水下增压系统中密封材料内部气体快速减压问题

费健杰

(中海油田服务股份有限公司，天津 300450)

随着水下增压和泵送系统设计、安装、操作方式以及所处环境的改变，RGD相关问题越发难以控制，因此，需要对RGD问题进行多角度考虑分析，寻找适当的解决方法，降低RGD发生的概率。RGD是指气体在高压下被吸收到弹性密封(橡胶O型密封圈)后，由于压力的快速下降而迅速膨胀的过程。这种压力的快速下降导致弹性密封内气体体积迅速增加，在这个过程中，气体体积的快速增加会对弹性密封产生一定的破坏，从而严重影响水下设备的工作，并可能带来重大的经济损失[1～2]。由于水下阀门的限制和水下控制系统固有的通信延迟，阻止RGD的发生相对较为困难。在水下增压系统中，为降低RGD发生的概率，同时降低RGD带来的损失，提高泵送系统使用的安全性，本文提供了多种RGD解决方案，即使不能完全消除RGD，也可以极大地减少它们的影响。实施这些解决方案将大大提高泵送系统的安全稳定性，对泵送系统安全使用有重要意义。

1 RGD的定义

RGD(气体快速减压)可以归类为一种极端的减压现象，从高压(数千psi)到低压(数百psi到大气)，在数秒或瞬间的时间完成减压过程，RGD也可称为爆炸性减压。减压过程通常发生在弹性密封的内部，弹性密封的组成、所处环境和设计方案将决定弹性密封可承受的减压速率。文中所提及的海底增压和泵送系统是一种独立的泵系统，安装在海底，帮助人工将碳

氢化合物举升到地面。通常，这些系统在较高压力的条件下工作，在后期的启动过程中压力会大幅降低。在压力瞬间降低的过程中，弹性密封被破坏，使得密封性能下降，进而影响海底增压和泵送系统的稳定工作。

2 为什么RGD过程会影响海底增压系统

通常情况下，在泵送系统附近的运转压力较高，可能会出现压力快速降低现象，使得泵送系统附近的压力在较低的水平达到平衡状态，严重破坏泵送系统中密封元件，例如一些典型密封元件：O型密封圈；电缆，连接器接口；水下泵电缆密封/保护；泵和海底设备等[3]。

在海底生产系统中，对设备的控制存在一定的局限性，可能会加剧RGD过程。与安装在深水中的水下设备相比，安装在海上和陆上的地面生产设备可以更严密、有效地控制。水下阀门很难进行严密和有效的控制，无论是使用电动阀门还是通过遥控操作手动阀门。这种对海底阀门的“粗糙”控制可能会在阀门开启过程中导致RGD。海上装置的地面阀门进行严密地控制；然而，当阀门安装在水下时，难以进行严密地控制。水下增压系统的另一个局限性是信息到达地面的时间有一定延迟，以及将控制命令返回海底架构的时间有一定延迟。即使是基于光纤的控制系统，信息传输(如压力信号)、控制系统分析和控制系统发出响应的过程中，也会产生几秒钟延迟，从而无法阻止RGD。举个简单的例子，考虑如图1所示的泵送系统，在进、出压力分别为 1 500 psi和3 500 psi的情况下工作，在完全将井隔离之前，它会经历停机和关闭排放阀。在这个例子中，有液体、气体和化学物质注入排放阀，它们也会关闭。如图2左侧所示，如果WHSⅠP（关井压力）为10 000 psi，那么，由于距离井口较近，泵的内部压力很快也会达到10 000 psi。压力保持不变，高压本身不会影响泵的工作，在随后重新启动的过程中，压力的快速降低容易破坏弹性密封，进而影响泵的工作。

在我们重新启动泵系统之前，即使井已经与泵系统隔离，泵腔内的压力与气体和液体排出管线内的压力也需要保持平衡。如果没有严密控制压力平衡的过程，压力平衡的过程将迅速完成。由于泵的体积远远小于气体或液体管道的体积，高压气体(10 000 psi)将迅速消散到管道腔内，压力在较低的水平下达到平衡状态。此时，在高压状态下被压缩并吸收到弹性密封内部的气体迅速膨胀，在较低压力下达到平衡状态，对弹性密封造成一定的破坏。此外，若化学物质注入管线(如果有的话)打开顺序有误，也可能导致RGD。

3 弹性密封如何受RGD影响?

