（机械工程专业论文）油井套管静水压检测设备设计与研究.pdf

上海交通大学工程硕士论文 石油套管静水压检测设备设计与研究 摘要 套管泄漏事故是造成油气井早期失效的重要原因。为保证石油套 管工作时的高性能，必须按规定对套管进行静水压检查。因此，研制 高性能套管静水压试验设备意义重大。 本课题设计研制了种强制径向密封式套管静水压试验设备。该 设备由套管密封头，机体、油水气路系统及控制系统组成。 套管密封头主要解决套管两端的密封问题，是本课题的关键。在 研制过程中，本人提出了强制径向密封方案。即，密封头内环形密封 圈在外环水压作用下，沿径向收缩强制密封套管两端外圆。一旦外环 水压解除，密封圈自行弹性恢复原状。 密封圈的结构设计主要考虑避免密封材料挤进密封头与套管外 圆之间的缝隙中。解决办法：密封圈内固定由金属矩形环剖切而成的 数个扇形挡块，矩形环的内径与套管的待密封部位直径相同。加压密 封时，这些扇形挡块随同密封圈沿径向聚拢，直至与套管密切接触， 这样套管腔静水压力便无法使密封材料挤进上述缝隙之中。另外，设 计时还考虑了矩形环剖切余量对密封圈的影响。 密封材料选用综合性能优异的聚胺酯橡胶。 套管静水压设备的水路系统主要功能是解决套管的密封和加压； 油路系统负责动密封头移动、定位和套管夹紧：气路系统负责套管进 出试压设备以及控制卸荷阀和密封阀。在水路系统设计中，套管密封 和套管加压使用同一介质同一增压器。增压时，密封压力和套管腔压 上海交通大学工程硕士论文 力同步升高。卸荷时，两压力同步下降。这样设计既提高了密封性能 又改善了密封圈的工作条件。 控制系统采用了可编程序控制器( p l c ) ，设计了手动半自动梯 形图程序。 通过研制、安装、调试及整改，实测结果表明，整个水压检测设 备的性能测试数据满足了原先制定的设计要求，且有着较好的性能价 格比。 关键词套管，强制径向密封圈，静水压力，检测，密封头 上海交通大学工程硕士论文 d e s i g na n dr e s e a r c hf o rt h e s t a t i c w a t e r h y d r a u lict e s te uip m e n tf o rc a s i n g a b s t r a c t c a s i n gl e a ka c c i d e n ti sav e r yi m p o r t a n tr e a s o nl e a d i n gt o t h ee a r l yi n v a l i d a t i o no fo i la n dg a sw e l lt oa s s u r eo ft h e h i g hq u a l i t yo ft h ec a s i n gd u r i n gc o u r s eo fi t sw o r k i n g ，t h e s t a t i cw a t e rp r e s s u r et e s tm u s tb em a d ef o rt h ec a s i n ga c c o r d i n g t ot h er e g u l a t i o n s o ，i ti sv e r yi n s t r u c t i v et od e v e l o pah i g h q u a l i t ys t a t i cw a t e rp r e s s u r et e s t i n ge q u i p m e n tf o rc a s i n g i nt h i sp r o j e c t ，as e to fs t a t i cw a t e rh y d r a u l i ct e s t i n g e q u i p m e n tw i t hf o r c e dr a d i a ls e a lr i n g sf o rc a s i n gi sd e v e l o p e d i tisc o m p o s e do fs e a li n gh e a da s s e m b l y ，m a c h i n eb o d y ， o il - w a t e r g a sc i r c u i ts y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e m t h ec a si n gs e a li n gh e a dism a i n l yu s e df o rs e a li n gt h eb o t h e n d so fc a s i n g ，w h i c hi st h ek e yo ft h i sp r o j e c t d u r i n gt h e p r o c e s so fd e v e l o p i n g ，t h em a i nc o n s i d e r a t i o ni st op r e v e n tt h e s e a lm a t e r i a lf r o mb e i n gf o i s t e di n t ot h ea p e r t u r eb e t w e e n s e a l i n gh e a da n dt h eo u t e rs u r f a c eo fc a s i n g t h es o l u t i o ni s t of i xs e v e r a lf a n 。