一種測試水下金屬密封墊環預緊力的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及海洋石油鉆采裝備技術領域，涉及一種測試水下金屬密封墊環預緊力的方法。
【背景技術】
[0002]金屬密封墊環廣泛應用于海洋水下承受內壓較高設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備中。金屬密封墊環的密封通徑可達476.25mm(18 3/4”)，額定工作壓力最高達105MP8 (15000psi)，密封預緊力高達33.75X 106N。
[0003]由于海洋水下鉆采設備長期工作在水下，造成了金屬密封墊環使用環境和受力狀況非常惡劣，除了承受風、浪、流、水深等環境氣候的影響，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規范條款的約束等，使其必須具有非常高的可靠性和適應性。
[0004]為了確保海洋水下鉆采設備在深水海洋環境下安全使用，保證金屬密封墊環在極端惡劣環境下不會因為各種作業載荷而導致墊環密封失效，必須為金屬密封墊環提供充足的密封預緊力，以確保金屬密封墊環在彎曲、拉伸等工況下擁有良好的密封效果。
[0005]由于金屬密封墊環位于封閉的連接設備之間，利用預緊力擠壓錐面密封，預緊力的大小直接決定密封的效果和金屬密封墊環的使用壽命，且密封壓力又高，不能直接觀測，而理論計算又存在很多優化和簡化等問題，其計算結果有待實踐檢驗；因此如何簡單、有效地測試和提供金屬密封墊環的密封預緊力是本專利解決的主要問題。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提供一種測試水下金屬密封墊環預緊力的方法，解決了現有技術中在實驗過程中，不能直觀、有效地測量和提供金屬密封墊環預緊力和壓縮量的問題。
[0007]本發明采用的技術方案是，一種測試水下金屬密封墊環預緊力的方法，按照以下步驟實施:
[0008]步驟1、設定參數
[0009]1.1)將金屬密封墊環所要求的密封內壓P劃分為若干級，即P1、P2、P3、…、Pn ；
[0010]1.2)設定預緊力F，預緊力F需滿足兩個條件:第一，預緊力F須大于內壓P產生的軸向反作用力；第二，預緊力F施加于密封面的接觸應力不得大于金屬密封墊環的屈服強度，
[0011]即有:PXb< F < O Xs/sin Θ，(I)
[0012]其中，P是密封內壓，單位是MPa，
[0013]a是活塞3的外圓面積，單位是mm2，
[0014]b是密封內壓作用在金屬密封墊環上的軸向面積，單位是mm2，
[0015]F是預緊力，單位是N，
[0016]σ是金屬密封墊環屈服強度，單位是MPa，
[0017]s是密封面接觸面積，單位是mm2，
[0018]Θ是金屬密封墊環錐面角；
[0019]試驗時預先設定預緊力F大于軸向作用力PXb，并根據密封情況增減預緊力，記作AF ;預緊力F對應不同的密封壓力P分別記作F1、F2、F3、…、Fn，
[0020]在預緊腔X內施加的液壓壓力是F/a，根據需要實時調節；
[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是預緊力施加后測試桿的伸長量，單位是mm，
[0026]ΔΗ、Η與預緊力F——對應，分別記作ΔΗ 1、ΔΗ 2、ΔΗ 3、…、ΔΗη;Η 1、Η 2、H 3、”.、Η η ；
[0027]1.4)建立金屬密封墊環的密封內壓P、預緊力F和壓縮量Δ H之間的對應關系；
[0028]步驟2、按照金屬密封墊環所劃分的級數，從低到高逐一進行測試，得到在不同內壓P作用下金屬密封墊環所需的基本預緊力F，操作步驟如下；
[0029]2.1)選取內壓Ρ1，設定預緊力Fl JDFl = 1.5Ρ1 Xb，測量、記錄原始伸長量HO ;
[0030]2.2)通過液壓口向預緊腔X內注入液壓，通過活塞對金屬密封墊環施加預緊力F1，使得金屬密封墊環的兩側密封面發生擠壓、變形、建立密封，然后從內壓口注水、打壓，當壓力到達Pl后進行穩壓；
[0031]如在注水和打壓過程中，滲漏口有水滲漏，則說明預緊力Fl不夠，須立即中止試驗，卸掉載荷，并增加預緊力△ F，預緊力為(Fl+AF)，再按步驟2.2)重新進行試驗。
[0032]2.3)如穩壓期間有滲漏，檢測到密封腔壓力下降，滲漏口有水滲漏，則說明預緊力Fl過小，須中止試驗，卸掉載荷，增加預緊力Λ F，預緊力為(Fl+ Δ F)，再按步驟2.2)重新進行試驗；
[0033]如穩壓期間無滲漏，則說明試驗狀態良好，此時的預緊力(F1+AF)即為密封壓力Pl所需的基本預緊力，記錄試驗數據PU (Fl+Λ F)、Hl ；
[0034]如穩壓期間還有滲漏，則繼續增加預緊力AF，預緊力為(F1+2AF)，再按步驟2.2)重新進行試驗，如此循環，直至試驗狀態良好，內壓P不再泄漏，并記錄試驗數據；
