水下采油树油管悬挂器K形金属密封环密封性能模拟分析＊

秦 桦 安 晨 徐 健 段梦兰 叶天源 李 华

（1．中国石油大学（北京）海洋工程研究院 北京 102249； 2．重庆前卫海洋石油工程设备有限责任公司 重庆 401121；3．重庆前卫科技集团 重庆 401121）

水下采油树油管悬挂器K形金属密封环密封性能模拟分析＊

秦 桦1安 晨1徐 健1段梦兰1叶天源2李 华3

（1．中国石油大学（北京）海洋工程研究院 北京 102249； 2．重庆前卫海洋石油工程设备有限责任公司 重庆 401121；3．重庆前卫科技集团 重庆 401121）

水下采油树油管悬挂器的密封性能直接关系到水下采油树工作的可靠性，密封一旦失效，将会导致生产通道中的原油及生产过程中注入的化学试剂发生泄漏，造成环境污染。本文利用ABAQUS软件建立了真实工况下（最大水深1 500 m，压力等级69 MPa，温度等级180℃）水下采油树油管悬挂器K形金属密封环的有限元模型，分析了不同初始过盈量、工作压力和工作温度对金属密封环最大Mises应力和最大接触应力的影响。分析结果表明，K形金属密封环的最大Mises应力和两侧的最大接触应力随着工作压力的增加而增加，最大Mises应力和外侧的最大接触应力随着过盈量的增大而减小，内侧的最大接触应力则随着过盈量的增大而增大，而工作温度对其影响不大。在不同工作温度和过盈量一定的条件下，当工作压强小于40 MPa时，K形金属密封环两侧的最大接触应力均超过介质压力的2～3倍，而当工作压强大于40 MPa时，K形金属密封环外侧的最大接触应力超过介质压力的10倍，因此K形金属密封环在各种工况下均能满足密封准则，能对油管挂形成良好的密封。本文研究结果对水下采油树油管悬挂器的密封设计有一定的指导意义。

水下采油树；油管悬挂器；K形金属密封环；密封性能；有限元分析；过盈量；工作压强；工作温度；Mises应力；接触应力

水下采油树密封是水下采油树工作中的关键问题，也是水下采油树研发的关键技术难点。水下采油树密封包括油管悬挂器与树体之间的密封、树体与顶部装置之间的密封等，其主要密封形式有VX钢圈密封、K形金属密封等。水下采油树油管悬挂器与树体之间的密封直接关系到水下采油树工作的可靠性，密封一旦失效，将会导致生产通道中的原油及生产过程中注入的化学试剂发生泄漏，造成环境污染。为保证油管悬挂器密封的可靠性，一般采用耐高温高压的K形金属密封，其两侧分别与树体和油管悬挂器建立了过盈接触而具有较好的预紧力和密封性能。Cao等［1］对水下井口金属密封结构进行了分析，提出了高安全性、高可靠性的密封设计。张凯 等［2］对比分析了Cameron、FMC等国外知名公司的水下油管悬挂器的技术，发现金属密封在油管悬挂器等水下装备中得到大量的使用。目前国内对于油管悬挂器采用金属密封的研究较少。李振涛［3］对水下 MEC密封进行了设计和分析，得出了较好的金属密封判定准则。张凯 等［4］对油管悬挂器密封进行了有限元分析，探讨了不同过盈量、工作压力和工作温度时的最大Mises应力及接触应力等的变化规律。彭粲粲 等［5］对K形金属密封环在预紧工况以及69 MPa介质压力的工作工况下进行了有限元分析，得出了其装配时最佳过盈量范围及对应的最大Mises应力、最大接触应力的分布情况，但因其有限元分析并未考虑实际的安装过程，因此分析结果存在一定缺陷。

目前国外对水下采油树油管悬挂器的密封实行专利保护和技术封锁，因此开展油管悬挂器的密封研究对实现水下采油树的国产化具有重要意义。针对液体的金属密封还没有统一的判据［6－10］，本文采用文献［3］建议的标准，即当密封面的接触应力大于密封介质（原油）压力的3倍时在理论上能形成良好的密封性能，利用ABAQUS软件对油管悬挂器K形金属密封性能进行有限元分析，针对所研究的水下采油树工作最大水深1 500 m、压力等级69 MPa、温度等级180℃的设计条件，根据ISO13628－4和API 17D等相应规范，研究不同初始过盈量、工作压力和工作温度对应的最大接触应力及Mises应力等的变化规律，从而判断K形金属密封环的密封性能，为水下采油树油管悬挂器密封结构的参数设计提供参考。