s h a p e db l o c k sm a d ef r o mm e t a lr e c t a n g l er i n g i i i 上海交通大学工程硕士论文 w i t hs e a lr i n g t h ed i a m e t e ro fr e c t a n g l er i n gi se q u a lt ot h a t o ft h ep o s i t i o na tw h i c ht h ec a s i n gn e e d e ds e a l i n g w h e nt h e s e a lr i n gc o n t r a c t st h e s ef a n 。 s h a p e db l o c k sg a t h e r e dg r a d u a l l yi nr a d i u sd i r e c t i o nt o g e t h e r w i t ht h es e a lr i n gu n t i lt h e s eb l o c k sc o n t a c tt h ec a s i n gt i g h t l y i nt h i sw a y ，t h eh y d r a u l i cp r e s s u r ei nt h ec a s i n gc a v i t yc a n t s q u e e z et h es e a lm a t e r i a li n t ot h ec r e v i c e i th a sb e e na l s o c o n s i d e r e dt h ee f f e c to fc u t t i n g t o o l sw i d t ht ot h es e a l r i n g t p u ，w h o s ec o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e sa r eg o o d ，i ss e l e c t e d a ss e a lr i n g sm a t e r i a l t h eo i l - w a t e r g a s p r e s s u r es y s t e mt o t h ec a s i n gt e s t e q u i p m e n tj u s tli k et h eb l o o dl o o ps y s t e mt oam a n t h ew a t e r p r e s s u r es y s t e ms o l v e dt h ep r o b l e m so fc a s i n gs e a li n ga n dt h e p r e s s u r ea p p l y i n g t h eo ilp r e s s u r es y s t e misc h a r g e dt om o v e a n ds t o pt h es e a l i n gh e a d i ti sa l s ou s e dt oc o n t r o lr e l e a s i n g v a l v e t h eg a sp r e s s u r es y s t e me n a b l et h ec a s i n gt or o l li no r o u tt h et e s te q u i p m e n t ，c o n t r o lt h er e l e a s i n gv a l v ea n dt h e s e a li n gv a l v e i nt h ed e s i g no fw a t e rs y s t e m ，t h ec a s i n gs e a l i n ga n dc a s i n g p r e s s u r e a p p l y i n gu s et h es a m el i q u i dm e d i u ma n dt h es a m e p r e s s u r e a p p l y i n gd e v i c e a st h ep r e s s u r ew a si n c r e a s i n g ，t h e 上海交通大学工程硕士论文 p r e s s u r ei nt h es e a l i n gc a v i t ya n dt h ep r e s s u r ei nt h ec a s i n g w e r ei n c r e a s e ds i m u l t a n e o u s l y w h e nt h er e l e a s i n gv a l v eo p e n ， t h ep r e s s u r ei nt h e mw e r ea l s od e c l i n e d d e s i g nl i k et h i s i m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c eo fs e a li n ga n dt h ew o r k i n gc o n d i ti o n s o ft h es e a lr i n g s p l cisu s e di nt h ec o n t r o ls y s te mh a n d 。