0 引言

深水钻井隔水管伸缩装置安装在隔水管系统顶部，位于挠性接头与隔水管短节之间，是深水钻井中重要的升沉补偿设备，用于补偿钻井船的升沉运动。隔水管系统技术长期被国外垄断，近年国内高校、研究院所陆续开展隔水管系统研究，但主要针对隔水管单根，关于隔水管伸缩装置的研究报道很少^[1-9]。中国石油大学温纪宏等^[2]对隔水管伸缩装置密封环进行了有限元分析。宝鸡石油机械有限责任公司在隔水管伸缩装置1: 3比例样机(以下简称样机)试制成功的基础上，完成了勘探三号平台钻井隔水管系统升级改造，实现了对海洋深水钻井隔水管伸缩装置的升级设计^[3]。

笔者采用1: 3隔水管伸缩装置原理样机对其动密封设计原理、试验方法和试验装置设计进行研究，现场试验证明了其设计原理的正确性、补偿功能和密封性能的可靠性，为成功研制1: 1产品奠定了基础。

1 密封设计原理及试验内容 1.1 密封结构设计原理

深水钻井隔水管伸缩装置在实际工作中，由于海浪的作用，其内/外筒间进行频繁的伸缩运动以补偿钻井船的升沉；同时，深水钻井隔水管伸缩装置还需对其内部的钻井液起到密封作用，以防泄漏。为了保证钻井安全，设计了冗余的2道密封总成；工作时，上密封总成为主密封，下密封总成备用；在上密封总成失效更换时，下密封总成启用。密封总成设计有压力驱动仓，当其有一定磨损后，通过驱动入口对驱动仓注入压力后可继续实现有效密封，可延长密封总成的使用寿命，减小更换频率。

1: 3隔水管伸缩装置原理样机主要由内筒、外筒、上密封总成和下密封总成构成(见图 1)。上、下密封总成均设计有驱动仓，可从驱动仓注入压力实现密封总成的有效密封。

1.2 试验内容

根据密封结构设计原理，需要验证样机的补偿功能和密封可靠性。向样机主体内腔加水压，达到试验压力后，内/外筒间进行伸缩运动，样机不应有可见泄漏。假设密封总成存在一定磨损，需在驱动压力下产生密封效果，且密封总成驱动压力大于样机内腔水压0.10 MPa；伸缩运动单幅行程0.75 m，运动周期不超过5 s(平均速度不小于0.3 m/s)，次数不小于100次。

2 试验方案设计

根据深水钻井隔水管伸缩装置的使用工况和样机试验内容，该试验需要由动力系统、补偿系统、密封总成驱动系统和加压系统等共同完成。

动力系统模拟钻井船的升沉运动，带动样机进行伸缩。加压系统向样机内腔充满带压清水，模拟钻井液压力。补偿系统用来平衡样机伸缩运动中内腔液体体积变化和压力变化。密封总成驱动系统为密封总成提供驱动压力，使其产生密封效果。

2.1 试验工况分析

根据试验内容可知样机受力有3个：内腔液压作用力F₀、密封总成摩擦力f和动力系统作用力Q。对各作用力进行了计算分析。

2.1.1 样机内腔液压作用力

按静止状态即压力稳定状态，估算样机内腔液压对样机内筒/外筒产生的推出力。根据最大试验压力和内、外筒径计算得F₀=52 kN。

2.1.2 密封总成摩擦力

根据机械设计手册和密封总成材料，其摩擦因数取0.5。经计算得出，在最大密封驱动压力作用下，密封总成对样机内筒的摩擦力为76 kN。

2.1.3 动力系统作用力

由分析可得，使样机产生伸缩运动的条件为：①Q≥f-F₀时，样机内筒伸出；②Q≥f+F₀时，样机内筒缩回。因此，在最大工作压力下，样机内筒伸出时需要的动力系统作用力Q≥24 kN，缩回时需要的动力系统作用力Q≥128 kN。

2.1.4 样机运行中的排量

样机运行行程S=0.75 m，经计算，全行程下伸缩装置容积变化量ΔV=19.1 L。

运行速度0.3 m/s，经计算得伸缩装置容积变化速率(排量)为V_g=7.6 L/s=456 L/min。

由以上分析得出以下结论：①样机内腔液压作用力F₀ < 密封总成摩擦力f，密封总成摩擦力为不可忽略的作用力。②样机内筒缩回需要的最小作用力是伸出时需要的最小作用力的5倍多。③样机容积变化速率(排量)较大。

2.2 总成方案设计

笔者采用蓄能器进行液体体积补偿和压力平衡的方案。样机和蓄能器相连形成封闭容器，由加压系统提供初始压力后，切断压力源。当样机伸出时，内腔液压有下降趋势，蓄能器气囊膨胀，液体被排出、进入样机内腔；当样机缩回时，内腔中的液体受压，进入蓄能器，蓄能器气囊收缩，压力向上波动。蓄能器利用气体可压缩性达到平衡压力和补偿体积的目的。

