计算分析,推荐合理运行方式,解决了端汽封漏汽温度高带来的影响,达到了预期效果,提高了经济性,在同类机组中具有较高的应用推广价值。

蝶阀在高温时受力与变形的仿真分析

高温蝶阀是目前在航空航天试验、现代化工等领域最需要的控制设备之一。本文介绍了一种DN500的高温蝶阀在高温816℃、压力为1 MPa、阀杆施加8978 N·m的关闭扭矩时受力与变形的仿真分析,通过对蝶阀建立三维模型并用有限元计算方法获得的仿真分析数据使得产品设计在高温条件下更加安全可靠。

立方大腔体静高压装置中叶腊石的传压及密封性能研究

本文基于高压研究及超硬材料生产所用的静高压立方大腔体(六面顶)压机的需要,制备了源于南非叶腊石矿的两种(A和B)叶腊石粉压块,并与同工艺国产(北京门头沟)黄色叶腊石粉压块进行比较,以此建立评估叶腊石传压及密封性能的实验方法与物理判据.采用Bi,Tl,Ba等标压物质原位标定了以上3种叶腊石压腔中心位置及密封边处的压力;同时,采用银熔点法分别获得了3种叶腊石作传压密封材料时高温下腔体压力与系统加载的对应关系.结果表明,在相同加载油压下南非叶腊石B粉压块和国内叶腊石粉压块中心位置的压力差值不超过0.1 GPa,在升压和降压过程中叶腊石块中心位置与密封边位置的压力差值也更为相近.相比于南非叶蜡石A粉压块,B粉压块在高温传压和密封性能上更接近国产叶腊石粉压块.

多相混输泵用超高压机械密封性能研究

针对超高压混输泵机械密封易磨损失效的问题,介绍了端面槽加工和涂层应用两种策略,用热流固耦合分析方法,分析了浅槽微接触式机械密封在实际应用中的温度分布和端面变形情况,阐述了表面涂层技术的应用,进行了一系列机械密封性能的试验研究。研究结果不仅证实了这些技术在提高机械密封寿命和可靠性方面的有效性,还证实了端面开槽和涂层技术在降低摩擦、改善耐磨性能方面的显著效果。为超高压混输泵机械密封系统的设计和优化提供了重要的理论依据及实践指导。

高温井井口抬升工况套管螺纹热应力行为

高温高压井生产过程中出现井口抬升现象,增加了套管螺纹失效的风险,评价井口抬升工况下套管螺纹失效风险是井筒完整性的基础。采用有限元法和实验法,建立了套管螺纹的热应力模型,分析了不同温度与轴向力作用下套管螺纹的力学行为。研究表明:高温高压井套管螺纹失效风险较高,螺纹啮合处两端的螺纹牙容易出现应力集中;井口温度为33℃时,随着拉力增加,套管螺纹的最大应力值增加,当拉力达到3350 kN时,偏梯形套管螺纹最大应力为758 MPa,有屈服失效的风险;随着温度的增加,井口抬升量呈线性增大的趋势,而套管螺纹最大应力值也会随之增加。建议在高温井生产时,应选择合适产量或使用隔热管降低螺纹的工作环境温度,以保证现场安全生产。研究成果为高温高压井筒完整性评价提供技术支撑。

大口径高温高压套筒调节阀密封结构设计与试验研究

为提高大口径高温高压套筒调节阀的密封等级,设计新型密封结构的大口径高温高压套筒调节阀。该阀密封结构分为上、下两部分,上部分通过弹簧预紧力调整密封位置,自动调节密封吻合度,下部分通过阀芯和下阀座密封,上下部分结构配合,同时密封。静强度仿真分析表明,调节阀最大应力为204.1 MPa,压盘、弹簧和上阀座结构的局部最大应力为40.26 MPa,均小于材料屈服强度,静强度满足要求。疲劳强度分析表明,在寿命内调节阀疲劳强度满足要求。流体流动仿真分析表明,在小开度30%工况,阀腔流体最大速度为554.240 m/s,最大压力为1.706 MPa,最高温度为252.50℃;在大开度80%工况,阀腔流体最大速度为501.736 m/s,最大压力为1.717 MPa,最高温度为259.99℃,结果符合流体流动特性。阀体耐压试验和阀座高压密封试验表明,阀体无可见渗漏和变形,阀座高压密封泄漏等级为VI,满足阀体耐压强度和阀座密封性能使用要求。

