探讨石油和天然气应用中选择聚合物弹簧蓄能密封圈的4个关键考虑因素

2019年09月11日

核心系统关键零部件设计的来源:
石油和天然气产量正在处于上升时期。预计今年美国石油产量将达到历史最高水平,欧洲海上钻探继续保持增长,英国和挪威大陆架产量也将非常强劲。同时,俄罗斯、巴西和中东国家也在不断生产。不断增长的需求促使石油和天然气公司寻找和开发更复杂的新型井下储备,但往往需要能够承受高压、高温(HPHT)、低温、酸性气体、重油以及其他条件。安全和环境保护成为主要问题。由于开发新设计的目的在于推动技术极限,因此经过验证的设计和高性能解决方案越来越重要,聚合物弹簧蓄能密封圈解决方案就是其中之一。

密封圈在石油和天然气工业中的重要性:
石油和天然气应用通常很多地方需要对介质进行控制或密封:
• 海底-联接器、球阀、闸阀和节流阀以及API 17D井口和圣诞树设备均需要耐受极端压力和温度条件,这些条件均受更加复杂的油藏勘探和生产所推动。
• 浮式生产-配备大型复杂高压和高温转塔式旋转堆叠系统的浮式生产、储存和卸载(FPSO)船舶,这些系统的使用不断增加,并且往往需要在恶劣环境中坚守岗位。
• 地面-很多从低压到20kpsi工作压力的API 6A和API 6D阀门均需符合PR2测试程序。
• 逸散排放阀-符合ISO 15848和SHELL MESC SPE77-312等国际标准的高性能阀杆密封系统。
• 低温-存在于受严苛行业标准驱动并存在低泄漏挑战性要求的球阀和蝶阀以及装载臂中。  
圣戈班OmniSeal®弹簧蓄能密封圈可用于上述所有应用,并能够解决弹性密封圈局限性造成的可靠性和耐用性问题。此类密封圈包括PTFE,PEEK或其他聚合物材料的夹套,以及金属蓄能弹簧,并且通常与防挤出支撑环配合使用。最初用于低温液体推进剂,20世纪50年代火箭发动机中最具挑战性的密封环境之一,OmniSeal®密封圈能够在腐蚀性介质、酸性气体环境和极端操作条件下保持弹性和密封力,并能够抵抗快速气体减压,非常适合石油和天然气行业。

石油和天然气应用聚合物密封选型的重要注意事项:
确定哪种密封适合特定应用时往往要考虑诸多因素影响,其中包括:
1.应用-阀门,装卸臂,FPSO使用的转塔或井下工具,重要因素包括诸如:
• 尺寸/直径-由于石油和天然气领域的零件标准化程度较低,因此像Saint-Gobain Seals这样的合作伙伴能够满足,诸如大直径和定制尺寸等大量测量要求。
• 位置-该密封圈可在应用的各个部位使用,如阀杆、阀座或静止部件。
• 耐用性-减少维护和维修工作量并确保持久可靠性是合适密封解决方案的关键优势。
2.工作条件-能够耐受腐蚀性介质以及其他苛刻条件,例如:
• 高压:为了改善过程控制和耐用性,OmniSeal®弹簧蓄能密封圈能够提供高达2,068 bar或30,000 psi及以上的真空压力。
• 极端温度:接触低温或高温条件的可能性始终存在。例如,我们的密封圈能够承受-253°C至+365°C(-424°F至+690°F)的温度。
• 强腐蚀性化学品和酸性气体:由于石油和天然气工业在复杂油藏中采油,酸性气体(H2S,CO2)的百分比可能会很高,这就要求材料能够承受25%及以上的更高浓度。
3.合规性和逸散性排放:随着零泄漏要求的提升以及更严格法规的实施,密封不但要求合规还要确保对环境无害。Saint-Gobain Seals以ISO 15848-1和SHELL MESC SPE 77-312等最严格的开关阀逸散性排放标准设计和测试密封圈。此外,我们的所有聚合物材料均已通过API 6A附录F和NORSOK M710认证。
4.可靠设计需求:密封圈的可靠性对于石油和天然气行业至关重要;因此,设计只有经过验证之后才能用于现实环境。为确保最高水平的质量和可靠性,我们的密封圈均经过有限元分析(FEA),3D建模等特别测试平台的预先验证及现场验证。

石油和天然气应用中聚合物密封的具体实例
自20世纪70年代以来,OmniSeal®弹簧蓄能密封圈就已在石油和天然气行业用于解决可靠性和耐用性要求。该密封圈早期曾在跨阿拉斯加输油管道的极端温度下经受住过严峻考验。其他一些实例包括:
• 低温固定球阀- 圣戈班密封件事业部最近在德克萨斯举办的美国国际阀门世界展览会上展示为低温固定球阀开发的新一代阀座密封圈,其完全符合SHELL MESC SPE 77-300至2500级要求。
• 低温船用装载臂-OmniSeal®PTFE唇形密封圈被应用于装载臂紧急分离系统的低温旋转回转装置,该装置的作用是在-196°C的极低温度下运输大量冷却气体。
• 气体压缩系统中的轴向控制阀-预计应用不断增长,海底压缩技术可提高气体回收率,降低投资和运营成本,减少对环境的影响,并且在新平台上可以实现更安全的操作。自2015年开始,我们的密封圈已在水下3,000米(9,842英尺)的挪威海世界首个海底天然气压缩站上使用。该密封圈为定制设计并采用独有的Fluoroloy®材料混合物制造。其在API6A PR2测试中成功完成500,000次无泄漏寿命测试。
尽管弹簧蓄能密封圈在石油和天然气行业得到广泛应用,但其他高性能聚合物材料也具有某些优势。Meldin®公差控制产品非常适合高压和高温Rulon® LR而Rulon®AR则是耐化学腐蚀、不生锈、低粘滑的材料。 

以上四个考虑因素对于精确满足石油和天然气客户的要求以及确保持久信心至关重要。另外与石油和天然气巨头和EPC紧密合作,预测未来密封领域的挑战也同样重要。这类合作能够帮助我们开发出最佳的聚合物配方和设计。除了独有的FEA仿真能力外,我们还建造了一系列测试台,以此确保对我们的密封解决方案进行全面符合低温、高达30,000 psi压力以及逸散性排放行业标准的预验证。
我们不断致力于突破材料极限,并率先获得NORSOK M710认证,目前持有2%H2S、15%H2S和25%H2S认证以及API 6A附录F1.13.5.2液体HH浸入式测试认证。由于拥有这些成功案例以及专业技术知识,美国一家大型石油和天然气客户要求我们为API 6D隔离阀聚合物唇形密封的选型开发一本技术工程手册。该技术文件得到广泛传播,其目的在于提高人们对密封圈在恶劣的工作环境中对密封圈重要性的认识。我们的设计工程和研发团队始终致力于展现正确的密封解决方案对于石油和天然气核心系统所起到的重要作用。
您是否存在石油和天然气应用相关特殊密封圈的需求?欢迎立即联系我们 sales.pplcn@saint-gobain.com,了解我们能够为您提供的帮助。
 

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