| 1471 水下井口金属与非金属组合环空密封件结构设计在实际的深海油气开采过程中，水下井口安装到位后，应安装相配的承载环，随后按照尺寸由大到小的顺序将相应尺寸的套管挂依次下入至水下井口中。此时在水下井口和每一层套管挂之间均形成环空间隙。钻井过程中遇到的高压油气会通过这些环空间隙冲击环空密封，如若环空密封失效，轻则造成油气泄漏，产生污染，重则发生爆炸，造成人员伤亡。为了防止此类情况发生，在每一层套管挂和水下井口之间形成的环空间隙均应安装环空密封件，在每一层套管挂安装完成后，下入一个井口环空密封包。密封包安装到位后，金属与非金属组合密封件被激发，密封件与接触面发生挤压(产生弹性形变)形成预密封，同时两道锁紧环被撑开，分别进入水下井口和套管挂上设置的限位槽，起到对井口密封包限位的作用。水下井口环空密封具体结构如图1所示。
图1 水下井口环空密封结构示意(激发状态)井口环空密封包的核心部件是金属与非金属组合密封0 引言浮式钻井系统水下井口安装时，随着不同尺寸套管悬挂器逐层进行安装，各层套管悬挂器与井口本体之间形成环空间隙，为了防止环空间隙出现流体泄漏，须设计相应的耐高压密封件对水下井口和套管悬挂器之间的环空间隙进行密封，该类环空密封件对于水下生产系统的安全生产起到了关键作用。侯超等[1]对水下井口系统用主要密封装置进行研究，总结出密封材料选取、密封结构设计、密封装置加工及密封装置下方技术等水下井口系统密封技术关键点。李振涛[2]对油管悬挂器MEC密封结构的基本设计及性能进行研究，通过ABAQUS软件对34.5 MPa，20～120 ℃的工况条件下不同压缩量、不同油压等参数条件密封件的密封性能进行有限元分析，得到了此型密封件较为合理的设计数据。张凯等[3]对水下采油树油管悬挂器密封结构作介绍，并结合国外著名制造公司的产品对其发展现状进行详尽分析，对比了不同类型密封件的性能，总结出水下生产系统密封的关键技术及未来的发展趋势。目前，国际上水下生产系统使用的密封件主要有金属密封件和非金属密封件两种形式。本文设计一种金属与非金属组合密封件，对水下井口组合密封件的密封结构和力学分析作了深入研究，并结合压力/温度循环仿真试验数据，辅以有限元分析进行验证，得到较为合理的结构设计参数，以期推动水下生产系统环空密封件国产化进程。水下井口组合环空密封件的设计朱麟杰(美钻能源科技(上海)有限公司，上海 200941)摘要：在目前的深海油气开采过程中，水下井口的密封主要通过多层套管悬挂器与井口密封包组合的方式来实现，而井口密封包的关键在于密封件。但常规的橡胶密封件不能满足高压密封的要求，常规的金属密封件使用时难以快速形成预密封，不能满足中、低压密封的要求。文章设计了一种金属与非金属组合环空密封件，通过ANSYS软件对该密封件进行有限元分析，并进行压力/温度循环仿真试验，对其密封性能和强度进行验证。分析及试验结果表明，该型密封件设计满足水下井口环空密封需求。关键词：水下井口；金属与非金属；环空密封中图分类号：TE95 文献标志码：A 文章编号：1008-4800(2021)04-0147-06DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2021.04.072Subsea Wellhead Composite Annulus Seal DesignZHU Lin-jie (MSP/DRILEX INC (SHANGHAI) CO., LTD., Shanghai 200941, China)Abstract: In the current process of deep-sea oil and gas production,the sealing of subsea wellhead is mainly realized by the combination of multi-layer casing hanger and wellhead sealing package,and the key of wellhead sealing package is the seal.As the conventional elastomer seals cannot meet the requirement of high pressure sealing,and the conventional metal seals have diff iculty forming a pre-seal quickly and cannot meet the requirements of medium and low pressure sealing.Therefore,a metal and non-metal composite annulus seal is designed to satisfy the above-mentioned requirements.In this paper, the f inite element analysis of the seal is carried out through ANSYS software, and the pressure/temperature cycle simulation test is conducted to verify the sealing performance and strength.The analysis and test results show that the design of this type of seal can meet the requirements of subsea wellhead annular sealing.Keywords: subsea wellhead; metal and non-metal; annulus seal148 | 径向位移，其中最大径向位移出现在组合密封件橡胶体中段凸起部分，且外侧径向位移大于内测径向位移。具体数值为外侧最大位移1.092 2 mm，内测最大位移0.657 2 mm，在设计过程中，给予环空密封的过盈量一般为单侧0.5 mm，由此可知，组合密封件安装到位后即形成密封，且密封性能优良。图5是组合密封件安装到位时，轴向位移云图。