裸眼分段工具高温高压性能稳定性评价实验

针对现有的井下工具测试系统不能模拟高温高压泥浆条件下工具稳定性测试的问题,研制了高温高压井下工具性能稳定性评价装置。该装置具备温度200℃、压力105 MPa,在多种流体介质中开展工具性能测试的能力。利用该装置,模拟井下工具在油基泥浆里的下入过程,设计开展了胶筒在油基泥浆中的高温高压老化腐蚀和分段工具的密封稳定性两个实验。结果显示胶筒在高温高压下发生膨胀,但整体膨胀的尺寸相对较小,不影响工具下入;实验后胶皮表面光滑、无开裂无鼓包;分段工具保压10 d,无压降。经XX001-H6井裸眼多段酸化施工应用,温度176℃,压力97.32 MPa,封隔器密封可靠、滑套性能稳定。本实验方案的顺利实施为高温高压工具稳定性实验提供了新的技术思路。

地层测试工具耐230℃O型密封圈优选试验研究

为了在设计地层测试工具的过程中优选出抗高温、承高压、抗腐蚀能力强及密封性好的O型橡胶密封圈,研制了可满足多型号O型密封圈共用的模拟试验工装。该工装可模拟高温高压条件以及密封圈的不同的装配方式,进行性能评价试验;同时以适应工程应用为评价原则设计了一套充分模拟地层测试作业中温度、压力变化过程和边界参数的评价试验方法,对多个型号的耐高温的O型密封圈开展了试验评价。针对230℃/105 MPa地层测试工具设计,优选出了3种具有较好的高温承压能力和密封持久性能的密封圈,其基材是全氟醚橡胶,在浓度20%的盐酸中浸泡96 h,经两次升温至230℃,一次降温至常温的温度交变过程中,都能反复承受长达48 h的高压(105 MPa)密封测试,该试验为加快高温高压测试工具的研发进程奠定了基础。

超高温高压完井组块密封的研制

组块密封作为完井工程中的保持井筒完整性、实现井下资源分层开采的重要工具,其工作的可靠性与稳定性不言而喻。在超高温高压油气田中,对于组块密封的耐温性、耐压性要求更高,该方面研究在国内少有涉及。本文通过新型耐高温气密材料的开发、组块密封结构设计,结合结构仿真与试验,研制形成多个尺寸系列耐温204℃、耐压10000 psi的完井组块密封工具,为我国超高温高压油气田开发提供了国产化工具支持。

超高压重大井口装备密封结构的关键技术研究

随着开采层位压力的增加,140MPa压力等级产品已不能完全满足超深油气井勘探开发的需求,迫切需要更高压力等级的井控装备。通过对现有API6A标准分析,完善了175MPa超高压井控装备的设计原理。研究了重大井口装备的抗高压、耐高温和耐腐蚀密封结构的关键技术。文章提出了新型的井口装备密封结构,并对密封结构的性能进行了实验验证。结果表明,该密封结构具有优良的抗高压、耐高温及耐腐蚀性能。

加氢裂化高温高压耐磨球阀设计及其性能研究

针对沸腾床渣油加氢裂化工艺存在温度和压力交变的特点,设计了一种加氢裂化装置高温高压耐磨球阀。首先阐述其整体设计理论,充分考虑该球阀的密封、启闭性能及制造工艺的要求,与常规的大口径硬密封球阀整体结构进行了对比;其次基于该球阀的结构特点,将其中腔密封结构和阀座密封结构与常规硬密封球阀密封结构进行了对比及原理分析,并对该球阀的重要零部件进行设计计算与校核,证明了阀门结构设计的合理性;最后采用有限元法对整体温度场及密封副受力进行了分析,确定支架的温度,以确保该球阀执行机构的正常运行。通过对该球阀的研究,其性能具有全通径、流量大、流阻小、结构简单、密封可靠、不易卡塞、开关灵活和维修方便等优点,为促进加氢裂化装置高效、经济、长期运行提供保障。

一种高温高压调节阀结构设计

本文介绍了一种适用于高温高压工况的平衡式金属环双重密封套筒调节阀结构和工作原理。以我国某化工厂高温高压调节阀的国产化替代设计为例,提出了蒸汽介质CV值计算公式以及金属密封环的压缩量测试方法,为高温调节阀的设计提供了有力支持。本文结合计算机仿真模拟分析技术,对阀门在不同开度下的流量特性进行模拟计算,验证了计算公式的合理性。同时,对阀门的速度场与压力场分布进行分析,为优化阀门降压级数提供了理论依据。结果表明,该高温高压调节阀的设计不仅能降低介质流速,同时具备优良的降压效果,且有效保障了阀门的安全稳定性。