c o n t r o la n dh a lf a u t o m a t i cc o n t r o lp r o g r a mw e r ed e s i g n e d o nt h eb a s i so f d e s i g n ，m a n u f a c t u r e ， i n s t a l l a t i o n ， c a l i b r a t i o na n dr e v i s e ，i tw a si n d i c a t e dt h a tt h ee q u i p m e n t s t e s td a t ah a dm e e tt h ed e m a n do ft h eo r i g i n a ld e s i g n i n g r e q u i r e m e n t s ， a n dt h is e q u i p m e n t a ls oh a dab e t t e r p r o p e r t y p r ic er a ti o k e yw o r d s ：c a s i n g ，f o r c e dr a d i a ls e a lr i n g ，s t a t i cw a t e r p r e s s u r e ，t e s t ，s e a li n gh e a d v 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本入授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密d ，在工年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：2 呻彳 日期：p2 年r 月矽日 燧氧一 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 、中娣 f 日期：沙几年厂月俨e l 上海交通大学工程硕士论文 第一章检测装置的组成及设计要求 1 1 课题意义及国内外现状 1 1 1 套管简介 ( 1 ) 油井套管类型及作用( 见图1 - 1 - 1 ) 衫 2f f o j 、o j 、； j 里一鐾 、 ：2 _ 2 ： 雌王 1 导管1 l 表层套管! 技术套管4 生产套管5 尾管6 油管7 水泥 图1 - 1 套管类型及井身结构 f i gi - 1c a s i n gt y p e sa n dt h es t r u d t u r eo f w e ub o d y 1 导管这层套管的主要作用是抑制松散的表层，防止未固结的土石落入井内。 表层土落入井内会增加钻井时间并可能造成下部井眼报废。导管也提供一条使泥 浆返回地面的通道，并基本上或部分支撑其它套管柱悬空的重量。这一层管柱其 长度变化较大，在坚硬的岩层中仅用l o - - 2 0 m ，而在沼泽地区则可能上百米。导 管直径一般为9 5 。 - - 3 0 i n 。 2 表层套管表层套管有多种用途。它支撑松散的浅部地层。用来防止浅层水 受到深部地层污染，封隔浅层流沙，砾石层及浅层气。同时用来安装井口防喷器 以便继续钻进。它是井口设备( 套管头及采油树) 的唯一支撑件，并悬挂依次下 入的其它各层套管( 包括采油管柱) 载荷。 上海交通大学工程硕士论文 如果下入最后一层套管之前要钻极长的井段，表层套管应下得深些。表层套 管下入深度一般在3 0 , 一1 5 0 0 m ，表层套管直径通常是8 5 。- - 一1 3 i n 3 技术套管技术套管用来封隔坍塌地层及高压水层，防止井径扩大，减少阻 卡及键槽发生，以便继续钻进。 4 生产套管除非采用裸眼完井，都要在预期生产层中下入生产套管。储集层 中的油气进入生产套管由采油设备采出。 上面介绍的四种套管实际上是由图i - 2 所示套管单根连接而成的管柱。以后 所涉及的仅是套管单根，简称套管 户气 匕= 三二二二丑 1 管体2 接箍 雷1 2 套管结构萄f i 9 1 2s t r u c t u r e 。fb u s h i n g ( 2 ) 管柱受力 下入井内的套管柱，主要承受轴向拉应力，外挤压力和内压力三种力的作 用。下面仅就内压力进行讨论。 