1 油管悬挂器密封结构

水下采油树按其油管悬挂器的安装方式可分为卧式采油树和立式采油树［11］，本文以卧式采油树为研究对象，其相关结构如图1所示，主要包括树体、油管悬挂器、密封环等。原油从井口头流入，经油管悬挂器，从油管悬挂器出油口流出。K形金属密封环分布于油管悬挂器出油口上下两侧，防止原油泄漏。图1中右侧放大图为K形金属密封环初始过盈量为0．2 mm时密封部分结构图和K形金属密封环的细节图。

图1 水下卧式采油树结构Fig．1 Structure of subsea horizontal christmas tree

2 K形金属密封环有限元模型建立及参数选取

2．1 有限元模型的建立

K形金属密封环与油管悬挂器之间采用过盈配合的安装形式，过盈配合的实现方式有热／冷装法和机械压装法，本文使用ABAQUS软件对K形金属密封环的机械过盈压装法装配过程进行模拟分析，分析过程如图2所示。从图2可以看出，安装过程中有2次机械过盈装配：一是推动K形金属密封环与油管悬挂器在过盈情况下沿着油管悬挂器的外表面向上运动，直至与上部挡环接触；二是推动采油树本体沿着K形金属密封环外侧表面向上过盈装配到一定位置。这2个过程符合实际安装工况，而文献［5］未考虑到这一点。考虑到油管悬挂器与树体之间的环空间隙尺寸比K形金属密封环的最大径向尺寸小0．3 mm，即两侧过盈量之和为0．3 mm，因此本文研究K形金属密封环和油管悬挂器之间的初始过盈量为0．1～0．3 mm。

图2 水下卧式采油数K形金属密封环安装分析过程Fig．2 Analysis process of K－type metal sealing ring installation in subsea horizontal christmas tree

考虑到结构的对称性，为简化分析，在ABAQUS模型中使用二维轴对称模型，主要研究对象为K形金属密封环，网格尺寸取0．1 mm，油管悬挂器和采油树树体网格尺寸取1 mm，上部挡块网格尺寸取0．5 mm，所有部件均使用非协调轴对称单元CAX4I来划分。K形金属密封环网格划分及载荷施加情况如图3所示。

图3 水下卧式采油树K形金属密封环网格模型和载荷模型Fig．3 Meshing and loading models of K－type metal sealing ring in subsea horizontal christmas tree

该模型中，油管悬挂器完全固定，通过控制K形金属密封环竖直方向的位移将其过盈安装到油管悬挂器上，因此只释放其竖直方向的自由度。通过控制采油树树体竖直方向的位移将其过盈安装到K形金属密封环上，同样只释放其竖直方向的自由度，而且上部挡环也是完全固定。安装过程中，上部挡环、油管悬挂器和树体分别约束K形金属密封环竖直方向和水平方向的运动。在安装工况下，采用位移加载方式控制K形金属密封环向上运动并过盈装配到油管悬挂器上；同样，采用位移加载方式控制树体向上运动与K形金属密封环建立过盈接触。在工作工况下，为分析不同温度和压强下K形金属密封环的密封性能，在K形金属密封环下部端面和下唇内侧施加10～69 MPa的工作压强和20～180℃的工作温度。

2．2 材料特性参数选取

由于K形金属密封环工作环境特殊，需要选用工作温度范围较大、屈服强度高、塑性较好并具有一定耐腐蚀性能的金属材料，才能满足其工作要求。本文中K形金属密封环选用镍基高温合金Inconel718材料，而油管悬挂器、树体等零件选用高强度钢Q345，分析中只考虑了K形金属密封环的热力学膨胀。不同部件的材料特性参数选取结果见表1。

表1 水下卧式采油树K形金属密封环及相关零件材料特性Table 1 Material properties of K－type metal sealing ring and relevant parts in subsea horizontal christmas tree

