O圈密封渗漏水汽定量规律实验研究及分析

王 洪，詹 敏，郑春峰，沈 琼，毛庆凯

（中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452）

0 引言

随着油田开发开采工作向智能油田、数字油田发展，管理模式从传统方式向现代化跨越，致使智能注采技术要求不断提高。其中，O圈密封对整个智能工具及系统的影响越来越重要，定量地测量出O圈水汽渗漏量对机电产品的二次封装进行定性的指导设计，也是协助完善工具标定、制定产品检验流程规范的重要参数。因此，准确地了解O圈密封压缩量与渗漏水汽量的变化规律，对于保障智能工具在油田领域安全、高效地注采施工具有重要的意义。有必要针对O圈密封渗漏的特性进行特制的工装加工，以及使用吸水化学剂收集这些渗漏出来的水汽并进行测算，建立起综合考虑高温、高压情况下水汽渗漏的定量模型，认清O圈密封在高温、高压情况下水汽渗漏量的变化规律，以便对油田智能注采工具的使用寿命进行定量的预测[1-3]。

图1 渗漏实验流程图Fig.1 Flow chart of leakage experiment

1 O圈选型与渗漏实验流程

1.1 渗漏工装设计及O圈选型

通过实验定量测得O圈密封渗漏水汽量需要进行两项准备工作。首先要进行渗漏工装的设计与加工，其次要选定合适的O圈尺寸。

此次渗漏实验需要在高温高压环境中进行，并测得O圈不同单边压缩量情况下的渗漏水汽量，所以O圈槽的深度设计尺寸不同，需要设计并加工的工装为：小O圈单边压缩量为0.3mm、0.45mm、0.6mm情况下的工装各3套，以便对取得的数据排除误差；大O圈单边压缩量为0.3mm、0.45mm、0.6mm、0.75mm、0.9mm、1.05mm情况下的工装各3套，以便对取得的数据排除误差。在设计渗漏工装时要考虑材质的选择，因为实验处于高温高压、水汽充盈的环境，会加速金属材质的生锈造成实验误差，所以需要选择不锈钢材质。本次实验选择17-4材质；收集从O圈渗漏出来的水汽，需要选择耐高温且具备一定承压能力的试管；试管中装有在高温环境中仍具备良好吸水性的化学剂无水硫酸镁[4,5]。

O圈选型需要结合现场应用的智能电控注水产品，其机械结构涉及到的O圈尺寸为两种：小O圈密封面尺寸直径Φ12mm×Φ1.8mm，大O圈密封面尺寸直径Φ108mm×Φ3.55mm。大小O圈材质选择丁腈橡胶，此种材质为油田智能机电产品常用O圈密封材质，具有通用性。

1.2 渗漏实验流程

本次实验设定的实验工况为温度150℃，压力40Mpa，贴合智能电控产品现场应用实际工况。渗漏实验工装及烘箱如图3。大小O圈不同单边压缩量情况下，渗漏实验流程如下：

图3 线径ф1.8mm O圈渗漏水汽量Fig.3 Leakage water vapor volume of O-ring with wire diameter ф1.8mm

1）组装小O圈、大O圈渗漏实验工装：组装9套小O圈渗漏实验工装，将密封面尺寸为Φ12mm×Φ1.8mm的O圈放入工装内的凹槽，O圈单边压缩量0.3mm、0.45mm、0.6mm各3组工装；组装18套大O圈渗漏实验工装，将密封面尺寸为Φ108mm×Φ3.55mm的O圈放入工装内的凹槽，O圈单边压缩量0.3mm、0.45mm、0.6mm、0.75mm、0.9mm、1.05mm各3组工装。

2）将耐高温小试管装入无水硫酸镁，并对有吸水药剂的试管称重，与试验工装连接并将组装好的工装放入托架。

3）将工装托架放入加热装置中，各个工装连接打压管线，打压至40Mpa，稳压10min不渗不漏。

4）启动加热装置，加热到150℃，保持高温、高压的环境持续2周，并且记录各个压力表每日的压力数值。

5）渗漏实验工装保持高温、高压的环境持续2周后，停止加热并卸掉压力，将工装冷却至室温。

6）拆卸工装，取出工装中的试管，观察药剂变化并记录重量。

7）分析并计算实验数据，实验前后重量差值，保存整理实验材料及数据，清理渗漏实验物料。

2 O圈渗漏验证及各影响因素的分析

2.1 O圈渗漏验证

机电产品的机械结构中大量用到O圈密封，但以海上实际应用效果来看，O圈密封效果一般，机电产品在高温高压环境中寿命不理想，拆开机电产品的电路板腔室，发现存有大量液体，造成电路板短路，致使机电产品损坏。通过O圈渗漏实验验证O圈密封在设计尺寸及压缩率在合理范围内，仍有部分水汽泄漏。通过实验数据的前后对比发现，大小O圈均有水汽泄漏，测得数据为小O圈中位数平均泄漏量为33.5mg/2周，大O圈平均泄漏量为456.19mg/2周。证明了O圈密封在机电一体化产品的应用中，存在轻微渗漏的现象。