1 内压力的确定 最严重的情况是气柱由井底油气层处不膨胀上升到井口，此时井口压力为： p s = ( t s + 2 7 3 ) ( t s + 2 7 3 + 研z ) p z( 1 1 ) 式中p 广气体在深度为在处的压力，k p a ； t s 一地面温度，o c ： g r 地温梯度，o c m ； z - 深度，f i t _ ； 在井内任意点z 处所受内压力p i z 等于井口压力和该处深度上钻井液柱压力之 和，即： p i z = p s + y ( z - v k a ) ( 卜2 ) 式中y 一钻井液密度梯度，k p a m ； 2 上海交通大学工程硕士论文 v k _ 侵入井内的气体体积，m 3 ； q 一换算系数，即1 m 3 天然气在环空所占的高度。 套管所受内压力与完井方式有关。如在生产套管( 油气层套管) 和油管环空 底部用封隔器隔离，封隔器上部充满完井液，用油管进行生产。这种完井方式， 套管受内压最严重的情况是油井生产初期油管螺纹漏失，高压天然气通过接头螺 纹进入到油管与套管环空。在环空封闭条件下，气体滑脱上升到井口，仍然保持 原井底压力。这时环空底部所受内压力为油气层压力与完井液柱压力之和。套管 深度z 处所受内压力为： p萨pp+y-z(1-3) 式中y 广完井液密度梯度，k p a m ； p p 一生产层压力，k p a 2 有效内压力计算 有效内压力是指考虑外压力的平衡作用之后的压力，据此设计套管更符合实际情 况，是目前国内外使用的普遍方法。 有效内压力= 井口压力+ 管内外压力差 表层套管与技术套管深度z 处有效压力为： p i e = p s + z ( yi y 疆)( 1 - 4 ) 油层套管深度z 处有效压力为： p i e = p p - ( l - z ) yy zy 丽( 1 5 ) 式中y 广套管内原油压力梯度，k p a m ； ys 广地层水压力梯度，k p a m ； y 广套管内液体压力梯度，k p a m ； 3 0 0 0 m 处，套管有效内压可达4 0 m p a 。 ( 3 ) 套管螺纹密封性能分析 a p i ( 美国石油学会) 螺纹接头结构设计简单，加工公差较宽，使其使用性 能受到很大的影响。就密封性而言，由于螺纹配合( a p i8 rl c s g ) 在齿顶 3 上海交通大学工程硕士论文 和齿底之间存在间隙，这些间隙成为潜在的泄漏通道。所以，从理论实际分析， a p i 螺纹接头套管不具有密封性。但如果能设法减小或堵塞这些间隙，可大大提 高其密封性能。国外研究表明，a p i8 rl c s g 接头在特定条件下具有一定的 气密封性，但其密封压力的大小取决于许多因素，这些因素包括螺纹加工公差、 紧螺纹控制、螺纹脂的密封能力、质量及外载条件等。 1 1 2 课题意义 由以分析可知，下入井内的套管柱工作条件十分恶劣，且套管螺纹结构也比 较脆弱，小小的缺陷都有可能给使用带来危险，甚至造成严重事故。其中，套管 泄漏事故是导致油气井早期失效的重要原因之一。近几年，我国陆上油田因套管 柱泄漏所造成的直接经济损失达数千万元j 为保证石油套管在工作时的高性能，钢管厂必须对套管机械性能，内外表面 状态及螺纹连接的性能等进行严格的检查。 石油套管静水压试验是一种套管质量综合性检验措施，用于检查套管管体强 度、接箍与管体间螺纹副的密封性。进行石油套管静水压试验，必须研制高性能 水压试验设备。 1 1 3 国内外油田用钢管静水压检测设备现状 ( 1 ) 国外现状 1 英国劳威公司制造的1 0 5 m p a 水压试验机全貌见图1 3 。 性能参数： 适用钢管直径11 4 - 3 2 5 m m 最大试验压力10 5 m p a 可试钢管长度4 8 1 5 2 m 这种水压力可以得到相当于钢管最小屈服点8 0 的压力。 4 上海交通 i 程砸论z 图卜3l0 5 m p a 水压试验机 f i 9 1 - 3 t h e l 0 5 m p a w a t e r h y d r a u l i cc e s te q u i p m e n t 2 图1 - 4 是德国设计制造的1 3 0 m p a 钢管水压试验机结构简圈。 送来进行水压试验的钢管被拨至夹辊装置夹住，对好试压中心线，活动横粱 移动，使钢管两端进入试压头，五个夹紧缸夹紧钢管，固定横粱内的充水阀2 打开，进行充水此时，蓄水器气闰打开，使之以09 l p a 的压力供水。钢管内充 满水后，充水阀关闭，增压器1 4 油压系统工作，增压的大小靠调节油泵的压 图1 413 0 m p a 水压试验机原理图 f i 9 1 - 4 t h ep n n c i p l ed i a g r a mo f l 3 0 m p a w a t “p r e s s u r e t e s te q u i p m e n t 上海交通大学工程硕士论文 力来实现。充水时间和试压时间由继电器控制。试压结束后，放水阀打开， 同时增压器退回原位，此时靠水的反冲力使活动横梁退至脱管位置。 活动横梁在两个水平导向柱上靠抱紧装置来固定，在抱紧装置中设有与试压 头相类似的密封环和卡爪等，并与增压水相通，水压越大抱紧力也越大。 