年增刊6通用机械
yjx前沿技术AdvancedTechnologyAdvancedTechnology
高温高压热水循环泵广泛应用于冶金、电力、轻纺、石油、化
工、橡胶、采暖采热等系统领域中，输送高温高压热水以及类似于
水的液体介质。为了提高热利用率和满足工艺流程装置的需求，
目前，在国内大多采用国际上比较先进的热水强制循环形式，流程
循环水的温度高，压力大，对热水循环泵的技术要求越来越高。密封
系统的设计在高温高压热水循环泵中是一个非常重要的环节，高温热
水易产生汽化，引起机械密封端面液膜破坏，使端面处于半干或干摩
擦状态，易造成密封面磨损，产生失效，降低寿命，高压热水由于压
力大，增加密封系统的设计难度，传统的密封系统结构已经远远不能
满足高温高压热水循环泵的使用需求。前苏联的R型热水循环泵，密
封系统采用浮动加填料的组合密封方式，使用温度通常只能在215℃
以下，超过此温度热水循环泵将无法正常工作。德国某泵公司的热水
循环泵，采用波纹管机械密封加外置冷却器的密封结构，虽然在高温
高压条件下能够应用，但使用的效果并不是十分理想，维护成本高，
价格贵，寿命短。对高温高压热水循环泵进行了设计与研究，将有关工作内容介绍给大家，以供参考应用。
一、泵的性能参数及结构
根据实际使用单位的需求及浙江省科技厅新产品项目立项计划，对250RⅡ－62高温高压热水循环泵产品进行了设计与研究，产品经过多次
反复改造设计，各方面的性能均满足使用需求。产品的性能参数为：Q＝450m3/h、H＝62m、N＝1480r/min、η＝80%、NPSHr＝6.0m、进口系统压
力：Pmax＝6.4MPa、最高使用温度：Tmax＝280℃，产品结构见图1。250RⅡ－62高温高压热水循环
泵密封装置的设计与研究
浙江水泵总厂有限公司余伟平杭州恒力泵业制造有限公司黄忠红大连里瓦泵业有限公司王丹
987654312
图1热水循环泵结构原理图1.泵体2.叶轮3.密封腔体4.泵盖5.冷却室6.填料压盖7.轴承体部件8.密封部件9.节流衬套
一、密封的分类：
1、静密封：
（1）根据工作压力：高压静密封、中压静密封、低压静密封
（2）根据工作原理：法兰连接垫片密封、自紧密封、研合面密封、O形环密封、胶圈密封、填料密封、螺纹连接垫片密封、螺纹连接密封、承插连接密封、密封胶密封
2、动密封：
（1）根据密封面间是滑动还是旋转运动：往复密封、旋转密封
（2）根据密封件与其做相对运动的零部件是否接触：
A.接触式动密封
a.按密封件的接触位置：圆周（径向）密封、端面（轴向）密封（机械密封）
b.按密封原理：填料密封（毛毡密封、软填料密封、硬填料密封、挤压型密封、唇形密封）、油封密封、涨圈密封
B.非接触式动密封：迷宫密封、动力密封（离心密封、浮环密封、螺旋密封、气压密封、喷射密封、水力密封、磁流密封等）
C.无轴封密封（隔膜式、屏蔽式、磁力传动式）
二、机械密封：
机械端面密封是一种旋转传动件密封，是由一对或数对动环与静环组成的平面摩擦副构成的密封装置。主要部件是动环和静环，一个随主轴旋转，一个固定不动
构成机械密封的基本元件：端面摩擦副（动环、静环）、弹性元件（弹簧）、辅助密封（O形圈）、传动件（传动销、传动螺钉）、防转件（防转销）、紧固件（弹簧座、压环、压盖、紧钉螺钉、轴套）
静环，又称为非补偿环
动环，又称为补偿环
由补偿环、弹性元件和副密封等构成的组件称为补偿环组件。
机械密封分类：
根据端面接触状态：接触式机械密封、非接触式机械密封、半接触式密封
根据静环安装位置：内装式密封、外装式密封
根据介质泄漏方向：内流型、外流型
根据弹簧元件运动状态：静止式密封、旋转式密封
根据密封流体在密封端面引起的卸载程度：平衡型密封、非平衡型密封 根据弹性元件的结构和布置：单弹簧式密封、多弹簧式密封、波纹管密封、膜片密封
根据密封端面数目：单端面密封、双端面密封、多端面密封
根据载荷程度不同：平衡型、非平衡型、过平衡型
o型圈槽：
O型密封圈及其槽的设计
O形圈密封是典型的挤压型密封。O形圈截面直径的压缩率和拉伸是密封设计的主要内容，对密封性能和使用寿命有重要意义。O形圈一般安装在密封沟槽内起密封作用。O形密封圈良好的密封效果很大程度上取决于O形圈尺寸与沟槽尺寸的正确匹配，形成合理的密封圈压缩量与拉伸量。密封装置设计加工时，若使O形圈压缩量过小，就会引起泄漏；压缩量过大则会导致O形密封圈橡胶应力松弛而引起泄漏。同样，O形圈工作中拉伸过度，也会加速老化而引起泄漏。世界各国的标准对此都有较严格的规定。
1、O形圈密封的设计原则
1）压缩率
压缩率W通常用下式表示：
W= (do-h)/do%
式中 do——O形圈在自由状态下的截面直径（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）。
在选取O形圈的压缩率时，应从如下三个方面考虑：
a.要有足够的密封接触面积 b.摩擦力尽量小 c.尽量避免永久变形。
从以上这些因素不难发现，它们相互之间存在着矛盾。压缩率大就可获得大的接触压力，但是过大的压缩率无疑会增大滑动摩擦力和永久变形。而压缩率过小则可能由于密封沟槽的同轴度误差和O形圈误差不符合要求，消失部分压缩量而引起泄漏。因此，在选择O形圈的压缩率时，要权衡个方面的因素。一般静密封压缩率大于动密封，但其极值应小于30%(和橡胶材料有关），否则压缩应力明显松弛，将产生过大的永久变形，在高温工况中尤为严重。
O形圈密封压缩率W的选择应考虑使用条件，静密封或动密封；静密封又可分为径向密封与轴向密封；径向密封（或称圆柱静密封）的泄漏间隙是径向间隙，轴向密封（或称平面静密封）的泄漏间隙是轴向间隙。轴向密封根据压力介质作用于O型圈的内径还是外径又分受内压和外压两种情况，内压增加的拉伸，外压降低O形圈的初始拉伸。上述不同形式的静密封，密封介质对O形圈的作用力方向是不同的，所以预压力设计也不同。对于动密封则要区分是往复运动还是旋转运动密封。
