油水井井下儀器常用密封結(jié)構(gòu)探討

王守舵

摘要：O形圈靜密封、組合動(dòng)密封等是石油井下儀器中最為常見(jiàn)的密封結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用廣泛。本文從工程實(shí)踐出發(fā)，介紹了常見(jiàn)密封形式的適用場(chǎng)合、選用原則和注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：靜密封；動(dòng)密封；O形圈；組合密封；泄漏量

1 引言

由于石油井下儀器的使用環(huán)境極其復(fù)雜，存在高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕等惡劣工況，因此需要將儀器內(nèi)部的電路板、傳感器等元器件與外界的油水氣介質(zhì)隔離密封。針對(duì)不同的密封介質(zhì)、環(huán)境溫度、壓力變化等情況，選用經(jīng)濟(jì)的密封件和密封結(jié)構(gòu)形式，是井下儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

2 密封概述

2.1 密封是防止流體或固體顆粒從相鄰結(jié)合面間泄漏及防止外界雜質(zhì)（灰塵、水分等）侵入設(shè)備內(nèi)部的零部件和措施。

2.2 靜密封通常是指兩個(gè)靜止面之間的密封。密封辦法主要是使用墊圈、密封圈、密封膠等。O形密封圈是最常用的靜密封結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)于壓力不高于100MPa以上的場(chǎng)合，密封可靠，零泄漏。

2.3 動(dòng)密封是指相對(duì)運(yùn)動(dòng)件之間的密封，分為往復(fù)式動(dòng)密封和旋轉(zhuǎn)式動(dòng)密封兩類。目前多采用成熟的、標(biāo)準(zhǔn)化的組合密封結(jié)構(gòu)，以減小運(yùn)動(dòng)摩擦和低速“爬行”現(xiàn)象。此外采用間隙小于（1μm～3μm）的剛體密封方式，在高壓柱塞泵等應(yīng)用場(chǎng)合也應(yīng)用廣泛。從原理上講，往復(fù)動(dòng)密封往往存在一定的泄漏量。

3 密封形式的選用考慮因素

3.1 密封介質(zhì)

密封介質(zhì)有礦物油、液壓油、水、氣體、泥漿、固體等。介質(zhì)和密封件之間的相容性很重要。如井下儀器因長(zhǎng)期接觸油、水介質(zhì)，密封圈一般選用耐油的丁腈橡膠（NBR）、氟橡膠（FKM）等材質(zhì)加工，天然橡膠（NR）、硅橡膠（VMQ）等不耐油不宜選用。

3.2 環(huán)境溫度

主要與密封件的材料、密封面配合間隙等因素關(guān)系較大。常用橡膠材料的推薦使用溫度范圍為：天然橡膠（NR）（-60～+100）℃、丁腈橡膠（NBR）（-55～+130）℃、氫化丁腈橡膠（HNBR）（-30～+150）℃、氟橡膠（FKM）（-40～+250）℃、硅橡膠（VMQ）（-70～+280）℃?！?】更高溫度的密封可能要選用金屬材質(zhì)、石墨或聚四氟乙烯等材質(zhì)加工的密封件。

3.3 壓力作用形式

密封件的選用、安裝時(shí)，需要考慮壓力的大小、方向及交變情況。主要原因有：

1）密封件的耐壓能力是有限的；如O形圈的使用壓力上限為35MPa，超過(guò)該壓力則要求增加擋圈，防止O形圈被壓力擠到密封間隙而“咬傷”；唇形密封圈的使用壓力上限為35MPa，不宜超壓使用；

2）大部分密封件的安裝是有方向要求的；如唇形密封圈、車氏密封等要求密封件唇口朝著壓力方向，否則就起不到密封作用，而O形圈能密封雙向壓力。使用O形圈作為端面密封件，受內(nèi)壓或外壓作用時(shí)，溝槽與O形圈的配合面是不一樣的，需防止O形圈扭曲、損壞。

3.4 其它因素

如工作壽命、強(qiáng)腐蝕性、氣密性、食品藥品衛(wèi)生、極低溫等，這些一般在具體設(shè)計(jì)時(shí)考慮，不再詳述。

4 常見(jiàn)密封形式及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 雙O形圈密封+螺紋連接方式

這種結(jié)構(gòu)形式是最常用的，廣泛用于井下儀器及地面儀器的高、低壓靜密封處。螺紋起到連接作用，并便于將O形圈引導(dǎo)進(jìn)入密封面。設(shè)計(jì)和選用這種結(jié)構(gòu)形式時(shí)，需要關(guān)注：

1）選擇合理壓縮率和拉伸率參數(shù)；一般靜密封推薦壓縮率為15%-30%；壓縮率并非越大越好，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致永久變形和裝配困難（特別是膠料硬度高時(shí)），這也是誘發(fā)螺紋粘扣的一大原因；一般拉伸率推薦為1.03-1.04，相對(duì)于壓縮率，拉伸率容易被人忽視。拉伸率過(guò)小會(huì)導(dǎo)致旋入時(shí)密封圈松動(dòng)，或被擠到一側(cè)；拉伸率過(guò)大會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力松弛，影響密封壽命；