为使压力在钢管内分布均匀和对裂纹能迅速振开，设有两个敲击缸，以1 次 秒的速度敲击钢管，敲击力为0 5 - 0 8 公斤。 ( 2 ) 国内现状 1 在国内，石油套管静水压检测通常采用管堵式试验方式。方法如下： 套管两端拧上内外丝堵形成密封腔。密封腔先注满水，再利用高压试压泵加 压。 2 国内大型钢管企业如宝钢、天津钢管有限公司投资数百万美元从日本及德国 引进成套套管静水压检测设备。出于技术保密的缘故，难以获得有关技术资料。 3 国内相关科研院所也在积极研制新一代套管静水压试验设备。目前成锅已委 托西安重型机器研究所研制新型套管静水压试验设备。 4 最近，某石油机械研究所为胜利油田物资供应处研制了一套套管静水压试验 设备。其结构及技术性能参数如下： 最高试验压力：5 0 m p a ； 适应规格：5 1 2 ( 中1 3 9 7 r a m ) ，7 ( 1 7 8 8 m m ) ； 套管长度范围：8 5 m l o m ； 动密封头的定位方式插销式( 图1 - 5 ) 。 6 上海交通大学工程硕士论文 1 定密封头2 纵梁3 待试套管动密封头5 液压缸6 插销7 横梁 图卜5 插销式结构 f i g1 5t h es t r u c t u r eo fb o l tt y p e 动密封头的定位过程： 液缸活塞腔进油，动密封头移动到压头销孔与主梁销孔对正且最靠近待试套管 的位置后停下。将两试压头销子分别插入已对正的销孔。液缸活塞杆腔进油，活 塞杆收缩，液缸缸体带动横梁前移至横梁销孔与纵梁销孔对正的位置停下，插入 主销子，取出试压头销子。最后，液缸活塞腔进油，活塞杆伸出，带动密封头前 移直至套管进入动密封头。 如果液缸行程及套管长度较短( 但液缸行程必须大于纵梁销孔间距) 上述过 程须重复多次直至动压头移至试压工位。 由此可见，这种断续调节方式繁琐、效率低且人工劳动强度大。但液缸可做 得很短，动密封头回退量小。 套管密封方法：密封圈采用径向密封结构，密封套管两端外圆：套管密封材 料为橡胶。 该设备油，水路系统的特点是大量使用油水双介质液控单向阀，容易造成 油水相混。在试压过程中，油泵基本处于运转状态，且常常在系统最高压力下工 作，油路发热十分严重。 该设备投资6 0 万元，从安装到现在，因可靠性太差一直处于停运状态，给用 户造成很大损失。 7 上海交通大学工程硕士论文 1 2 检测装置的组成、技术参数及主要设计研究内容 本设计整机组成如图1 - 6 所示 1 离心泵2 组合阀3 增压器系统4 增压器水箱5 密封管线6 卸荷管线 7 排气卸荷阀8 机体9 水漕1 0 夹紧机构1 1 输送滚轮1 2 动密封头 1 3 调整滚轮1 4 主液缸1 5 解密阀1 6 压力表1 7 液压泵站1 8 套管架 1 9 翻料机构2 0 轨道2 1 回水管2 2 电磁气阀2 3 操作台2 4 静密封头 2 5 托举气缸2 6 护罩 图1 - 6 套管检测设备结构组成 f i g1 - 6t h ec o m p o s i t i o no ft e s te q u i p m e n tf o rc a s i n g 1 2 1 组成说明： 1 机体采用立式双梁框架结构( 详见图1 7 ) 。 上海交通大学工程硕士论文 1 左竖莱2 精密封头3 下横巢上横粱；聂珠道轨6 动密封头1 右竖粱8 痕缸 9 调整丝鏖11 0 调姜丝庄21 1 调整丝座3 图1 - 7 机体 f i g 卜7t h em a c h i n eb o d y ( 1 ) 机体的作用 承受静液力，安装密封头、液压缸及其它设施。 ( 2 ) 机体特点 机体沿套管长度方向与水平面存在一定倾角q ，这样套管容易注满水。 上横梁两端分又，中间空挡供吊装密封头及液压缸。 方便附属结构设计安装。 便于维护。尤其方便拆装密封头，更换密封圈时更能显示立式结构的优越性。 2 待试套管的接箍端和丝扣端分别由动密封头和静密封头密封。静密封头与左 竖梁固联，动密封头由液压缸驱动，以适应套管长度变化。 3 采用大排量离心泵灌注套管腔。灌注介质为乳化液。 4 利用增压器为套管加压。增压器的驱动介质为液压油，被增压介质为乳化液。 5 液压泵站分别向三个套管夹紧油缸，动密封头驱动油缸以及增压器供油。 6 套管空水( 试压完毕，套管接箍端升起，套管内的存水迅速空出。) ，护罩升 降以及套管进出水压机等动作皆靠气动执行。 7 乳化液循环利用。具体地说，用于加压的那部分乳化液在系统卸压后通过卸 荷管路重新进入增压器吸水池：用于灌注的那部分乳化液在系统卸压后通过回水 管重新流入离心泵吸水池。 1 2 2 技术参数及性能要求 9 上海交通大学工程硕士论文 ( 1 ) 适应规格：5 1 。”( 管体外径1 3 9 7 0 r a m ) 、7 ”( 管体外径1 7 7 8 0 r a m ) 成品套 管。 ( 2 ) 检测长度范围：8 6 - - 一1 0 m 。 ( 3 ) 单根检测速度：根据计划产能，并考虑一定富裕系数后，每根套管检测时间 小于3 m i n 。 ( 4 ) 试验压力( n 8 0 钢级) 。 5 ：”套管最大试验压力：4 9 7 m p a 7 套管最大试验压力：4 6 8 m p a 考虑以后增加规格品种的可能性，静水压试验装置系统压力按6 0m p a 设计。 ( 5 ) 压力保持时间不得少于5 s 。 ( 6 ) 静水压试验过程中，保证管子及管子与接箍的螺纹损伤的可能性减少到最低 程度。 ( 7 ) 可靠性高 可靠性在这里有两层意思：测试装置检测结果可信性和测试装置工作运行稳 定性。 测试装置的最终检测结果是规定时间的压力降值。根据现场经验，当稳压值 5 0 m p a 时，装置系统压降不超过0 2 m p a 6 s ，可认为测试装置合格，套管合格。 运行可靠性的定量指标是平均无故障工作时间。就试压装置而言，影响平 均无故障工作时间的主要因素是套管密封圈工作寿命。 ( 8 ) 可维护性好 试压装置的可维护性主要表现在密封圈更换快捷方便。 1 2 3 主要研究设计内容 ( 1 ) 套管密封新结构的研制 套管接箍外径及无螺纹管柱部分为轧制毛面，且检测压力又比较高，常规密 封方法难以胜任，必须设计一种全新的可靠的密封结构。这是试压设备研制的关 键。 ( 2 ) 油水气路系统及其控制 套管静水压检测流程包含2 0 多个工步。油、水、气路系统及其控制部分的 l o 上海交通大学工程硕士论文 任务就是在规定的单根检测时间内可靠地实现上述步骤。其中，水路设计好坏直 接影响密封圈工作条件，它对密封圈工作可靠性，以至整套设备运转可靠性有重 要的影响。 上海交通大学工程硕士论文 第二章强制径向密封头设计与研制 2 1 密封头的功能及设计参数 2 1 1 密封头的功能 ( 1 ) 可靠地密封套管两端，与套管形成封闭的试压腔。 密封头由定密封头总成和动密封头总成组成。定密封头固定在机体上，用于密封 套管丝扣端( 小端) ；动密封头由驱动机构驱动，密封套管接箍端。 ( 2 ) 提供注水，排气、增压卸压等工步的水、气流通道。 离心泵通过定密封头向套管注水。注水的同时，安装在定密封头外壳上面的排气 卸荷装置排除套管腔内存气，使乳化液充满套管内腔。加压时，排气卸荷装置 可靠地关闭阀口。卸压时，阀口开启，高压液流泄放。 ( 3 ) 承受试压产生的巨大静液力。 ( 4 ) 保护套管两端螺纹不受损伤。 ( 5 ) 动密封头带动套管前进或后退，使套管丝扣端进出定密封头。 2 1 2 设计性能参数 ( 1 ) 密封头耐压值：6 0 m p a 。 ( 2 ) 适应套管规格：5 1 ：。( 管体外径1 3 9 7 0 r a m ) 、7 ”( 管体外径1 7 7 8 0 r o d 成 品套管。 ( 3 ) 在压力6 0m p a 条件下，装置的试验压力下降值不超过0 2 m p a 6 s 2 2 密封头的结构设计 2 2 1 现有结构分析 ( 1 ) 对于国内通常采用的丝堵密封方式来说，两端丝堵就是密封头。这种套管检 测方法最大的缺陷是极易损伤套管内外螺纹。试压期间，数百吨轴向静液力作用 于两端接头螺纹。由于螺纹结构及加工误差的原因，一部分螺牙产生塑性变形。 另外，在拆卸管堵过程中，容易导致螺纹粘扣，拉毛。为了减轻由此带来的损失， 1 2 上海交通大学工程硕士论文 检测压力不得不成倍降低，一般只能用2 0 m p a 进行水压试验，不能满足高强度钢 管的要求。因为使用时的压力比试验压力高得多。管子的密封性不能得到保证。 像2 0 m p a 这样的压力，只能检查钢管的裂缝和气孔，对于丝扣的密封性试验，就 显得压力过低了。当试验1 4 6 x 1 0 毫米m 级强度的钢管时，压力2 0 m p a 在钢管上 产生的应力只能达到管体最小屈服点的2 0 。 ( 2 ) 从不太完整也不太清晰的资料图片卜3 看，德国1 3 0 m p a 水压试验机密封头采 用了径向密封方式密封套管两端外圆，但具体细节难以辩清。密封头性能好坏更 无从谈起。 2 2 2 强制径向密封头结构设计 为消除常规密封结构的弊端，设计了强制外径密封方案。如图2 2 1 所示： 密封圈与套管之间设计8 = 8 m m 初始间隙，以利套管端部进出。在密封腔液压力p 作用下，密封圈被迫沿径向收缩，封抱套管外圆。由图可见，检测过程中，密封 压力p 与套管腔压力p7 之间只有存在一定正压差p = p - p7 两腔才不致互 乳惦 ：密封夹壳体2 排气，卸荷阀3 弹簧侧板j 隔环6 密葑匿70 型圈8 丝扣圈9 导向套1 0 钩手”导桂i 套) 图2 - 1 密封头总成 f i g2 - it l l e 笛s e r n b l yo fs e a lh e a d 串，才能可靠密封。为彻底解决互串问题，密封腔和套管腔使用同种介质一乳化 液。 密封头由左侧的定密封头总成和右侧的动密封头总成组成。只须更换侧板、密封 1 3 上海交通大学工程硕士论文 圈总成、隔环、导向套及丝扣圈，该密封头就可分别检测5 。及7 两种套管 规格。密封头内部力求设计简洁，应避免形成盲腔及不利排气的不合理结构。 ( 1 ) 密封液腔密封头壳体、内外侧板、0 型橡胶密封圈、套管密封圈、隔圈等 共同围成密封液腔。 ( 2 ) 侧板 侧板外径与壳体配合公差取h 9 h 9 。这种配合虽然侧板容易拆换，但由于配 合公差及配合间隙较大，o 型橡胶密封圈在高压下易失效，故侧板密封槽内需加 尼龙隔环。 