李志剛，運(yùn)飛宏，姜瑛，劉軍，弓海霞，王立權(quán)

（1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300456；3.哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

水下連接器密封性能分析及實(shí)驗(yàn)研究

李志剛1，2，運(yùn)飛宏3，姜瑛2，劉軍3，弓海霞3，王立權(quán)3

（1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300456；3.哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

針對(duì)水下連接器需要具有良好可靠性的問(wèn)題，對(duì)連接器的密封性能進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)卡爪式連接器的密封圈進(jìn)行彈性力學(xué)分析，用數(shù)學(xué)模型揭示了金屬密封機(jī)理，并根據(jù)其受力形式計(jì)算了密封比壓；根據(jù)密封比壓公式對(duì)密封圈密封面的角度進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種新型復(fù)合式內(nèi)外壓密封結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)有限元仿真分析及樣機(jī)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了新型密封圈所需的預(yù)緊力載荷只有82 t，比原始的標(biāo)準(zhǔn)透鏡式密封圈預(yù)緊力載荷小了將近30 t，證明了新型復(fù)合式內(nèi)外壓密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

連接器；彈性力學(xué)；透鏡式密封；密封比壓；密封性能；預(yù)緊力

連接器的密封技術(shù)研究是水下連接技術(shù)中最為關(guān)鍵的部分，也是目前壓力容器技術(shù)領(lǐng)域中十分受重視的研究?jī)?nèi)容?？ㄗB接是一種新型、快速的管道連接方式［1］，一般工作在深水海域，本文研究的工作水深為500 m，管道內(nèi)部壓力為34.5 MPa。連接器既要承受管道內(nèi)部油氣的高溫高壓，同時(shí)還要承受管道外部海水的低溫高壓，因此，對(duì)密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求比較高［2］，需采用基于自緊式密封的復(fù)合式密封結(jié)構(gòu)，使其既能抵抗內(nèi)部高溫高壓，又能抵抗外部海水的壓力。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于水下連接器用的密封圈主要還是采用標(biāo)準(zhǔn)的透鏡式密封圈，其預(yù)緊力和徑向尺寸均較大，有一定的改進(jìn)空間［3?4］。為了能夠滿足卡爪連接器實(shí)際工況的密封需求，分析了金屬密封圈的密封機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種不同于標(biāo)準(zhǔn)透鏡式密封圈的復(fù)合式內(nèi)外壓密封結(jié)構(gòu)。

1 金屬密封機(jī)理

如圖1所示，通過(guò)外屆向兩法蘭施加力，使之壓緊密封圈，法蘭與密封圈間的密封屬于自緊式線接觸端面密封，通過(guò)密封圈的球面與法蘭錐面形成線接觸進(jìn)而實(shí)現(xiàn)密封。當(dāng)零件經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后，由于刀具切削作用引起金屬塑性變形，在加工表面會(huì)產(chǎn)生間距較小的輪廓峰谷。當(dāng)施加預(yù)緊力時(shí)，兩法蘭相互靠近擠壓密封圈球面，法蘭錐面與密封圈的球面間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，兩配合面間“波峰”區(qū)域逐漸被削平并且產(chǎn)生流動(dòng)填平“波谷”區(qū)域，因此消除了密封間隙，在密封圈球面上產(chǎn)生彈塑性變形，使得法蘭錐面與密封圈球面間產(chǎn)生一條很窄的密封錐面環(huán)帶，實(shí)現(xiàn)了法蘭與密封圈間的密封［5］。法蘭與密封圈密封面接觸后的微觀形貌如圖2所示。在水下管道法蘭對(duì)接工程中，密封圈為可更換零件，而法蘭是可重復(fù)使用的零件，因此，在材料的選擇上要注意上、下法蘭的材料硬度要大于密封圈的材料硬度，這樣使密封圈較容易達(dá)到屈服極限，而不至于導(dǎo)致法蘭密封面過(guò)度變形而無(wú)法使用。