[0035]2.4)如穩壓期間無滲漏，則記錄試驗數據Ρ1、Fl、Hl，然后卸載；
[0036]但不排除預緊力過大的可能，因此須減小預緊力Λ F，預緊力為(Fl-Λ F)，再按步驟2.2)重新進行試驗，如穩壓期間有滲漏，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，前次試驗的預緊力Fl即為內壓Pl所需的基本預緊力，并記錄試驗數據PUFUHl ；
[0037]如穩壓期間無滲漏，則繼續減小預緊力AF，預緊力為$1_2八的，再按步驟2.2)重新進行試驗，如此循環，直至內壓P發生泄漏，并記錄前次試驗數據；
[0038]2.5)完成密封壓力Pl的預緊力測試后，按照上述步驟依次進行Ρ2、Ρ3、…、Pn的預緊力測試，并記錄試驗數據，即成。
[0039]本發明的測試水下金屬密封墊環預緊力的方法，其特點還在于，
[0040]利用一種測試裝置，該測試裝置的結構是:包括外筒，在外筒的上下端口分別設置有上端蓋和下端蓋，上端蓋軸心設置有測試桿的安裝孔，上端蓋沿軸向另外設置有液壓口，下端蓋中設置有內壓口和滲漏口，在上端蓋和下端蓋之間的外筒內壁套裝有活塞，活塞下端沿與下端蓋上端沿之間設置有承載環，承載環內圓套裝有金屬密封墊環，金屬密封墊環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緊腔X，活塞向下與下端蓋之間形成了內壓腔Y。
[0041]上端蓋安裝孔內設有密封件；上端蓋、活塞、下端蓋與外筒內壁分別設置有密封件。
[0042]本發明的有益效果是，設置有預緊腔、內壓腔、滲漏口和測試桿，分別用于施加預緊力、打入內壓、判斷密封效果和測量壓縮量，通過施加預緊力一建立密封一打入內壓一判斷密封效果一修正預緊力的循環方法測試預緊力和壓縮量，以確立金屬密封墊環在不同工作壓力下所需的基本預緊力，并建立金屬密封墊環的密封內壓與預緊力和壓縮量之間的對應關系；預緊力可實時調節，內壓也可劃分為若干等級，并根據金屬密封墊環的密封效果確立工作內壓與預緊力和壓縮量之間的對應關系。
[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的預緊力和壓縮量；該方法還可用于研宄海洋水下設備之間金屬密封墊環的連接、擠壓、變形、密封等問題。
【附圖說明】
[0044]圖1是本發明方法采用的測試裝置結構示意圖；
[0045]圖2是圖1中的I處結構放大示意圖；
[0046]圖3是本發明方法的預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；5.承載環；6.下端蓋；7.外筒，8.液壓口 ；9.內壓口 ；10.滲漏口 ；
[0048]另外，F是預緊力；H是預緊力F施加后測試桿伸長量；X是預緊腔；Y是內壓腔，a是活塞3的外圓面積；b是密封內壓作用在金屬密封墊環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]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0050]參照圖1、圖2，本發明方法采用的測試裝置結構是，包括外筒7，在外筒7的上下端口分別設置有上端蓋2和下端蓋6，上端蓋2軸心設置有測試桿I的安裝孔，上端蓋2沿軸向另外設置有液壓口 8，下端蓋6中設置有內壓口 9和滲漏口 10，在上端蓋2和下端蓋6之間的外筒7內壁套裝有活塞3，活塞3下端沿與下端蓋6上端沿之間設置有承載環5，承載環5內圓套裝有金屬密封墊環4，金屬密封墊環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之間形成了預緊腔X，活塞3向下與下端蓋6之間形成了內壓腔Y，預緊腔X用于施加預緊力，內壓腔Y用于打入內壓，測試桿I用于測試金屬密封墊環4的壓縮量；
[0051]上端蓋2安裝孔內設有密封件；上端蓋2、活塞3、下端蓋6與外筒7內壁分別設置有密封件。
[0052]本發明的方法，利用上述的測試裝置，通過施加預緊力一建立密封一打入內壓一判斷密封效果一修正預緊力的循環方式測試金屬密封墊環4的預緊力和壓縮量，按照以下步驟實施:
[0053]步驟1、設定參數
[0054]1.1)將金屬密封墊環4所設計要求的密封內壓P劃分為若干級，即P1、P2、P3、...、Pn ；
[0055]1.2)設定預緊力F，預緊力F需滿足兩個條件:第一，預緊力F須大于內壓P產生的軸向反作用力，確保金屬密封墊環4有預緊力存在；第二，預緊力F施加于密封面的接觸應力不得大于金屬密封墊環4的屈服強度，以免破壞金屬密封墊環4的彈性變形，影響使用壽命，
[0056]即有:PXb< F < σ Xs/sin Θ，(I)<