动力系统由液压油缸实现。采用2个油缸与样机并排安装，分别位于样机两侧且与样机的距离相同。这样可最大程度降低试验装置高度，解决了竖直安装需要保证工装液缸与样机同轴的难题。样机试验装置如图 2所示。

基于以上分析，形成总成方案：2个工装油缸分布样机两侧，活塞杆通过横梁与样机外筒连接，2个油缸缸体分别固定于连接架体。样机内筒通过立管总成、水管与蓄能器连接。加压系统与水管相通。加压系统为样机内腔及水管充满带压液体(清水)，2个油缸在液压站的驱动下同步伸出，带动样机外筒伸出，样机内腔容积增大，管路中液体压力骤降，蓄能器内气体膨胀，迅速将其中液体排出、进入管路，补偿液体体积、平衡压力。样机伸出至极限位置时，油缸换向缩回，带动样机外筒缩回，样机内腔容积缩小，管路中液体压力剧增，蓄能器内气体被压缩，管路中液体进入蓄能器，平衡液体体积和压力。

3 试验装置设计 3.1 动力系统设计

动力系统由2个油缸和液压系统组成。选用双杆油缸，其额定工作压力为31.5 MPa，行程800 mm，速度大于0.3 m/s。

由2.1节分析可知，样机内筒缩回时需要的作用力远大于伸出时需要的作用力。在并排安装方案下，样机内筒缩回时油缸杆腔加压，伸出时油缸塞腔加压，这样会造成伸缩运动中油缸油压的剧烈变化。为了减缓这种剧烈变化，特选用双杆油缸，即塞腔也带杆，减小了塞腔油压作用面积。

液压系统的额定压力31.5 MPa，流量200 L/min。液压泵采用恒压变量柱塞泵，输出压力由样机发生运动所需的作用力决定，可随由内腔液体压力和密封总成摩擦力形成的综合作用力的变化而变化。该系统可以对液压缸的往复运动进行手动控制和自动控制，并具有对往复运动次数进行自动计数的功能。

3.2 补偿系统

补偿系统的主要构成是皮囊式蓄能器。皮囊式蓄能器通过水管与样机连接，组成密闭空间。通过计算分析，选择体积320 L、额定流量1 200 L/min的蓄能器。

3.3 连接固定

动力油缸、样机与横梁之间，以及动力油缸与连接架体间均采用同向销轴连接，在一定范围内可以对油缸因制造和组装原因造成的不同步情况进行自适应调节，同时可以对在样机-油缸平面内的组装误差进行调节。油缸活塞杆耳环中安装有关节轴承，可以在90°方向进行位置调节。这样就可以对空间位置进行三维调节。

3.4 加压装置

加压装置采用0～10 MPa气动水泵，压力表测量精度±0.2%，可实现各级试验水压供给。

3.5 密封总成驱动系统

样机有2道密封总成：上密封总成和下密封总成。上密封总成由气压驱动，由气控试验台实现气压供给，压力0～1 MPa；下密封总成由油压驱动，由液压站供给，压力0～8 MPa。

4 样机动密封试验

2017年，在宝鸡石油机械有限责任公司进行了海洋隔水管伸缩装置比例样机动密封试验。样机内腔水压分5挡：0.17、0.34、0.69、1.38和2.10 MPa，每挡压力下伸缩运动100次。

试验装置组装调试完成后，先进行空载试运行。启动液压站，样机在无载荷状态下伸缩运动2 min，运行过程中样机及试验装置均无异响、无卡阻。然后对蓄能器进行预充氮气，达到预先计算的压力值；对密封总成驱动仓注入压力，建立内筒与外筒间的密封。向样机内腔及其与蓄能器总成间的通道注满水，并由水泵对其加压。各准备工作就绪后，进行手动带载试运行。操纵控制台手柄，手动控制油缸伸出、缩回，观察内腔压力变化、样机密封状况、样机运行状态以及计数器工作状态等是否符合要求。一切正常后，将液压系统切换至自动状态，进行样机伸缩运动。达到100次后，停止试验，泄掉样机内腔水压，重新调整蓄能器预充压力、密封总成驱动仓压力和样机内腔水压，进行下一个级别的压力试验。

5 结论

(1) 动密封试验成功模拟了深水钻井隔水管伸缩装置的升沉补偿运动。在不同的试验压力下，样机均能够对工装油缸的伸出、缩回运动及时响应，证明了其有效的补偿功能。

(2) 在各挡试验压力下，样机伸缩运动过程中，密封总成均可实现对内筒的有效密封。试验结果验证了样机伸缩运动的密封可靠性，同时也证明了密封总成结构设计的正确性。

(3) 通过试验获得了样机内腔液压、油缸压力和油缸位移测试数据，可为研究深水钻井隔水管伸缩装置在升沉补偿运动中钻井液压力变化、伸缩装置与钻井船相互作用关系提供参考，也为1: 1产品的研制奠定了基础。

(4) 该研究提供了一种动密封试验方法，对其他的类似试验具有借鉴意义。