圖1 密封壓緊示意圖Fig.1 Schematic diagram of sealed compression

圖2 密封圈與法蘭密封面微觀形貌示意圖Fig.2 The microtopography of seal and flange seal surface

2 金屬密封分析

在高壓管道中普遍采用透鏡式密封，標(biāo)準(zhǔn)金屬透鏡式密封圈如圖3所示，圖中β為密封面與豎直方向的標(biāo)準(zhǔn)夾角。影響密封圈密封效果的因素有很多，比如密封圈厚度、寬度、材料特性、密封結(jié)構(gòu)、壓緊力以及密封比壓等等［6］。而密封比壓又可分為預(yù)緊狀態(tài)比壓和操作狀態(tài)比壓，這里對(duì)預(yù)緊狀態(tài)不做考慮，只關(guān)心其操作狀態(tài)，即對(duì)法蘭加載實(shí)現(xiàn)密封后的密封比壓，并建立其數(shù)學(xué)模型［7］。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)透鏡式金屬密封圈Fig.3 Standard lens?type metal seal

法蘭與密封圈間的密封不僅僅與預(yù)緊力有關(guān)，實(shí)驗(yàn)表明機(jī)械密封面之間存在流體液膜，液膜的推力也是影響密封比壓的重要因素，因此，法蘭錐面與密封圈球面間受力可分為：外界施加的壓緊力Fyj、液膜在密封面之間產(chǎn)生的推力。

2.1 外界施加壓緊力計(jì)算

由于卡爪式連接器的法蘭為非標(biāo)法蘭，無(wú)相應(yīng)的壓緊力標(biāo)準(zhǔn)可以參照，可按照螺栓法蘭連接密封載荷計(jì)算方法［9］進(jìn)行計(jì)算接頭外界所需施加的豎直方向的預(yù)緊力Fyj，密封面受力如圖4所示，F(xiàn)N為垂直于密封面方向的壓緊力：

式中：G為密封圈接觸直徑，mm；α為密封面與豎直方向的夾角，（°）；P為管道內(nèi)壓，MPa。

圖4 密封面受力示意圖Fig.4 Force diagram of seal surface

2.2 介質(zhì)膜推力

當(dāng)接頭法蘭內(nèi)部充滿介質(zhì)時(shí)，在上下法蘭與密封圈的密封面接觸處會(huì)形成一層液膜，液膜產(chǎn)生的壓力使法蘭與密封圈有分開(kāi)的趨勢(shì)［10］。

假設(shè)兩端面間介質(zhì)壓力分布規(guī)律為按直線分布，如圖5所示［11］。

圖5 介質(zhì)壓力梯度分布示意圖Fig.5 Distribution diagram of medium's pressure grade

密封面面積為

介質(zhì)壓力大小為

由式（1）、（2）得到介質(zhì)膜推力為

2.3 密封比壓計(jì)算

根據(jù)密封比壓的定義計(jì)算密封比壓，得出密封比壓公式如下［12］，式（5）中的密封寬度需要通過(guò)有限元分析來(lái)輔助求解：

式中：b為有效密封寬度，mm；Pb為密封比壓，MPa。

3 新型復(fù)合式內(nèi)外壓密封圈

連接器的密封是設(shè)計(jì)的核心，而預(yù)緊力是保證密封效果的關(guān)鍵。目前，使標(biāo)準(zhǔn)透鏡式密封圈所需的預(yù)緊力較大，安裝工具上的驅(qū)動(dòng)液壓缸需要具有較大的推力和行程，且連接器的徑向尺寸也較大，導(dǎo)致連接器安裝工具的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)加大。

為減小連接器的預(yù)緊力，進(jìn)而減小接頭及安裝工具的尺寸，減輕整個(gè)連接器的重量，用最有效的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)接頭密封，縮小與國(guó)外連接器的技術(shù)差距，故放棄標(biāo)準(zhǔn)的透鏡式密封圈結(jié)構(gòu)形式，對(duì)密封圈進(jìn)行改進(jìn)。

