一种海洋钻井平台密封装置

1.本发明属于钻井平台技术领域，具体涉及一种海洋钻井平台的密封装置。


背景技术：

2.目前，世界范围内的海洋钻井平台的密封技术长期被欧、美等发达国家的公司所垄断，我国对这方面的研究还处于初期探索阶段。石油作为一种战略能源，一个国家的石油储备量一直都备受关注，而我国的渤海、黄海、东海和南海海底是石油富集区，具有良好的勘探和开发前景。我国的石油不能一直依赖进口，应尽早完善自己的石油开采技术，海洋平台相对独立、封闭，属于高风险区域，原油及伴生气体的泄漏会导致不可预估的后果和灾难。为降低石油勘探开发成本，世界上各个国家都在不断研发新的石油开发技术，顶部驱动钻井装置（简称顶驱）是目前钻井中需要的一种重要装备，被誉为近代钻井装备的3大技术成果之一。顶驱中的水龙头冲管总成是钻井液密封系统中最薄弱的环节，除要求必须能够承受高压钻井液的作用外，还必须能够有效防止高压昂贵的钻井液泄漏，其密封性能的优劣直接影响并决定海洋石油开采系统的安全性和可靠性。随着全球范围内水平井和复杂井钻探数量的增多，钻井的压力不断地提高，对密封性的要求也越来越苛刻，同时为了打破国外行业垄断，在这样的背景下，研究承载能力强、拆装效率高、具有高稳定性的密封装备十分必要。
3.海上钻井平台目前关键的密封部件主要依赖进口，且以橡胶填料密封为主，此种填料式密封在装置运行过程中产热大、易损耗、寿命短且易失效，一旦失效，花费的更换或维修时间往往要1~5h，而每个小时的损失高达数千美元；上部的驱动冲管密封装置距钻头数米，且工人必须用大锤进行更换，危险系数很高。更为严重的是，填料密封的实际寿命难以预估（5~500h不等），给钻井工作带来不确定性因素，对作业人员生命安全存在不确定风险。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于开发一种海洋钻井平台密封装置，具有耐高压、易装卸、二次防泄漏的功能，提升顶驱在工作时密封系统的良好密封性能。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种海洋钻井平台密封装置，密封装置包括鹅颈管和中心管，鹅颈管与中心管对接，鹅颈管从右端起依次安装上压盖、弹簧座、静环轴套、静环座以及静环，静环轴套与弹簧座之间留有平衡压强的端面，端面的两侧表面涂覆疏液涂层，所述中心管从左端起依次安装动环轴套、动环座以及动环，所述静环与动环配合形成第一主密封面，所述动环轴套与静环轴套配合形成第二迷宫密封；所述密封装置外部安装防护罩。
6.优选地，所述静环与动环的接触端面为主密封面，所述动环端面采用槽型端面结构。
7.优选上述方案，槽型端面结构采用螺旋槽，槽底涂覆超疏液涂层。
8.优选地，所述动环轴套与静环轴套之间设计成若干曲折的小室，相互配合构成迷宫密封的结构。
9.优选地，防护罩安装在中心管的轴肩和鹅颈管的法兰盘之间，所述防护罩由两个半壳体组合而成。
10.优选地，所述防护罩上开有视孔盖和通气器。
11.优选地，上压盖与鹅颈管通过螺纹连接；上压盖与弹簧座，弹簧座与静环轴套，静环座与静环轴套三者均通过凹凸结构连接。
12.优选地，上压盖上均匀设置定位柱用于安装弹簧，弹簧另一端配合安装在弹簧座上；弹簧座上还设有螺栓柱，对应在上压盖上设有螺栓孔，螺栓柱与螺栓孔之间通过预紧装置连接。
13.优选地，动环轴套与中心管通过螺纹连接，动环座与动环轴套通过凹凸结构连接。
14.优选地，所述防护罩由两个半壳体通过螺栓连接而成，连接处设计有凹槽，凹槽内加有橡胶垫片，用于配合密封。
15.上述技术方案可以得到以下有益效果：本发明具有二次密封的功能，降低了因密封失效而引发井喷事故的风险，显著提升了密封装置的密封可靠性；使用剖分式防护罩，安装方便，且防护罩上开有视孔盖和通气器；采用平衡型密封结构，在高压介质的情况下仍能具有良好的密封性能；使用活动螺纹杆进行精细调节，方便拆卸与安装。
附图说明
16.图1是本发明结构示意图；图2是本发明的整体外观示意图；图3是本发明的动环表面图；图4是本发明的迷宫密封局部图；图5是本发明的上压盖结构图；图6是本发明的平衡压强的端面图；图7是本发明的弹簧座结构图；图8是本发明的活动螺纹杆结构图；图9是本发明的套筒结构图。
17.图中；1、鹅颈管；2、防护罩；3、橡胶垫片；4、上压盖；5、弹簧；6、疏液涂层；7、弹簧座；8、视孔盖；9、静环轴套；10、通气器；11、静环座；12、静环；13、动环；14、动环座；15、凸起；16、半壳体；17、动环轴套；18、中心管；19、凹槽；20、螺栓柱；21、定位柱，22、螺栓孔。
具体实施方式
18.下面结合附图对本发明做进一步的说明：如图1
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9所示，本发明提供一种技术方案：一种海洋钻井平台的密封装置，动环座14上的动环13与静环座11上的静环12的接触端面为主密封面，动环和静环两端的各有一个轴套，分别是动环轴套17与静环轴套9，两端轴套相互配合形成迷宫密封，达到二次密封的效果。