为方便用工装拆卸，外侧板上还设计了两m 1 6 盲孔螺纹。 与套管密封圈接触的内外侧板表面镀铬，以改善密封圈工作条件。 ( 3 ) 隔环 隔环的作用是为密封圈提供宽度及直径合适的“容身 空间，保证密封圈密 封可靠，恢复容易。 ( 4 ) 导向套 导向套有两种，接箍端导向套和外丝扣端导向套。丝扣端导向套镶有铜环， 以防止试压过程中套管丝扣端部损伤。导向套作用有三： 1 套管端部导向。 2 方便拆卸内侧板( 导向套球形头部设计了两个m 1 6 螺纹孔) 。 3 接箍端导向套与弹簧配合，可将套管接箍端从动密封头内强制推出，这在密 封圈可能恢复不太好的情况下具有特殊意义。 ( 5 ) 丝扣圈 丝扣圈螺纹在试压期间承受很大的轴向力。 为拆卸方便，丝扣螺纹可做成双头。 丝扣圈内孔设计成锥状，为套管端部导向。 ( 6 ) 密封圈结构 为保证套管端部顺利进入试压头，密封圈与套管端部外圆间有足够的间隙 6 。密封圈的结构设计( 图2 - 2 ) 主要考虑避免在高压作用下密封圈挤进无压侧 间隙6 中。为此采取如下措施：密封圈内置十个扇形挡块( 图2 - 3 b ) 分别用 1 4 上海交通大学工程硕士论文 0 鲁“4 t | 匕_ 毫 目 - 1 卜。 l u 、 1 扇形挡块2 镑3 带凸缘扇形片密封圈 图2 - 2 密封圈总成 f i g2 - 2t h ea s s e m b l yo fs e a lr i n g 销子与密封圈体相联。加密或解密时， 这些扇形块聚拢后形成一完整矩形环， 扇形挡块随同密封圈径向移动。理论上， 矩形环小径与被密封的套管直径相吻合， 阐 级 。互- 皇蔑铬 b 未碧垮遵 溉 口 y 口 ；移 i 雾曩鹱 图2 - 3 密封圈总成分解图 f i g2 - 3d i s a s s c 疆n b l yo fs e p a lr i n g 扇形挡块间无缝隙。实际上，这些扇形挡块是由完整的矩形环沿径向剖切而成， 而剖切工具总是有一定厚度的。这样，扇形块聚拢后各扇块之间必然留有刀具 1 5 上海交通大学工程硕士论文 缝隙，在高压作用下密封材料必然挤进这些缝隙，导致恢复困难。为此，在每个 缝隙处设一外侧带凸缘的扇形板( 图2 - 3 c ) 挡住此缝隙。扇块材料最好用轻金 属材料( 如铝合金) 制造。 图2 - 3 a 密封圈体无压侧内孔边缘设计了比较大的斜角。此斜角的作用是： 1 防止密封部位憋气。 2 防止收缩过程中，边缘挤进挡块与套管之间。 另外，有压侧内孔边缘( 唇部) 必须保持锐角。这样，预密封时，唇部变形 呈图2 - 4 所示的形状。试压过程中，此处起到一定的自封作用。 由此可见，该密封圈的密封机理是：强制密封和自密封双重作用。 图2 - 4 密封圈受力变形 f i g2 - 4s e a lr i n gd i s t o r t i n gu n d e rt h ep r e s s u r e ( 7 ) 密封头壳体 1 工作时，壳体承受6 0 m p a 内压。 2 采用铸钢件代替锻件，以降低成本。由于壳体承受很高的压力，内部不允许 存在铸造缺陷，这对材料强度，铸造质量提出了较高要求。铸造材料可选用中碳 铸钢z g 3 1 0 - 5 7 0 ，各处壁厚尽量均匀。 3 为防止泄漏，密封头导柱( 或导管) 与壳体连接没有采用焊接结构而是采取 0 形圈密封措施，以改善壳体制造工艺性。 ( 8 ) 钩手 1 6 上海交通大学工程硕士论文 1 铸头2 弹簧3 导白犍套蔺5 丝扣盖 图2 - 5 钩手 f i g2 - 5t h ea s s e m b l yo f h o o k 钩手固定在动密封头壳体前端部，动密封头后退时钩头可钩住套管接箍，使 套管外丝扣端从静密封头内抽出。 钩头设计成带斜度且能伸缩，是为了方便套管接箍进入动头。钩头斜面与立 面夹角应大于钢一钢摩擦角。 安装钩手时，应保证钩头尖部与动头前端距离d ( 见图2 - 2 - 1 ) = 接箍长度+ ( 1 2 0 1 6 0 r a m ) 。 ( 9 ) 密封余量h 值确定( 见图2 - 1 ) 此值由动密封头最大退缩量决定。采用液缸驱动动密封头，需考虑增压过程 中，因活塞腔封闭油液压缩引起的活塞杆及密封头的回退量。收缩量越大，则密 封余量h 应设计得越大。 排气卸荷阀( 见图2 6 ) 1 外套2 活塞3 锥芯4 中间套5 杯状盖 图2 - 6 卸荷阀 f i g2 - 6r e l e a s ev a l v e 1 功能注水时充当放气通道，卸荷时提供高压水排放通道，增压时封闭通道。 1 7 上海交通大学工程硕士论文 2 结构特点 这是一种水气双介质控制阀。由上，中、下三腔组成。由活塞隔开的上腔、中腔 接三位五通换向阀，上腔进气则中腔排气，中腔进气则上腔排气。下腔与水路相 接，杯状体上的细长阻尼孔控制卸压和排气速度快慢。 上腔进气则阻尼阀口被锥芯关闭，此时系统增压或保压；下腔进气则阻尼阀 口被打开，此时系统排气或高压卸荷。 锥芯中心线与阻尼阀口中心线应保持较高的同轴度，以保证阻尼阀口在高压 下密封可靠。 2 2 3 动密封头运动方式 动密封头总成质量达5 0 0 k g ，由液压缸悬空驱动是不可想象的，必须为之设 计行走机构。