[发明专利]一种测试水下金属密封垫环预紧力的方法

说明书

技术领域

本发明涉及海洋石油钻采装备技术领域，涉及一种测试水下金属密封垫环预紧力的方法。

背景技术

金属密封垫环广泛应用于海洋水下承受内压较高设备之间的连接与密封，如水下井口头、水下采油树及液压连接器等水下钻采设备中。金属密封垫环的密封通径可达476.25mm(18 3/4”)，额定工作压力最高达105MP8(15000psi)，密封预紧力高达33.75×106N。

由于海洋水下钻采设备长期工作在水下，造成了金属密封垫环使用环境和受力状况非常恶劣，除了承受风、浪、流、水深等环境气候的影响，还要受平台偏移、平台颠簸、克服自身重力等各种外界载荷影响，加之工作压力又非常高，又受到海水安全与技术规范条款的约束等，使其必须具有非常高的可靠性和适应性。

为了确保海洋水下钻采设备在深水海洋环境下安全使用，保证金属密封垫环在极端恶劣环境下不会因为各种作业载荷而导致垫环密封失效，必须为金属密封垫环提供充足的密封预紧力，以确保金属密封垫环在弯曲、拉伸等工况下拥有良好的密封效果。

由于金属密封垫环位于封闭的连接设备之间，利用预紧力挤压锥面密封，预紧力的大小直接决定密封的效果和金属密封垫环的使用寿命，且密封压力又高，不能直接观测，而理论计算又存在很多优化和简化等问题，其计算结果有待实践检验；因此如何简单、有效地测试和提供金属密封垫环的密封预紧力是本专利解决的主要问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种测试水下金属密封垫环预紧力的方法，解决了现有技术中在实验过程中，不能直观、有效地测量和提供金属密封垫环预紧力和压缩量的问题。

本发明采用的技术方案是，一种测试水下金属密封垫环预紧力的方法，按照以下步骤实施：

步骤1、设定参数

1.1)将金属密封垫环所要求的密封内压P划分为若干级，即P1、P2、P3、…、Pn；

1.2)设定预紧力F，预紧力F需满足两个条件：第一，预紧力F须大于内压P产生的轴向反作用力；第二，预紧力F施加于密封面的接触应力不得大于金属密封垫环的屈服强度，

即有：P×b＜F＜σ×s/sinθ，(1)

其中，P是密封内压，单位是MPa，

a是活塞3的外圆面积，单位是mm²，

b是密封内压作用在金属密封垫环上的轴向面积，单位是mm²，

F是预紧力，单位是N，

σ是金属密封垫环屈服强度，单位是MPa，

s是密封面接触面积，单位是mm²，

θ是金属密封垫环锥面角；

试验时预先设定预紧力F大于轴向作用力P×b，并根据密封情况增减预紧力，记作ΔF；预紧力F对应不同的密封压力P分别记作F1、F2、F3、…、Fn，

在预紧腔X内施加的液压压力是F/a，根据需要实时调节；

1.3)压缩量ΔH通过测量及公式(2)计算得出：

ΔH＝H0-H，(2)

其中，ΔH是金属密封垫环的压缩量，单位是mm；

H0是测试杆的原始伸长量，单位是mm；

H是预紧力施加后测试杆的伸长量，单位是mm，

ΔH、H与预紧力F一一对应，分别记作ΔH 1、ΔH 2、ΔH 3、…、ΔH n；H 1、H 2、H 3、…、H n；

1.4)建立金属密封垫环的密封内压P、预紧力F和压缩量ΔH之间的对应关系；

步骤2、按照金属密封垫环所划分的级数，从低到高逐一进行测试，得到在不同内压P作用下金属密封垫环所需的基本预紧力F，操作步骤如下；

2.1)选取内压P1，设定预紧力F1，如F1＝1.5P1×b，测量、记录原始伸长量H0；

2.2)通过液压口向预紧腔X内注入液压，通过活塞对金属密封垫环施加预紧力F1，使得金属密封垫环的两侧密封面发生挤压、变形、建立密封，然后从内压口注水、打压，当压力到达P1后进行稳压；

如在注水和打压过程中，渗漏口有水渗漏，则说明预紧力F1不够，须立即中止试验，卸掉载荷，并增加预紧力ΔF，预紧力为(F1+ΔF)，再按步骤2.2)重新进行试验。

2.3)如稳压期间有渗漏，检测到密封腔压力下降，渗漏口有水渗漏，则说明预紧力F1过小，须中止试验，卸掉载荷，增加预紧力ΔF，预紧力为(F1+ΔF)，再按步骤2.2)重新进行试验；