2．3 接触分析参数选取

接触问题是复杂的状态非线性问题，接触面之间的相互作用包含接触面间的法向作用和接触面间的切向作用。对于法向作用，ABAQUS中接触压力和间隙的默认关系是“硬接触”，即只有当2个表面之间的间隙变为0时才会施加约束。对于切向作用，ABAQUS中常用的摩擦模型为库仑摩擦和罚函数模型等。由于使用库仑模型模拟理想的摩擦行为可能会不收敛，因此在建模时使用允许粘结的接触面之间发生小量相对运动的罚摩擦公式，其中罚函数模型允许接触面有“弹性滑移”，这里使用罚函数的摩擦模型，定义摩擦因数为0．15。

分析中，K形金属密封环有3对接触，即密封圈内侧与油管悬挂器外侧接触、密封圈外侧与树体内侧接触以及密封圈上部与上部挡环接触。模拟时分别将油管悬挂器右侧表面、上部挡环下侧表面和采油树本体左侧表面作为主面，K形金属密封环相应的接触面作为从面。

3 K形金属密封环密封性能分析

3．1 安装前后密封性能分析

为确保K形金属密封环在水下能够正常工作，分别对其在安装工况下（即不考虑工作温度和工作压力时）和工作工况下（取工作压力30 MPa，工作温度20℃）所受应力情况进行了计算分析。图4a、b分别为安装工况下和工作工况下K形金属密封环与油管悬挂器之间的初始过盈量为0．2 mm时的Mises应力图和局部放大图。由图4a可看出，K形金属密封环在2次过盈装配后所受的最大 Mises应力为426 MPa，最大 Mises应力出现在K形金属密封环内侧圆环处且上下基本一致。由图4b可看出，在下侧施加温度和压力载荷后，最大Mises应力出现在K形金属密封环下部内侧处，最大值为501．2 MPa。由此可见，2种工况下K形金属密封环所受的最大Mises应力均小于材料的屈服极限，满足设计要求。

图5a、b分别为安装工况下和工作工况下K形金属密封环与油管悬挂器过盈量为0．2 mm时的内外两侧轮廓上的接触应力分布图。为了更好地说明在安装工况和工作工况下K形金属密封环两侧的接触应力沿轮廓的分布规律，提取图5数据结果，并将其进行对比分析，结果如图6所示。

图4 2种工况下水下卧式采油树K形密封环Mises应力及局部放大Fig．4 Mises stress distribution and its partial magnification of K－type metal sealing ring in subsea horizontal christmas tree under two different conditions

图5 2种工况下水下卧式采油树K形金属密封环两侧轮廓上的接触应力Fig．5 Contact stress distribution along the contour on both sides of K－type metal sealing ring in subsea horizontal christmas tree under two different conditions

图6 2种工况下水下卧式采油树K形密封环两侧的接触应力在轮廓上的分布Fig．6 Contact stress distribution of K－type metal sealing ring along the contour in subsea horizontal christmas tree under two different conditions

从图6中可以看出，2种工况下K形金属密封环两侧的接触应力沿轮廓的变化趋势基本相同，不同工况下K环的外侧接触应力曲线均在接触部位达到最大，曲线呈现峰值效应，其中工作工况下外侧最大接触应力值为289 MPa，大于介质压力的3倍，满足密封要求，这与K形金属密封环与树体之间只有较小的接触面积有关。不同工况下K形金属密封环的内侧接触应力曲线均在一定区域内有数值，并在该区域中表现出了一定的保持性（其内侧接触应力保持在30～50 MPa，约为介质压力的1～2倍），这与K形金属密封环内侧和油管悬挂器之间有较大的接触面积有关。考虑到左侧接触面较大且在实际情况下原油泄漏只发生在K形金属密封环外侧，因此在工作工况下K形金属密封环达到密封要求。从数值方面来看，不同工况下K形金属密封环外侧在接触区域的最大接触应力的差别比较大，而不同工况下K形金属密封环的内侧接触应力在接触区域的差别则较小，这与K形金属密封环外侧上下唇变形较大有关。另外，图6中4条曲线中间大部分区域与横坐标轴重合，表示K形金属密封环上下接触部位中间未接触的部位无接触应力。

实际接触面的密封效果好坏取决于最大接触应力，而且不同情况下接触应力沿轮廓分布规律基本相同，因此下面分析中只关注K形金属密封环两侧接触面上的最大接触应力，而不考虑其沿轮廓的分布。