行走机构类型很多，各有优缺。根据滚动轴承原理设计图1 - 2 所 示滚珠轨道。 滚珠轨道结构类似展开的带弹夹的滚珠轴承。如将固定在机架上的轨道比作 展开的滚动轴承的外圈，则动密封头就是展开的轴承内圈的一部分。动密封头和 弹子相对纯滚动。 弹夹上均匀分布数个4 7 m m 圆孔，用于安放、限定相同数量的直径 5 0 8 m m 弹子。 弹夹长度按密封头行程长度的0 5 倍设计。 2 2 4 密封头的调整 调节顶丝1 ，2 ，3 ( 图1 - 2 ) 可对动密封头的移动方向进行全方位调整，十 分方便。 2 2 5 密封圈更换 密封圈更换步骤：旋卸丝扣圈一拆外侧板一更换密封圈。侧板拆卸方法见 图2 7 。该方法特点是，靠自身动力拆卸，快捷方便。 1 8 上海交通大学工程硕士论文 a 更换静头客葑圈 b 更换动头密封圈 1 ， 侧板2 拉拔工具3 棕绳 图2 - 7 密封圈更换方法 f i g2 - 7t h em e t h o do f r e p l a c i n gs e a lr i n g 2 3 密封材料选择 密封的本质在于阻止密封空间与周围介质之间的质量交换。密封件对密封介 质应具有不渗透性，并能添充接触间隙，以及使密封摩擦副紧密接触，维持恒定 的密封接触压力。要消除或减小密封介质的泄漏，最主要的是密封能够填充连接 处的间隙。理想的密封材料应具有较高的流变性 ，即近于液体的流动性。另一 方面由于材料的流变性，在介质压力及其它外界因素的作用下常常不易保证密封 的稳定性。为了承受密封介质压力，密封件应当具有固体的性能，即应具有足够 的刚度，有保持一定的形状及阻止变形的能力。因此，理想的密封应同时兼具液 体和固体的性能。 由接触密封材料导致密封能力下降的主要缺陷是蠕变，即材料的塑性变形随时 间而增大。在介质作用下密封材料的蠕变会加剧。 与金属不同，高分子材料会产生体积蠕变一在恒定应力作用下，体积随时间 而减小 。 1 9 上海交通大学工程硕士论文 2 3 1 套管密封材料的性能要求 上面论述了什么是理想密封材料。实际中，理想密封材料难以技术实现，有时不 得不放弃变形一强度最佳准则。根据现有材料技术，对套管密封材料的性能要求 如下： ( 1 ) 回弹性 回弹性是指变形应力解除以后迅速恢复其原状的程度。密封件内孔与套管外 圆之间有8 m m 左右初始间隙，且密封件侧面挂装金属挡块。密封压力解除后，要 求密封圈克服重力、摩擦力自行恢复，因此，密封圈应具较好的回弹性。 ( 2 ) 压缩强度 试压过程中，密封件承受近6 0 m p a 的水压作用，这对密封件抗三向挤压强度 提出了较高的要求 ( 3 ) 耐磨性 如用液缸驱动动密封头，高压时，由于液缸回缩( 尽管回缩量很小) ，必然 引起密封圈与套管间滑动磨擦，所以，密封圈耐磨性要好。 ( 4 ) 耐水耐油性 为满足试压设备防腐要求，套管试压所用介质一般是低浓度乳化液。因此密 封元件须有较好的的耐水耐油性。 2 3 2 材料远择 聚胺酯弹性体( t p u ) 综合性能出众，兼备了从塑料到橡胶的许多宝贵特性 。 ( 1 ) 硬度范围宽 硬度一般用邵尔a 型和邵尔d 型硬度计测定，邵尔a 用于较软的t p u ( 聚胺 酯弹性体简称) ，邵尔d 用于较硬的t p u 。t p u 硬度与许多性能有关，随硬度的增 加，拉伸模量和撕裂强度增加，刚性和压缩应力增加。而且在高硬度下仍具有良 好的橡胶弹性和伸长率。调整不同的配方，可得邵尔硬度h s 2 0 a - 8 0 d ，甚至更 高。图2 8 示出弹性模量e 与聚胺酯橡胶硬度的关系仰( 材料：c k y - 7 h ) 上海交通大学工程硕士论文 | | 1 | f 2 | | y，5 7 z 3 夕 多 ，一一多 二二， 聚氨酯橡胶硬度h s ( a ) 压缩变形量为l o ；2 一压缩变形量为2 0 ；3 一压缩变形量为3 0 图2 - 8 弹性模量e 与聚胺酯橡胶硬度的关系 f i g2 - 8t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em o d u l u so fe l a s t i c i t ya n dt h eh a r d n e s so ft p u 邵氏硬度简介凹邵氏( s h o r e ) 硬度计是用类似针状的压痕器，以穿透试样的方法测 量硬度值对于高分子材料最常用的是肖氏a 型和d 型硬度计其工作原理类似于巴科尔试 验，即硬度计压在试样表面上，直到达到限位环这种弹簧加载压痕器，压限最大为o 1 0 0 弹簧加力压痕器压入材料时，通过水平转换系统将穿透深度传递到读数刻度盘上，刻度 盘从o 到1 0 0 分度。两种邵氏硬度计其弹簧力和压痕器几何尺寸不同，测量读数应在固定间 隔时间后进行，通常用1 0 秒 邵氏a 型适用于软的材料，d 型适用于硬或较硬的材料a 型测定材料硬度值超过9 5 ( 满量程的9 5 ) 时，应改d 型。用d 型测定材料硬度值超过9 5 ( 满量程的9 5 ) 时，则 应改用布氏或洛氏硬度试验进行测定。 在进行邵氏硬度试验时，首