根據(jù)上節(jié)的受力分析可知，若保證密封圈垂直方向的受力不變（保持密封圈球面所受應(yīng)力在屈服極限），將式（5）進(jìn)行整理，則實(shí)現(xiàn)接頭有效密封所需要的比壓力為

分析式中的各個(gè)變量可知，當(dāng)α值減小時(shí)，所需的密封比壓Pb減小，即保證密封圈的受力狀態(tài)不變時(shí)所需的壓力減小，即所需的外界預(yù)緊力減小。

在設(shè)計(jì)新型密封圈時(shí)，保持原有的標(biāo)準(zhǔn)透鏡式球面直徑SR168.148 mm不變，將法蘭與密封圈的密封面配合角度由原來(lái)的β降低至α，在球面的底端設(shè)置一個(gè)安裝標(biāo)準(zhǔn)O型圈的錐形臺(tái)，在上面設(shè)計(jì)O型圈溝槽，使用同一法蘭密封面對(duì)球面及O型圈實(shí)現(xiàn)密封，可以減小法蘭的徑向尺寸。密封圈的定位槽用來(lái)與法蘭上的密封圈固定結(jié)構(gòu)相配合，從而對(duì)密封圈進(jìn)行軸向及徑向的粗定位。新型密封圈結(jié)構(gòu)如圖6所示，密封圈與法蘭、卡爪、壓力環(huán)的配合結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 新型復(fù)合式內(nèi)外壓密封圈Fig.6 A new composite internal and external pressureseal

為了方便在水下拆卸、更換密封圈，在上法蘭上增加了定位機(jī)構(gòu)。密封圈的安裝過(guò)程有專用的密封圈拆卸安裝工具，當(dāng)其帶動(dòng)密封圈垂直向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，密封圈兩端的凸緣推動(dòng)定位機(jī)構(gòu)縮回，當(dāng)密封圈運(yùn)動(dòng)到位后定位機(jī)構(gòu)伸出，伸入密封圈定位槽中，從而實(shí)現(xiàn)密封圈的定位。

圖7 新型密封圈與法蘭配合結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖Fig.7 Structural modification scheme of the new type seal combining with flange

4 密封圈有限元分析

在密封角度改變的過(guò)程中，需對(duì)密封角度與接頭預(yù)緊力的關(guān)系進(jìn)行分析，以上公式只能給出密封比壓與密封角度的關(guān)系，不能給出預(yù)緊力的確切值，因此利用ANSYS軟件對(duì)不同密封角度下的接頭預(yù)緊力進(jìn)行分析驗(yàn)證。

圖8 有限元分析模型的建立Fig.8 Establishment of the finite element analysis model

如圖8（a）、（b）所示為有限元分析模型和網(wǎng)格劃分的示意圖，由于每一個(gè)分析的模型均為上、下法蘭與密封圈的1／12，除密封面的角度外沒(méi)有其他變化，因此在ANSYS軟件中對(duì)其接觸、支撐等設(shè)置也相同。

模型的各個(gè)部件之間的接觸面用的都是有摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.15；下法蘭底面使用固定支撐；上下法蘭及密封圈的兩側(cè)切面均使用無(wú)摩擦支撐；同時(shí)，密封圈內(nèi)面及上下面、上下法蘭內(nèi)面的內(nèi)壓為34.5 MPa；最后，在上法蘭的上面施加一定的力，具體如圖8（c）所示。