3．2 初始过盈量对密封性能的影响

金属密封过盈量对密封性能有很大的影响。环境温度4℃、工作压力10 MPa、工作温度20℃条件下油管悬挂器在过盈量分别为0．10、0．15、0．20、0．25、0．30 mm时的最大 Mises应力分布和最大接触应力曲线如图7所示。K形金属密封环与油管悬挂器之间的初始过盈量增大时，K形金属密封环与树体之间的初始过盈量则相应减小。从图7可以看出，K形金属密封环内侧的最大接触应力随着过盈量的增大而增大，基本大于介质压力的3倍，满足密封要求；而K形金属密封环外侧的最大接触应力和最大Mises应力随过盈量的增大而减小，但其外侧的最大接触应力始终大于介质压力10倍以上，满足密封要求，而最大Mises应力始终小于材料的屈服极限，满足设计要求。分析认为，造成上述情况的主要原因是K形金属密封环的上下唇刚度较小，因此在树体的安装过程中容易导致K形金属密封环外侧有较大的应力，而当树体与K形金属密封环之间过盈量减小时则会减小其上下唇的变形，其受到的应力也会相应的减小。

图7 不同初始过盈量下水下卧式采油树K形金属密封环Mises应力和最大接触应力Fig．7 Maximum contact stress and Mises stress curves of K－type metal sealing ring in subsea horizontal christmas tree under different initial magnitude of interferences

3．3 工作温度对密封性能的影响

油管悬挂器的工作温度受到内部油液的影响会导致K形金属密封环发生径向膨胀，进一步增大与油管悬挂器之间的过盈量，进而增大接触应力和Mises应力，因此有必要分析不同工作温度下K形金属密封环所受的应力。图8为K形金属密封环在过盈量分别为0．1、0．2 mm时，环境温度为4℃，工作压力为10 MPa，工作温度分别为20、60、100、140、180℃下的最大接触应力。

图8 不同工作温度下水下卧式采油树K形金属密封环内外侧的最大接触应力（过盈量为0．1、0．2 mm）Fig．8 Maximum contact stress curves on both sides of K－type metal sealing ring in subsea horizontal christmas tree under different working temperatures（interference are 0．1 mm and 0．2 mm）

由图8可知，随着工作温度的升高，K形金属密封环内外侧的最大接触应力逐渐增大，但是增加幅度较小。当过盈量为0．1 mm时，K形金属密封环内侧的最大接触应力保持在45 MPa左右，外侧的最大接触应力维持在225 MPa左右，树体和K形金属密封环之间的过盈量较大；当过盈量为0．2 mm时，K形金属密封环内侧的最大接触应力保持在45 MPa左右，外侧的最大接触应力维持在136 MPa上下。图8中的曲线说明，相同过盈量下K形金属密封环的最大接触应力随温度的升高而增大，但是影响较小，内外侧最大接触应力均超过介质压力的4倍，说明无论温度怎么变化，K形金属密封环均有较好的密封性能。

3．4 工作压力对密封性能的影响

在工作工况下，K形金属密封圈底部受到的压力最大为69 MPa。图9为K形金属密封环在过盈量分别为0．1、0．2 mm 时，工作温度为20 ℃，环境温度为4℃，工作压力分别为10、20、30、40、50、60、69 MPa下的最大Mises应力和内外侧最大接触应力。图9可以看出，K形金属密封环在不同过盈量时，不同工作压强下Mises应力和内外侧最大接触应力变化趋势基本相同，具体表现为：K形金属密封环最大Mises应力随着工作压强的增大而增大，且小于材料的屈服应力，满足设计使用要求；K形金属密封环内外侧的最大接触应力基本随工作压强的增大而呈线性增加，其中内侧最大接触压力约为介质压力的1～2倍，外侧最大接触压力约为介质压力的8～10倍，但是由于实际情况下泄漏发生在K形金属密封环外侧，因此在工作工况下K形金属密封环达到密封要求。可见，K形金属密封环在69 MPa压力等级下具有良好的密封效果。

图9 不同工作压强下水下卧式采油树K形金属密封环Mises应力和最大接触应力（过盈量为0．1、0．2 mm）Fig．9 Maximum contact stress and Mises stress curves of K－type metal sealing ring in subsea horizontal christmas tree under different working pressure（magnitude of interference are 0．1 mm and 0．2 mm）