压力快速平衡可以归类为RGD，下面将介绍它是破坏弹性密封，以及破坏性如此之大的原因。压力快速平衡的发生过程如前文所述，在高压(10 000 psi)下，任何弹性密封(O型密封圈、气囊等)内部的气体将被压缩在一个相对较小的体积，如果RGD过程不受控制，在压力迅速平衡的过程中，如图2右侧所示，随着压力迅速降低，气体将在弹性密封内部消散之前迅速膨胀，在“膨胀”过程中，破坏弹性密封，导致泵送系统因弹性密封破坏而停止工作。RGD主要发生在大约1 000 psi以下的快速减压过程中。在这个压力之上，弹性密封破坏较轻。在此压力下，气体体积迅速变大，造成弹性密封严重破坏。将压力瞬间从10 000 psi降至1 000 psi是有可能的，对弹性密封造成轻微损害，但从1 000 psi降至大气压力时，必须严格控制。图3和图4显示了由于RGD而破坏的弹性制品(O型密封圈、气囊)的照片。可以看出，弹性制品的破坏，严重影响其外观完整性，同时也失去了使用价值，这种由RGD导致的破坏必须尽量避免，才能使得泵送系统安全平稳地工作。

4 RGD的解决方案

RGD的发生及其导致弹性密封破坏过程如前文所述。目前在石油工业中，防止RGD破坏最常用的方法主要有：控制压力平衡，金属密封接口，使用耐RGD材料，机械密封。

5 下面将讨论这四种主要解决方案

5.1 控制压力平衡

正如前文提到的，压力在1 000 psi以下的降压过程是造成弹性密封破坏的主要原因。若高压(1 000 psi)状态降至低压状态(300 psi)以可控的方式完成，压缩气体可以扩散出弹性密封，从而减轻RGD对弹性密封的破坏。尽管减压速度越慢越好，但在行业文献及相关规范中，大多数应用的最高减压速率是500～1 000 psi/min，此时弹性密封破坏相对较小，不影响密封性能。对于一些应用，为确保系统工作的稳定性，需要在更低的减压速率(100～300 psi/min)下完成。测试和检查弹性密封相关性能是至关重要的，在石油和天然气行业中，应用于弹性密封RGD实验的标准主要是Norsok M710 rev. 2。

正确的停机顺序也是平衡压力的常用方法。在不同的启动条件下，严格执行阀门控制程序有利于控制压力平衡，因为泵系统启动时，上游阀门有可能处在关闭状态，这是一个常见的错误，这会影响泵的工作。此外，操作人员的培训也是控制压力平衡的常用方法之一。

5.2 金属密封

若所有的密封区域都可以用金属—金属密封，在很大程度上可以忽略RGD问题，然而，完全使用金属-金属密封的解决方案是不切实际的，那么连续密封屏障是另一个可行的解决方案[4]。首先，可以使用不透气的屏障将弹性密封隔离，防止气体进入弹性密封，此时，可以假定该系统是不受RGD影响的。这种新型解决方案，在复杂的海底增压和泵送系统中的应用需要进一步确认，设备的安装和应用的限制也需考虑在其中。

5.3 耐RGD材料

由于装配等问题导致金属-金属密封无法完全代替弹性密封，使用耐RGD的材料是另一种合适的解决方案。目前，市场上有许多符合RGD标准的弹性体，这些弹性体可以用于泵送系统最常用的密封装置。使用这些材料的前题，要进行相关实验确认，以确保材料性能(如使用温度范围、化学相容性、硬度等)符合使用要求，将这些材料与前面提到的控制压力平衡的方法一起使用，将会起到一定的优势互补作用。

5.4 密封容器

应对RGD的最后一个解决方案是使用密封容器。这是一个简单的解决方案，在密封区域处增加密封容器即可。这是大多数O型密封圈密封的首选方案，但也可以应用于其他密封区域设计，如端面密封。该解决方案将弹性密封(如O型密封圈或端面密封)限制在特定的几何形状中，并允许夹带气体以可控的方式从弹性密封中逸出，且不会在逸出过程中扭曲弹性密封，它的好处主要是在一定程度上减轻弹性密封的膨胀。使用密封容器时，当夹带气体逸出时，密封装置仍然可以提供良好的密封性，使系统能够稳定地工作。图5和图6比较了密封环和非密封环的密封方案，图6还显示了密封容器增强密封性能的方案，其中一个备份环与O型密封圈一起使用，确保了优异的密封性能。

6 结论

以上介绍的RGD解决方法各有特点，必须结合实际使用条件采取适合的解决方法，一般情况下，至少需要有两个或更多的RGD解决方案应用到整个海底增压和泵送系统的设计和工作中。一旦正确设计并检验合格，这些解决方案将确保泵系统在多次RGD后仍能稳定地工作。