一種測試水下金屬密封墊環(huán)預(yù)緊力的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及海洋石油鉆采裝備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種測試水下金屬密封墊環(huán)預(yù)緊力的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬密封墊環(huán)廣泛應(yīng)用于海洋水下承受內(nèi)壓較高設(shè)備之間的連接與密封，如水下井口頭、水下采油樹及液壓連接器等水下鉆采設(shè)備中。金屬密封墊環(huán)的密封通徑可達476.25mm(18 3/4”)，額定工作壓力最高達105MP8 (15000psi)，密封預(yù)緊力高達33.75X 106N。
[0003]由于海洋水下鉆采設(shè)備長期工作在水下，造成了金屬密封墊環(huán)使用環(huán)境和受力狀況非常惡劣，除了承受風(fēng)、浪、流、水深等環(huán)境氣候的影響，還要受平臺偏移、平臺顛簸、克服自身重力等各種外界載荷影響，加之工作壓力又非常高，又受到海水安全與技術(shù)規(guī)范條款的約束等，使其必須具有非常高的可靠性和適應(yīng)性。
[0004]為了確保海洋水下鉆采設(shè)備在深水海洋環(huán)境下安全使用，保證金屬密封墊環(huán)在極端惡劣環(huán)境下不會因為各種作業(yè)載荷而導(dǎo)致墊環(huán)密封失效，必須為金屬密封墊環(huán)提供充足的密封預(yù)緊力，以確保金屬密封墊環(huán)在彎曲、拉伸等工況下?lián)碛辛己玫拿芊庑Ч?br>[0005]由于金屬密封墊環(huán)位于封閉的連接設(shè)備之間，利用預(yù)緊力擠壓錐面密封，預(yù)緊力的大小直接決定密封的效果和金屬密封墊環(huán)的使用壽命，且密封壓力又高，不能直接觀測，而理論計算又存在很多優(yōu)化和簡化等問題，其計算結(jié)果有待實踐檢驗；因此如何簡單、有效地測試和提供金屬密封墊環(huán)的密封預(yù)緊力是本專利解決的主要問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種測試水下金屬密封墊環(huán)預(yù)緊力的方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中在實驗過程中，不能直觀、有效地測量和提供金屬密封墊環(huán)預(yù)緊力和壓縮量的問題。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種測試水下金屬密封墊環(huán)預(yù)緊力的方法，按照以下步驟實施:
[0008]步驟1、設(shè)定參數(shù)
[0009]1.1)將金屬密封墊環(huán)所要求的密封內(nèi)壓P劃分為若干級，即P1、P2、P3、…、Pn ；
[0010]1.2)設(shè)定預(yù)緊力F，預(yù)緊力F需滿足兩個條件:第一，預(yù)緊力F須大于內(nèi)壓P產(chǎn)生的軸向反作用力；第二，預(yù)緊力F施加于密封面的接觸應(yīng)力不得大于金屬密封墊環(huán)的屈服強度，
[0011]即有:PXb< F < O Xs/sin Θ，(I)
[0012]其中，P是密封內(nèi)壓，單位是MPa，
[0013]a是活塞3的外圓面積，單位是mm2，
[0014]b是密封內(nèi)壓作用在金屬密封墊環(huán)上的軸向面積，單位是mm2，
[0015]F是預(yù)緊力，單位是N，
[0016]σ是金屬密封墊環(huán)屈服強度，單位是MPa，
[0017]s是密封面接觸面積，單位是mm2，
[0018]Θ是金屬密封墊環(huán)錐面角；
[0019]試驗時預(yù)先設(shè)定預(yù)緊力F大于軸向作用力PXb，并根據(jù)密封情況增減預(yù)緊力，記作AF ;預(yù)緊力F對應(yīng)不同的密封壓力P分別記作F1、F2、F3、…、Fn，
[0020]在預(yù)緊腔X內(nèi)施加的液壓壓力是F/a，根據(jù)需要實時調(diào)節(jié)；
[0021]1.3)壓縮量ΔΗ通過測量及公式⑵計算得出:
