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1、油管挂环空金属密封制造的技术0引言水下采油树作为海洋油气开采过程中的关键油气生产控制设备,是位于海底井口顶端开口处的一个系统组件,它提供了一系列用于原油生产、控制、测试及维修的通道和各种用来测量和维修的阀门。水下采油树油管挂环空金属密封是位于油管挂与树本体的环形空间内的一道关键密封,其密封介质是从海底地层开采出的具有高温、高压及高腐蚀性的原油(气),恶劣的工况条件对密封件的性能提出了很高的要求,其核心制造技术长期被国外垄断,我国一直依赖进口。因此,作为水下采油树关键密封件,有必要对其进行研发制造。1油管挂环空金属密封设计原理及结构水下采油树在油管挂与树本体之间存在环形间隙空间(环空),当生
2、产油气介质水平生产出口时,必须防止流体从环形间隙空间泄漏出去,因而在水平生产出口的两侧分别设计了一道双U型金属弹性密封件作为主密封,如图1所示。油管挂双U型弹性金属密封原理如图2所示,其密封原理是利用金属弹性在介质压力作用下产生弹性形变,使之与密封配合面达到紧密贴合,从而实现压力自紧密封。2油管挂环空双U型金属密封的设计要求设计上油管挂双U型金属密封为油管挂与树本体之间的环空主密封,其密封技术参数及要求如下:工作压力为10000psi;试验压力为15000psi;产品API规范等级为PSL3/3G;性能测试为PR2。要实现以上设计性能,对密封件材料的熔炼组织和热处理工艺、密封件的成形加工工
3、艺、表面处理工艺等提出了以下要求:(1)油管挂环空金属密封材料须有良好的弹性及疲劳强度;(2)油管挂环空金属密封材料既能耐高低温又能耐原油介质腐蚀,同时能实现高压可靠密封。3油管挂环空双U型金属密封的制造技术方案3.1油管挂环空双U型金属密封的材料选择(1)考虑到油管挂双U型金属密封的耐腐性,成形加工性能及金属弹性要求,设计采用镍基合金IN-CONEL718作为密封件的材质。(2)INCONEL718合金是含铌、钼的沉淀硬化型镍铬铁合金,在700℃时具有高强度、良好的韧性以及在高低温环境均具有耐腐蚀性,供货状态通常是固溶处理后沉淀硬化态。(3)INCONEL718合金具有良好的耐腐蚀性,易
4、成形加工性能,经过有效的冶炼工艺及热处理工艺,INCONEL718合金可获得良好的细晶粒组织及弹性性能。3.2油管挂环空双U型金属密封制造工艺流程油管挂环空双U型金属密封的工艺流程如图3所示:3.3油管挂环空双U型金属密封制造关键工艺(1)毛胚材料的熔炼、锻造及热处理工艺。(2)双U形密封件的成形加工工艺。(3)密封件的表面镀银处理工艺。4油管挂环空双U型金属密封的制造工艺措施4.1毛胚材料的熔炼、锻造及热处理(1)从设计原理上考虑,油管挂双U型金属密封属于金属弹性密封,因此要求密封件的材料具有细密的晶粒组织,良好的综合机械性能及弹性性能。(2)在冶炼工艺方面,为获得更纯净化的钢水,减低气
5、体含量与有害元素含量,通常采用真空感应炉熔炼,甚至用真空感应冶炼加真空自耗炉或电渣炉重熔方式进行生产。锻造、轧制工艺是为了优化微观组织;热处理工艺包括固溶处理、中间处理和时效处理,是为了获得所要求的组织状态和[1][2][3]下一页良好的综合机械性能。(3)通常INCONEL718会使用以下两种热处理:1)加热到926℃~1010℃,水中快速冷却至室温,然后升温至718℃保持8h,炉内冷致函至621℃,在621℃保持18h作为时效处理,随后在空气中冷却至室温;2)加热到1037℃~1065℃,水中快速冷却至室温,然后升温至760℃保持10h,炉内冷至648℃,在649℃保持20h作为时效处
6、理,随后在空气中冷却至室温。4.2油管挂环空双U型金属密封件的机械加工4.2.1油管挂环空双U型金属密封件的机械加工技术难点油管挂环空双U型金属密封件,其加工难点在于:(1)材质INCONEL718的机加工易引起刀具的严重磨损。(2)油管挂环空双U型金属密封零件的整体刚性小,不仅在用工装夹持时容易产生夹持变形,切削加工时切削力也会引起工件弹性变形,影响尺寸精度。4.2.2油管挂环空双U型金属密封件的机械加工措施(1)改善刀具磨损的工艺措施1)为解决镍基合金机加工的刀具磨损问题,可采用最新发展的气相沉积技术,对传统的硬质刀具进行涂层改性。研究表明,通过对硬质刀具进行(Al/Ti)N-PVD复
7、合涂层以及PVD纳米涂层改性,使刀具具有更好的耐磨性能、抗氧化性、化学稳定性及热稳定性,从而显着提高了刀具的使用寿命及工件的加工质量。2)新型的PVD复合涂层及纳米涂层改性技术的优势在于:(a)新型的气相沉积复合涂层及纳米涂层与刀具有很强的结合强度;(b)新型的气相沉积复合涂层及纳米涂层改善了刀具的热传导性能;(c)新型的气相沉积复合涂层及纳米涂层不仅提高了刀具切削刃的硬度,增强了抗氧化性,同时还降低了其与被切削金属的亲