4 结论

1）在工作压力和温度一定的条件下，随着过盈量的增大，水下卧式采油树K形金属密封环Mises应力和外侧的最大接触应力逐渐减小，而内侧的最大接触应力逐渐增大。

2）K形金属密封环最大接触应力随工作温度变化不大，且不同温度下K形金属密封环两侧的最大接触应力均大于介质压力的3倍，因此能实现较好的密封。

3）在温度和过盈量一定的条件下，K形金属密封环最大接触应力随工作压力的增大而增大，K形金属密封环内侧的最大接触压力约为介质压力的1～2倍，K形金属密封环外侧的最大接触压力约为介质压力的8～10倍，但是由于实际情况下泄漏发生在K形金属密封环外侧，因此K形金属密封环在69 MPa压力等级下具有良好的密封效果。

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Simulation analysis of sealing performance of the K－type metal sealing ring on subsea christmas tree tubing hanger

QIN Hua1AN Chen1XU Jian1DUAN Menglan1YE Tianyuan2LI Hua3
（1．Institute of Ocean Engineering Research，China University of Petroleum，Beijing102249，China；2．Chongqing Qianwei Offshore Petroleum Engineering ＆ Equipment Co．Ltd．，Chongqing401121，China；3．Chongqing Qianwei Science ＆ Technology Group，Chongqing401121，China）

The sealing performance of the K－type metal sealing ring on subsea christmas tree tubing hanger has great implications to the reliability of subsea christmas trees．Failures of the ring will lead to the leak－age of the crude oil in the production stream and the injected chemical reagents，causing environmental pollution．A finite element model for the performance of K－type metal sealing rings on subsea christmas tree tubing hanger under the practical working conditions（maximum water depth of 1 500 m，pressure grade of 69 MPa，temperature grade of 180℃）was developed with the software ABAQUS．Different initial interferences，working pressures and working temperatures are compared to analyze their influences on the maximum Mises stress and maximum contact stress of the ring．The results show that the maximum Mises stress and maximum contact stresses on both the outer and inner sides increases with the increase in the working pressure；but only the maximum contact stress on the inner side increases with the increase in the amount of interference，with the other two parameters decreases with it．The influence of working temperature on the stresses is insignificant．Under various working temperatures and a fixed amount of interference，when the working pressure is lower than40 MPa，the maximum contact stress on both sides of the ring is about two to three times of the medium pressure；when the working pressure is higher than 40 MPa，the maximum contact stress on the outer side of the ring is ten times of the medium pressure．Consequently the K－type metal sealing ring can meet the sealing requirements under different working conditions．The research result provides theoretical foundation for designing and fabricating K－type metal sealing rings on subsea christmas tree tubing hanger．

subsea christmas tree；tubing hanger；K－type metal sealing ring；sealing performance；finite element analysis；interferences；working pressure；working temperature；Mises stress；contact stress

TE952

A

秦桦，安晨，徐健，等．水下采油树油管悬挂器 K形金属密封环密封性能模拟分析［J］．中国海上油气，2017，29（5）：141－148．

QIN Hua，AN Chen，XU Jian，et al．Simulation analysis of sealing performance of the K－type metal sealing ring on subsea christmas tree tubing hanger［J］．China Offshore Oil and Gas，2017，29（5）：141－148．

1673－1506（2017）05－0141－08

10．11935／j．issn．1673－1506．2017．05．020

＊国家发展改革委2013海洋工程装备研发及产业化专项“水下采油树研发及产业化（编号：ZX20140095）”、国家重点研发计划项目“基于深水功能舱的全智能新一代水下生产系统关键技术研究（编号：2016YFC0303700）”部分研究成果。

秦桦，男，中国石油大学（北京）在读硕士研究生，研究方向为海洋石油装备。地址：北京市昌平区府学路18号中国石油大学（北京）（邮编：102249）。E－mail：qinhua0918＠163．com。

安晨，男，副教授，博士，主要研究方向为海洋石油装备。地址：北京市昌平区府学路18号中国石油大学（北京）（邮编：102249）。E－mail：anchen＠cup．edu．cn。

2016－11－30 改回日期：2017－05－08

（编辑：吕欢欢）