將密封面從β至α每5°建立一個(gè)新的模型作為分析對(duì)象（β＝α+50°），共設(shè)計(jì)11組不同角度的密封方案，通過(guò)有限元分析，得到如表1所示的結(jié)果。試驗(yàn)用密封圈的材料選用316，其屈服極限為205 MPa，由表中可以看出，在密封圈的應(yīng)力已達(dá)到210 MPa以上，密封圈材料已發(fā)生彈塑性變形，實(shí)現(xiàn)了有效密封。不同密封角度的密封圈的預(yù)緊力各不相同，隨著密封面角度由β至α減小，預(yù)緊力由9.2 t減至6.5 t。按1／12計(jì)算，可知在α?xí)r整個(gè)密封圈的預(yù)緊力約為78 t，比β時(shí)的110.4 t減小了32.4 t，因此，將密封面角度減小到α可以減小預(yù)緊力。

表1 不同密封面角度的密封圈有限元分析結(jié)果Table1 Finite element analysis for different seal angles

圖9 優(yōu)化變量敏感性分析Fig.9 The sensitivity analyses of the optimization vari?ables

5 復(fù)合式內(nèi)外壓密封圈試驗(yàn)分析

5.1 內(nèi)壓試驗(yàn)

5.1.1 內(nèi)壓試驗(yàn)方案

使用壓力機(jī)施加軸向載荷，模擬卡爪對(duì)上、下法蘭的作用力，實(shí)現(xiàn)連接器接頭復(fù)合式密封圈的壓縮密封。通過(guò)向完成密封的上、下法蘭內(nèi)部密閉空間通入高壓油，并進(jìn)行保壓，測(cè)試連接器法蘭與密封圈配合密封的性能［13］。調(diào)整壓力機(jī)軸向載荷以及打壓壓力，觀察泄漏情況，探尋密封軸向力與密封性能的關(guān)系，并最終在保證34.5 MPa內(nèi)壓的1.5倍（51.75 MPa）的情況下確定其預(yù)緊力。

5.1.2 內(nèi)壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)內(nèi)壓試驗(yàn)過(guò)程及表2中的內(nèi)壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以有以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）通過(guò)自主設(shè)計(jì)的新型密封圈和法蘭密封結(jié)構(gòu)尺寸合理，能夠滿足預(yù)定的密封要求；

2）試驗(yàn)的過(guò)程中充分體現(xiàn)了密封圈良好的對(duì)中性能，墊圈的密封表面是球面，在法蘭閉合的過(guò)程中密封圈會(huì)自動(dòng)找正，因此在海底對(duì)接過(guò)程中密封圈的安裝角度偏差范圍更為寬松；

3）在更換密封圈的過(guò)程中，新型金屬密封圈的定位裝置非常便于密封圈的安裝及拆卸；

4）密封圈在預(yù)緊力82 t時(shí)，能夠密封略大于34.5 MPa的內(nèi)壓，與有限元分析的78 t接近，證明了密封角度適當(dāng)減小可以減小預(yù)緊力；

5）當(dāng)預(yù)緊力增至120 t時(shí)能夠滿足34.5 MPa的1.5倍（51.75 MPa）內(nèi)壓密封要求。

表2 內(nèi)壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table2 The testing data of internal pressure

5.2 外壓試驗(yàn)

5.2.1 外壓試驗(yàn)方案

外壓試驗(yàn)須在內(nèi)壓試驗(yàn)成功基礎(chǔ)上進(jìn)行。在確定復(fù)合式密封圈對(duì)于管道內(nèi)壓的有效密封之后，分別在封住34.5 MPa和51.75 MPa的軸向預(yù)緊力下進(jìn)行外壓試驗(yàn)，測(cè)試O形圈與法蘭密封面之間的配合對(duì)外壓的密封能力，保證可以密封500 m水深即5 MPa的外壓，并最終實(shí)現(xiàn)在5 MPa的1.5倍即7.5 MPa的外壓下的密封。

5.2.2 外壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：

1）密封圈在預(yù)緊力為82 t時(shí)，保壓34.5 MPa，使密封圈處于實(shí)際工作情況下，能夠封住5 MPa的外壓，即密封圈滿足水深要求；當(dāng)外壓加到7.5 MPa時(shí)在保壓時(shí)間內(nèi)仍然沒(méi)有出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，說(shuō)明密封圈能夠適應(yīng)外壓惡劣的情況。