图2 渗漏实验工装试管中装有的药剂重量Fig.2 The weight of the drug contained in the test tube of the leak test tooling

2.2 压缩量的影响情况

根据机械设计手册，压缩率W用计算式表示：

式中：do——O形圈在自由状态下的界面直径（mm）；h——O形圈槽底与被密封表面的距离，即O形圈压缩后的截面高度（mm）。

对于静密封而言，w的取值范围圆柱静密封装置和往复运动式密封装置一样，取w=10%～15%；平面密封装置取w=15%～30%。此处渗漏实验涉及密封形式为平面密封装置，取w=15%～30%。

3 渗漏实验结果与指导

3.1 小O圈渗漏结果

对小O圈渗漏实验所获得的数据进行统计，可以得出如下结论：

1）随着过盈量的提高，水汽渗漏量急速下降。

2）每一个过盈量加工3组工装，排除误差干扰后，得出小O圈单边压缩量不应选择0.3mm左右，原因为单边压缩量为0.3mm时2周的渗漏量为其他单边压缩量的10～20倍。

3）下一阶段实验工装小O圈单边压缩量建议选择区间为0.45mm～0.6mm之间，根据所取得数据，选择单边压缩量0.45mm为最优，对应O圈压缩率w=25%，符合机械设计手册要求。

图4 线径ф3.55mm O圈渗漏水汽量Fig.4 Leakage water vapor volume of O-ring with wire diameter ф3.55mm

3.2 大O圈渗漏结果

对大O圈渗漏实验所获得的数据进行统计，可以得出如下结论：

1）随着过盈量的提高，水汽渗漏量基本保持不变。

2）每一个过盈量加工3组工装，排除误差干扰后，得出大O圈单边压缩量不建议选择0.3mm左右，出现一组数据渗漏量较高，但推测为工装装配不合理，尺寸有误差所致。

3）下一阶段实验工装大O圈单边压缩量建议选择区间为0.45mm～1.05mm之间，根据所取得数据，选择单边压缩量0.8mm为最优，对应O圈压缩率w=22.5%，符合机械设计手册要求。

3.3 渗漏现象启发

大小O圈在不同过盈量情况下的渗漏实验得到的启发：

1）O圈在高温、高压环境下（40MPa、150℃）会发生轻微的渗漏，定量地收集渗漏水汽对智能电控注采工具的设计有指导帮助。

2）O圈在高温、高压环境下（40MPa、150℃），O圈外径为Φ12mm×线径Φ1.8mm，单边压缩量为0.45mm，渗漏量每2周平均渗漏值为35.25mg，按照智能注采工具使用寿命期限3年，计算水汽渗漏值为2.16g，满足设计要求。

3）O圈在高温、高压环境下（40MPa、150℃），O圈外径为Φ108mm×线径Φ3.55mm，单边压缩量为0.8mm，渗漏量每2周平均渗漏450mg，按照智能注采工具使用寿命期限3年，计算水汽渗漏值为32.4g，可以进行电路板腔室的二次封装，保证渗漏的水汽不进入电路板腔室，满足设计要求。

4 结论

为有效解决现有智能电控注采工具O圈密封经常失效、可靠性差、故障率高的问题，通过高温、高压实验定量测得渗漏水汽量与O圈压缩率的规律，以便指导当前机电产品的密封设计与选型，更能指导二次封装方式的选用。通过本次研究和实验获得以下认识：

1）大O圈渗漏量是小渗漏量的13倍（456.19mg≈13×35.25mg）；大O圈外径为Φ108mm，电缆接头外径为Φ12mm，即大O圈外径=9倍×小O圈外径，渗漏量与O圈的外径成正相关联系。

2）O圈密封渗漏影响的决定性因素：通过过盈量渗漏实验数据可以观察到决定性因素为O圈直圈径大小，O圈外径越大，渗漏量越大，外径越小，渗漏量越小。