[0022]Δ H = Η0-Η，(2)
[0023]其中，Δ H是金屬密封墊環(huán)的壓縮量，單位是mm ;
[0024]HO是測試桿的原始伸長量，單位是mm ;
[0025]H是預(yù)緊力施加后測試桿的伸長量，單位是mm，
[0026]ΔΗ、Η與預(yù)緊力F——對應(yīng)，分別記作ΔΗ 1、ΔΗ 2、ΔΗ 3、…、ΔΗη;Η 1、Η 2、H 3、”.、Η η ；
[0027]1.4)建立金屬密封墊環(huán)的密封內(nèi)壓P、預(yù)緊力F和壓縮量Δ H之間的對應(yīng)關(guān)系；
[0028]步驟2、按照金屬密封墊環(huán)所劃分的級數(shù)，從低到高逐一進行測試，得到在不同內(nèi)壓P作用下金屬密封墊環(huán)所需的基本預(yù)緊力F，操作步驟如下；
[0029]2.1)選取內(nèi)壓Ρ1，設(shè)定預(yù)緊力Fl JDFl = 1.5Ρ1 Xb，測量、記錄原始伸長量HO ;
[0030]2.2)通過液壓口向預(yù)緊腔X內(nèi)注入液壓，通過活塞對金屬密封墊環(huán)施加預(yù)緊力F1，使得金屬密封墊環(huán)的兩側(cè)密封面發(fā)生擠壓、變形、建立密封，然后從內(nèi)壓口注水、打壓，當壓力到達Pl后進行穩(wěn)壓；
[0031]如在注水和打壓過程中，滲漏口有水滲漏，則說明預(yù)緊力Fl不夠，須立即中止試驗，卸掉載荷，并增加預(yù)緊力△ F，預(yù)緊力為(Fl+AF)，再按步驟2.2)重新進行試驗。
[0032]2.3)如穩(wěn)壓期間有滲漏，檢測到密封腔壓力下降，滲漏口有水滲漏，則說明預(yù)緊力Fl過小，須中止試驗，卸掉載荷，增加預(yù)緊力Λ F，預(yù)緊力為(Fl+ Δ F)，再按步驟2.2)重新進行試驗；
[0033]如穩(wěn)壓期間無滲漏，則說明試驗狀態(tài)良好，此時的預(yù)緊力(F1+AF)即為密封壓力Pl所需的基本預(yù)緊力，記錄試驗數(shù)據(jù)PU (Fl+Λ F)、Hl ；
[0034]如穩(wěn)壓期間還有滲漏，則繼續(xù)增加預(yù)緊力AF，預(yù)緊力為(F1+2AF)，再按步驟2.2)重新進行試驗，如此循環(huán)，直至試驗狀態(tài)良好，內(nèi)壓P不再泄漏，并記錄試驗數(shù)據(jù)；
[0035]2.4)如穩(wěn)壓期間無滲漏，則記錄試驗數(shù)據(jù)Ρ1、Fl、Hl，然后卸載；
[0036]但不排除預(yù)緊力過大的可能，因此須減小預(yù)緊力Λ F，預(yù)緊力為(Fl-Λ F)，再按步驟2.2)重新進行試驗，如穩(wěn)壓期間有滲漏，檢測到密封腔壓力下降，滲漏口有水滲漏，則前次試驗是成功的，前次試驗的預(yù)緊力Fl即為內(nèi)壓Pl所需的基本預(yù)緊力，并記錄試驗數(shù)據(jù)PUFUHl ；
[0037]如穩(wěn)壓期間無滲漏，則繼續(xù)減小預(yù)緊力AF，預(yù)緊力為$1_2八的，再按步驟2.2)重新進行試驗，如此循環(huán)，直至內(nèi)壓P發(fā)生泄漏，并記錄前次試驗數(shù)據(jù)；
[0038]2.5)完成密封壓力Pl的預(yù)緊力測試后，按照上述步驟依次進行Ρ2、Ρ3、…、Pn的預(yù)緊力測試，并記錄試驗數(shù)據(jù)，即成。
[0039]本發(fā)明的測試水下金屬密封墊環(huán)預(yù)緊力的方法，其特點還在于，
[0040]利用一種測試裝置，該測試裝置的結(jié)構(gòu)是:包括外筒，在外筒的上下端口分別設(shè)置有上端蓋和下端蓋，上端蓋軸心設(shè)置有測試桿的安裝孔，上端蓋沿軸向另外設(shè)置有液壓口，下端蓋中設(shè)置有內(nèi)壓口和滲漏口，在上端蓋和下端蓋之間的外筒內(nèi)壁套裝有活塞，活塞下端沿與下端蓋上端沿之間設(shè)置有承載環(huán)，承載環(huán)內(nèi)圓套裝有金屬密封墊環(huán)，金屬密封墊環(huán)分別與活塞下端沿與下端蓋上端沿的錐面密封接觸；活塞上表面軸心安裝有測試桿，測試桿向上穿出上端蓋的安裝孔，活塞向上與上端蓋之間形成了預(yù)緊腔X，活塞向下與下端蓋之間形成了內(nèi)壓腔Y。
[0041]上端蓋安裝孔內(nèi)設(shè)有密封件；上端蓋、活塞、下端蓋與外筒內(nèi)壁分別設(shè)置有密封件。