储气库特深井高温封堵工艺技术研究及应用

为了加快堡古2储气库建设,确保少井高效建库,提高特深井高温水泥挤封施工成功率和封堵有效率,降低施工风险,研究了集坐封、丢手、带压挤注、防返吐、带压候凝于一体的特深井高温封堵工艺及配套工具,并以此形成了冀东油田储气库特深井高温水泥挤封工艺技术。配套工具中,高温高压封隔器设计了挤水泥防返吐装置,带压挤注泄压后可自动关闭,防止水泥返吐,有效预防水泥凝固挤注管柱等事故发生;插管总成与封隔器之间采用耐磨防腐、耐高温高压的组合密封装置,密封安全可靠。该技术在冀东油田储气库井应用8井次,挤水泥插管封隔器入井、坐封坐卡、丢手、打开挤注通道、验封、水泥挤注封堵、带压候凝及防返吐等工序均取得了成功,验封合格率100%,施工成功率100%,满足特深井高温封堵工艺需求。研究成果不仅提高了冀东油田的开发效益,也为弃置井、长停井封堵及天然气驱井的处置提供了借鉴。

高温高压封隔器胶筒密封结构设计

随着深井、超深井的开发,封隔器坐封后将长时间承受高温高压、腐蚀等极为复杂的工况。设计一种封隔器胶筒密封结构,该密封结构根据功能特性选取不同的材料,使封隔器能够满足井下高温高压等较为复杂的工况要求。根据实际的井下极端工况条件,对设计的封隔器进行坐封、密封测试,利用商用软件ABAQUS对胶筒在给定工况下的力学行为进行分析。结果表明:设计的封隔器能够在0.2 MN坐封力、204℃温度和70 MPa密封压力下稳定工作;在给定的70 MPa压差下,封隔器胶筒橡胶应力水平未达到材料的屈服点,能够保证封隔器的耐久性和可靠性;橡胶胶筒能够产生大于70 MPa压差的接触应力,保证封隔器能承受70 MPa压差。

应力松弛影响下液动冲击器往复密封性能研究

液动冲击器在硬地层钻进中有良好的应用效果,高温高压极端工况下往复密封的密封性能对液动冲击器的寿命有重要影响。为此,考虑高温高压影响下橡胶材料应力松弛特性对密封性能的影响,结合液动冲击器的工况参数,通过压力渗透的加载方式对组合密封进行仿真,得到了钻井液压力、密封压缩率和钻井液温度等参数对组合密封主密封面接触压力的影响。研究结果表明:随着钻井液压力的增大,往复密封最大Mises应力和最大应变均逐渐增大,但当钻井液压力达到15 MPa以后,其增长趋势逐渐放缓;随着压缩率的增大,主密封面的有效接触长度逐渐增大,而且当压缩率达到15%时,主密封面的两端均出现较大值;高温环境下组合密封的有效接触长度小于常温,高温会降低动密封的可靠性。所得结论可为液动冲击器的现场应用和性能优化提供参考。

受压状态下盾构隧道接缝密封垫老化性能研究

随着盾构隧道技术的发展,对接缝密封垫长期防水能力的可靠性要求不断提高。为探索温度作用对盾构隧道管片接缝三元乙丙橡胶(EPDM)密封垫力学性能的影响规律,研究盾构隧道管片接缝EPDM密封垫的长期力学性能,开展受压状态EPDM密封垫100℃以上高温老化试验,对高温老化后的密封垫进行力学性能试验与微观试验。研究发现:受压状态下高温老化后的密封垫,其接触应力显著降低,截面孔洞变小,最大的不可恢复变形量超过了压缩量的50%。而无压缩状态下老化的密封垫接触应力损失不大,在部分情况下甚至有所增强,其截面高度与孔洞没有明显变化。说明压缩力会促使高温老化后密封垫产生更大的永久变形,加快其接触应力的衰减。为更真实地表征温度对接缝密封垫的劣化机制,试验应采用受压状态下密封垫,并将温度控制在100℃以内。受压状态下老化的密封垫,其接触应力随着老化时长、老化温度的增长而减小。错台对接触应力的影响随着老化时长、老化温度的增大而减小。老化后EPDM的热氧稳定性、分子结构变化不大,微观表面产生了坑洞与裂缝,说明密封垫老化后橡胶表面劣化是接触应力衰减的诱因。与橡胶化学性能的老化相比,橡胶永久变形引起的密封垫截面变化对防水性能影响更显著。研究成果可为接缝密封垫密封性能评定提供参考。

新型抗高温凝胶堵漏剂的制备与评价

针对常规凝胶堵漏剂的抗温性能较差、凝胶强度不足等问题,以抗高温聚合物作为成胶剂,添加适量的凝胶增强剂和纤维类增韧剂,构成抗高温凝胶基液,再与复合有机交联剂反应,开发了一种新型抗高温凝胶堵漏剂。测试结果表明,该凝胶堵漏剂的剪切稀释特性较好,在0.1~100 Pa的剪切应力条件下,其储能模量数倍于耗能模量,表现出良好的黏弹特性。同时该凝胶堵漏剂的抗温能力达140℃,渗透性模拟堵漏承压能力达7 MPa,裂缝性模拟堵漏承压能力达4.0 MPa。