表3 外壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table3 The testing data of external pressure

2）密封圈在預(yù)緊力為120 t時(shí)，保壓51.75 MPa，使密封圈處于極限工作情況下，能夠封住5 MPa的外壓，即密封圈在極限工作情況下依然滿足水深要求；當(dāng)外壓加到7.5 MPa時(shí)在保壓時(shí)間內(nèi)仍然沒(méi)有出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，說(shuō)明密封圈能夠適應(yīng)內(nèi)外壓均惡劣的情況。

6 結(jié)論

本文從彈性力學(xué)的角度分析了金屬密封圈的密封機(jī)理，研制了一種新型復(fù)合式密封圈，對(duì)其密封角度進(jìn)行了優(yōu)化分析，并進(jìn)行了試驗(yàn)，可得到以下結(jié)論：

1）通過(guò)對(duì)密封圈受力狀態(tài)的分析，可對(duì)其密封比壓進(jìn)行推導(dǎo)，從而得到密封比壓與密封面角度之間的關(guān)系，適當(dāng)?shù)臏p小密封面的角度可以減小密封比壓。

2）對(duì)密封面角度由標(biāo)準(zhǔn)的β至β-50°分別建立模型進(jìn)行有限元分析，得到密封面角度與預(yù)緊力的直接關(guān)系，由β至β-50°預(yù)緊力減小了32.4 t，證明適當(dāng)?shù)臏p小密封面角度可以降低卡爪連接器所需的預(yù)緊力。

3）對(duì)連接器密封圈及法蘭進(jìn)行內(nèi)壓試驗(yàn)，證明了在法蘭的預(yù)緊力為82 t左右可以密封34.5 MPa的內(nèi)壓，與有限元分析的結(jié)果一致；同時(shí)，適當(dāng)?shù)奶岣哳A(yù)緊力可以密封更高的內(nèi)壓。

4）對(duì)裝置的外壓試驗(yàn)證明了在正常工作狀態(tài)及極限工作狀態(tài)下，密封圈均可以對(duì)5 MPa及7.5 MPa的外壓實(shí)現(xiàn)密封。

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Analysis and experimental study of subsea connector's seal performance

LI Zhigang1，2，YUN Feihong3，JIANG Ying2，LIU Jun3，GONG Haixia3，WANG Liquan3
（1.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Offshore Oil Engineering Company Limited，Tianjin 300456，China；3.College of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

The seal performance of subsea connectors was analyzed in order to meet the challenges and solve the difficulties of ensuring the good reliability of the connectors.The elastic analysis of the claw type connector seals was carried out，the mechanism of metal seal was revealed by a mathematical model and the seal specific pressure was calculated according to the form of its stress.The seal angle was improved based on the seal spe?cific pressure formula.A new combined seal structure which can withstand internal and external pressure was made.The results of finite element analysis and the experiments with prototype showed that the preload of the new lens?seal is only 82 t and it is almost 30 t less than the standard lens?seal，which proves the superiority of the new combined structure.

connector；elasticity；lens?seal；seal pressure；seal performance；pretightening force

10.3969／j.issn.1006?7043.201312006

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.U.20150109.1520.011.html

TE54

A

1006?7043（2015）03?0389?05

2013?12?02.網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015?01?09.

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013AA09A217）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51105088）；海洋石油總公司基金資助項(xiàng)目（CNOOC?KJ125ZDXM05GC00GC2011?02）；國(guó)家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（2011ZX05027?004）.

李志剛（1965?），男，高級(jí)工程師；運(yùn)飛宏（1988?），女，博士研究生；王立權(quán)（1957?），男，教授，博士生導(dǎo)師.

運(yùn)飛宏，E?mail：yfh88818＠163.com.