2）直口與密封槽槽頂?shù)呐浜祥g隙；一般情況下間隙越小，O形圈抗擠出“咬傷”的能力越強(qiáng)，耐壓越高；該間隙由配合公差和同軸度公差同時(shí)決定；實(shí)際應(yīng)用中，一般采用了比密封手冊(cè)推薦值至少大一倍的配合間隙；

3）密封面粗糙度；密封面粗糙度主要影響密封圈的使用壽命和密封效果；井下儀器一般要求密封面粗糙度不低于1.6，并絕對(duì)禁止密封面螺旋形損傷或軸向貫穿形損傷；

4）同軸度；不同軸可能導(dǎo)致密封圈偏心受壓從大間隙擠出“咬傷”發(fā)生或密封面研傷、粘扣等嚴(yán)重問(wèn)題；

5）其它事項(xiàng)：直口、密封槽頂部的圓角是為了便于裝配、防止密封圈損傷；選擇合理的密封槽寬度，防止密封圈翻滾；直口處保證合適的壁厚，減少受壓變形等。

4.2 組合密封結(jié)構(gòu)

單一的密封結(jié)構(gòu)往往無(wú)法勝任極其惡劣、復(fù)雜的工況。為此利用不同材質(zhì)彈性體、不同密封形式進(jìn)行二次組合，設(shè)計(jì)出組合密封結(jié)構(gòu)。車氏密封是常用的一種高壓動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1，其由O形圈和齒形滑環(huán)兩部分組成。齒形滑環(huán)采用填充聚四氟乙烯材質(zhì)，并設(shè)計(jì)特殊的齒形結(jié)構(gòu)，以減少與傳動(dòng)軸的摩擦系數(shù)。O形圈為氟橡膠材質(zhì)，耐高溫性能好，且提供齒形滑環(huán)與傳動(dòng)軸的初始預(yù)緊力，保證低壓密封可靠性，且隨著外壓的升高密封越嚴(yán)實(shí)。該組合密封既能保證儀器內(nèi)部構(gòu)件與外部環(huán)境的可靠密封，又能有效減少外壓對(duì)傳動(dòng)軸輸出扭矩的影響。

1）傳動(dòng)軸軸肩處應(yīng)安裝軸承對(duì)，用于定心和承受軸向力，減小轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力；

2）車氏密封應(yīng)按正確方向安裝，唇口及O形圈正對(duì)壓力的方向；

3）密封面粗糙度有較高要求，內(nèi)孔不低于0.8，軸外圓不低于0.4，嚴(yán)禁螺旋形損傷和軸向貫穿形損傷；

4）內(nèi)孔密封面倒角按樣本要求設(shè)計(jì)，可適當(dāng)加大，銳邊倒圓；如軸外圓有臺(tái)階，應(yīng)平滑過(guò)渡；

5）隔環(huán)厚度及尺寸參考樣本設(shè)計(jì)要求，保證車氏密封足夠的壓縮率；

6）通常采用開(kāi)式溝槽，便于安裝更換。

4.3 其他密封方式

1）（軟金屬）墊片密封；通過(guò)螺紋等方式夾緊，使墊片產(chǎn)生塑性變形，從而達(dá)到填料密封的效果；密封可靠，但不太適用于常拆卸的位置；

2）錐面—球面線密封或錐面—圓口線密封等結(jié)構(gòu)，常用于閥類零件；要求較高的加工精度和形位公差，密封可靠高、壽命長(zhǎng)；

3）液體隔離氣密封；在不易拆卸更換的密封構(gòu)件前端灌入硅油，對(duì)氣體起到隔離密封作用，在高壓氣井類儀器中使用效果較好?！?】

5 結(jié)束語(yǔ)

密封是井下儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要面對(duì)和解決的問(wèn)題，建議盡量采用成熟技術(shù)和已用結(jié)構(gòu)，關(guān)注注意事項(xiàng)，進(jìn)行充分計(jì)算、分析及驗(yàn)證。密封零件加工時(shí)應(yīng)關(guān)注粗糙度、形位公差、圓角等要求。裝配時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行清潔、潤(rùn)滑等工藝要求，注意密封件安裝方向，避免野蠻裝配造成密封件損傷。本文內(nèi)容為筆者根據(jù)實(shí)際工作中遇到的問(wèn)題搜集整理而得，希望對(duì)井下儀器的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作起到一定的參考作用。

參考文獻(xiàn)

[1]《中國(guó)航空材料手冊(cè) 第六卷 橡膠 密封劑 燃料及潤(rùn)滑材料》，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989年2月第一版

（作者單位：貴州航天凱山石油儀器有限公司）