Wie
In extremen Unter-Tage-Umgebungen mit hohen Temperaturen und Drücken, die mit Rohöl gefüllt sind, ist die Verhinderung des Aufquellens (Swelling) von Dichtungsmaterialien der entscheidende technische Engpass, um eine langfristige hermetische Abdichtung von Glasfaser-Durchführungen (Fiber Optic Feedthroughs) zu gewährleisten.
Aus der Perspektive der Polymerphysik und Materialchemie erfordert die Verhinderung des Aufquolgens ein systematisches Design, das auf drei Dimensionen basiert: thermodynamische Unterdrückung, kinetische Barrierebildung und anorganische Substitution:
1. Analyse der physikalischen und chemischen Mechanismen des Aufquellens
Unter Betriebsbedingungen mit hohen Temperaturen (z. B. T \ge 150^\circ\text{C} ) und hohen Drücken (z. B. P \ge 100\text{MPa} ) versuchen Mehrkomponenten-Kohlenwasserstoffmoleküle aus Rohöl, in das Dichtungsmaterial einzudringen:
- Thermodynamische Löslichkeit nach dem Ähnlichkeitsprinzip: Wenn der Lösungsparameter des Dichtungsmaterials (z. B. herkömmliches Gummi, Epoxidharz) dem der Rohölkomponenten nahe kommt, ist die Mischungsfreie Energie negativ, und das Aufquellen erfolgt spontan. Hohe Temperaturen beschleunigen die Entspannung der Polymerkettensegmente und vergrößern deren freies Volumen, was diesen Prozess verschärft.
- Dynamisches Pressen unter hohem Druck: Der hohe hydrostatische Druck bildet eine starke treibende Kraft, die die Penetration von Mediummolekülen durch Mikroporen oder mikroskopische Defekte des Dichtungsmaterials erzwingt und den Diffusionsprozess beschleunigt.
2. Technische Lösungen zur Verhinderung des Aufquellens im Dichtungsdesign
1. Maximale Erhöhung der Vernetzungsdichte von Polymermaterialien
Wenn in Hilfs- oder dynamischen Dichtungsbereichen Polymermaterialien verwendet werden müssen, werden in der Regel Perfluorelastomere (FFKM), Polyetheretherketone (PEEK) oder Polyimide (PI) eingesetzt.
- Hohe Vernetzungsdichte: Eine extrem hohe Vernetzungsdichte schränkt die Dehnung und Verschiebung von Molekülketten ein und begrenzt topologisch den Raum für die Adsorption und Aufnahme von Lösungsmittelmolekülen.
- Chemische Inertheit und Polaritätsunterschied: Die Kohlenstoff-Fluor-Bindung ( \text{C-F} ) der Hauptkette von Perfluorelastomeren ist extrem polar und weist eine sehr hohe Bindungsenergie auf. Sie ist thermodynamisch stark unvereinbar mit den unpolaren oder schwach polaren Kohlenwasserstoffmolekülen in Rohöl, wodurch das Aufquellen wirksam unterdrückt wird.
2. Anorganische Hartabdichtung (Glas-Metall-Verschmelzung GTMS) – die ultimative Lösung gegen Aufquellen
Um die Risiken von Ausfällen organischer Polymermaterialien aufgrund von Aufquellen, Hydrolyse und thermischer Alterung vollständig zu eliminieren, verzichten die Kern-Druckschnittstellen von Glasfaser-Durchführungen „speziell für Ölbohrungen“ in der Regel vollständig auf organische Dichtmedien und verwenden anorganische nichtmetallische/metallische eutektische Schmelzversiegelungen.
- Glas-Metall-Verschmelzung (Glass-to-Metal Seal, GTMS): Spezielles Niedrigtemperatur-Verschmelzungsglas wird bei hohen Temperaturen geschmolzen, um den Quarzglaskern der Glasfaser und den Edelstahl- (z. B. 316L, 825-Legierung) oder Kovar-Legierungsrumpf zu einer Einheit zu verschmelzen. Weder das anorganische Glas noch das Metall verfügen über ein Polymernetzwerk und zeigen daher ein Null-Aufquellen (Zero Swelling) gegenüber Kohlenwasserstoffmolekülen aus physikalischer Sicht.
- Metallisierte Glasfaser-Löten: Nach dem Entfernen der organischen Beschichtung der Glasfaser wird eine Metallschicht (z. B. Übergangsmetalle wie Titan, Platin, Gold und eine Goldschicht) auf die nackte Quarzoberfläche aufgebracht. Anschließend wird die metallisierte Glasfaser mit einem hochschmelzenden Lötmittel (z. B. Gold-Zinn-Legierung \text{Au-Sn} ) direkt in das Metallloch des Rumpfes gelötet. Die chemische Korrosionsbeständigkeit dieser Lösung ist vergleichbar mit der nahtloser Stahlrohre.
3. Physikalische Barrieren und mehrschichtige Panzerung
Am nassen Ende der Glasfaserzuführung zur Durchführung wird typischerweise das Verfahren der Metallrohrverkapselung (Fiber in Metal Tube, FIMT) angewendet. Nahtlose Stahlrohre werden verwendet, um die Glasfaser, die Beschichtung und das umgebende Rohöl und Hochdruckmedium räumlich physisch zu isolieren.
3. Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) Produkte für Glasfaserversiegelung und -übertragung unter extremen Bedingungen
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. nutzt präzise Optik- und Mikromontagetechnologien, um Glasfaserversiegelungs- und mehrschichtige Untertage-Schutzlösungen für extreme Hochdruck-, Hochvakuum- und komplexe chemische Umgebungen anzubieten:
1. OFSCN® Fiber Optic Vacuum Sealed Flange
Dieses Produkt wurde speziell für Durchführungen und Flanschverbindungen mit hohen Anforderungen an die Gasdichtheit entwickelt und bietet eine extrem hohe Medienbarriere für die Glasfaserübertragung.
- Hauptparameter:
Einsatz bei Raumtemperatur, anpassbar für Produkte bis 250℃;
Zwei Serien: CF und KF, als Buchse und Stecker erhältlich, ein- und mehrköpfig ausführbar;
Vakuum besser als 1\times10^{-7}\ \text{Pa} und 1\times10^{-9}\ \text{Pa} .
2. OFSCN® Triple-Layer Downhole High-Temperature Fiber Optic Cable
Ein mehrschichtig verkapseltes nahtloses Stahlrohr-Glasfaserkabel, das für stark korrosive Umgebungen wie Untertage in Ölbohrungen entwickelt wurde. Durch die schichtweise physikalische Metallrohrisolierung wird Rohöl vollständig abgeschottet, wodurch chemisches Aufquellen und Alterung der inneren Glasfaser vermieden werden.
- Hauptparameter:
Verwendet eine dreischichtige nahtlose Stahlrohrverkapselung, Standardverkapselungsmaterial ist Edelstahl 316L, Legierung 825 ist optional;
Außendurchmesser des nahtlosen Stahlrohrs: 6,35 mm (Viertelzoll), Wandstärke 0,9 mm;
Mittlerer Durchmesser des nahtlosen Stahlrohrs: 4,0 mm, Wandstärke 0,3 mm;
Innendurchmesser des nahtlosen Stahlrohrs: 3,0 mm, Wandstärke 0,3 mm.