19.上述的动环，静环受力大小相同，方向相反，动环将力传递给动环座，动环座受力抵住动环轴套，动环轴套把力传递给中心管，中心管上的力与防护罩上的力相互抵消，静环将力传递给动环座，动环座传递给动环轴套，动环轴套受力抵住弹簧座，弹簧座受力压紧弹簧，弹簧座在弹簧力与端面平衡力的共同作用下保持动态平衡，上压盖受到弹簧力与端面平衡力，把力传递给鹅颈管，鹅颈管通过法兰盘把力传给防护罩，与中心管传递的力相抵消。
20.本设计装置使用的情况较为特殊，对空间利用率要求较高，且为了减少零件数量，因此多处采用凹、凸定位配合的结构。以弹簧座为例，如图7所示，在弹簧座中间部分设计有弹簧抵压的槽面；顶部圆柱面上设计有凸起15，上压盖通过凹槽19与弹簧座上的凸起配合用来定位，该凸起与上压盖上的凹槽配合形成径向上的定位，防止径向上旋转；弹簧座的下方设计有凹槽以便与静环轴套配合定位；上压盖通过凹槽与弹簧座上的凸起配合用来定位。
21.通过凸起与凹槽配合关系形成的凹、凸定位配合结构，在动环座与动环轴套的配合中起到了带动动环运动、定位固定的作用；在静环轴套与静环座的配合中起到了定位固定的作用；在弹簧座与静环轴套的配合中起到了定位的作用；这样既能达到设计要求而且精度高又节省了材料。
22.动环与动环座固定在一起，与动环轴套配合，并通过凹凸结构定位固定，动环轴套通过螺纹与中心管18连接；当装置运转时，动环轴套带动动环座跟着中心管转动，动环也随之旋转。
23.在动环上设计了如图3所示的槽型端面结构，其螺旋槽的槽底涂覆超疏液涂层，可避免杂质堵塞螺旋槽流道，确保主密封面具有良好的密封性能。
24.动环轴套，静环轴套之间设计有许多曲折的小室，如图4相互配合构成了迷宫密封的结构，这样在主密封失效后，在二次密封结构下，就不会发生钻井液灾难性地喷射，进而造成严重不良后果。
25.结合图1和图5，弹簧5安装在上压盖的定位柱21上，抵住弹簧座，为其提供补偿力，定位柱21呈环形均匀分布在上压盖端面上，在本设计中，弹簧产生压紧力，在机器不运转时保持动环和静环紧密接触，而且起到缓冲的作用。弹簧位于静环一端，避免在高转速情况下弹簧及其他转动零件产生的离心力。在弹簧座的周围设计了多个沿圆周均匀分布的弹簧；在内部设有定位柱与静环轴套定位配合。
26.上述弹簧采用多弹簧（小弹簧）方式，在密封装置中有数个小弹簧，沿轴圆周均匀分布，其优点是端面上比压均匀，轴径增大时不受影响，转速增大，多弹簧端面比压稳定；多弹簧在压缩量变化时，弹簧力变化较大，多弹簧可以通过增减弹簧个数调节弹簧力，多弹簧制造时要求弹簧高度应一致。
27.为了使弹簧达到提供补偿力作用的目的，在安装时，需要先将弹簧预紧再进行装配，因此设计了该预紧装置，如图8和9所示，分别为活动螺纹杆和套筒，套筒内部设有螺纹，活动螺纹杆一端设有贯穿孔，方便拆卸，预紧弹簧时，套筒一端先与弹簧座7上预留的螺栓柱20连接，再将活动螺纹杆拧进上压盖里的螺纹孔22，进而与套筒另一端连接，旋进螺旋杆压紧弹簧，达成预紧效果，上述的套筒两端内螺纹旋向相反，与两侧螺杆螺纹相匹配；在安装完成后，卸下活动螺纹杆与套筒；拆卸时先将防护罩2外部的螺栓取下，卸下防护罩，用活
动螺纹杆和套筒压紧弹簧，卸出静环座11，松开螺纹杆与套筒，取下静环轴套9与弹簧座7，取出弹簧5，将动环座14和动环轴套17卸下，卸下上压盖4，静环与静环座、动环与动环座安装采用热装工艺，嵌入式设计，通过加热树脂粘合剂后分别取下。
28.如图6静环轴套与弹簧座之间留有平衡压强的端面6，端面的两侧表面涂覆疏液涂层，用来防止钻井液中的杂质堵塞，导致平衡失效，疏液的目的是疏离钻井液，这样钻井液中的杂质也会包裹在钻井液中，不会附着在端面，使之难以堵塞缝隙。
29.如图8在防护罩上开有视孔盖8和通气器10，防护罩外端凸起用于安装时方便抓持，在外侧圆柱面上还开有视孔口，可以直接观察密封装置的运行状况，并在视孔口处设有翻盖，在不需要观察时及时关闭。
30.由于钻井平台所处的环境比较恶劣，如果将密封装置与外界环境直接接触，将严重影响密封装置的使用寿命，以及密封装置的稳定性，因此在密封装置的外部设计有如图2所示的防护罩，防护罩为半剖结构，结合面间设有橡胶垫片3。防护罩上端通过螺栓与鹅颈管上的法兰盘连接，在外侧圆柱面上还开有视孔口，可以直接的观察密封装置的运行状况，由于该防护罩底部与其他装置接触固定，在底部设计有对称的孔，方便与其他装置固定。
31.上述技术方案中，各个部分之间均设有密封圈，具体是鹅颈管、弹簧座、静环轴套、静环座之间均安装密封圈，动环与动环座固定在一起，与动环轴套配合，上述结构也设有密封圈，除密封环、橡胶垫片和密封圈均采用防腐钢材。
32.以上所述均为本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的原理前提下，对本发明的各种等价形式的修改均属于本技术所附权利要求的保护范围。