[0042]本發(fā)明的有益效果是，設(shè)置有預(yù)緊腔、內(nèi)壓腔、滲漏口和測試桿，分別用于施加預(yù)緊力、打入內(nèi)壓、判斷密封效果和測量壓縮量，通過施加預(yù)緊力一建立密封一打入內(nèi)壓一判斷密封效果一修正預(yù)緊力的循環(huán)方法測試預(yù)緊力和壓縮量，以確立金屬密封墊環(huán)在不同工作壓力下所需的基本預(yù)緊力，并建立金屬密封墊環(huán)的密封內(nèi)壓與預(yù)緊力和壓縮量之間的對應(yīng)關(guān)系；預(yù)緊力可實時調(diào)節(jié)，內(nèi)壓也可劃分為若干等級，并根據(jù)金屬密封墊環(huán)的密封效果確立工作內(nèi)壓與預(yù)緊力和壓縮量之間的對應(yīng)關(guān)系。
[0043]該方法操作方便、快捷，能夠直觀、有效地測量金屬密封墊環(huán)的預(yù)緊力和壓縮量；該方法還可用于研宄海洋水下設(shè)備之間金屬密封墊環(huán)的連接、擠壓、變形、密封等問題。
【附圖說明】
[0044]圖1是本發(fā)明方法采用的測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖2是圖1中的I處結(jié)構(gòu)放大示意圖；
[0046]圖3是本發(fā)明方法的預(yù)緊力測試操作流程示意圖。
[0047]圖中，1.測試桿；2.上端蓋；3.活塞；4.金屬密封墊環(huán)；5.承載環(huán)；6.下端蓋；7.外筒，8.液壓口 ；9.內(nèi)壓口 ；10.滲漏口 ；
[0048]另外，F(xiàn)是預(yù)緊力；H是預(yù)緊力F施加后測試桿伸長量；X是預(yù)緊腔；Y是內(nèi)壓腔，a是活塞3的外圓面積；b是密封內(nèi)壓作用在金屬密封墊環(huán)4上的軸向面積；Θ密封面錐面角；S是密封面接觸面積。
【具體實施方式】
[0049]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細說明。
[0050]參照圖1、圖2，本發(fā)明方法采用的測試裝置結(jié)構(gòu)是，包括外筒7，在外筒7的上下端口分別設(shè)置有上端蓋2和下端蓋6，上端蓋2軸心設(shè)置有測試桿I的安裝孔，上端蓋2沿軸向另外設(shè)置有液壓口 8，下端蓋6中設(shè)置有內(nèi)壓口 9和滲漏口 10，在上端蓋2和下端蓋6之間的外筒7內(nèi)壁套裝有活塞3，活塞3下端沿與下端蓋6上端沿之間設(shè)置有承載環(huán)5，承載環(huán)5內(nèi)圓套裝有金屬密封墊環(huán)4，金屬密封墊環(huán)4分別與活塞3下端沿與下端蓋6上端沿的錐面密封接觸，上下密封面接觸面積均為S，上下密封面與豎直方向的夾角均為Θ ;活塞3上表面軸心安裝有測試桿1，測試桿I向上穿出上端蓋2的安裝孔，活塞3向上與上端蓋2之間形成了預(yù)緊腔X，活塞3向下與下端蓋6之間形成了內(nèi)壓腔Y，預(yù)緊腔X用于施加預(yù)緊力，內(nèi)壓腔Y用于打入內(nèi)壓，測試桿I用于測試金屬密封墊環(huán)4的壓縮量；
[0051]上端蓋2安裝孔內(nèi)設(shè)有密封件；上端蓋2、活塞3、下端蓋6與外筒7內(nèi)壁分別設(shè)置有密封件。
[0052]本發(fā)明的方法，利用上述的測試裝置，通過施加預(yù)緊力一建立密封一打入內(nèi)壓一判斷密封效果一修正預(yù)緊力的循環(huán)方式測試金屬密封墊環(huán)4的預(yù)緊力和壓縮量，按照以下步驟實施:
[0053]步驟1、設(shè)定參數(shù)
[0054]1.1)將金屬密封墊環(huán)4所設(shè)計要求的密封內(nèi)壓P劃分為若干級，即P1、P2、P3、...、Pn ；
[0055]1.2)設(shè)定預(yù)緊力F，預(yù)緊力F需滿足兩個條件:第一，預(yù)緊力F須大于內(nèi)壓P產(chǎn)生的軸向反作用力，確保金屬密封墊環(huán)4有預(yù)緊力存在；第二，預(yù)緊力F施加于密封面的接觸應(yīng)力不得大于金屬密封墊環(huán)4的屈服強度，以免破壞金屬密封墊環(huán)4的彈性變形，影響使用壽命，
[0056]即有:PXb< F < σ Xs/sin Θ，(I)<