王 剛，顏廷俊，李 平，李 鵬，叢日峰，孫寶晗

(1.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029;2.山東冠通管業(yè)有限公司,山東威海 264400)

0 引言

海洋油氣資源的開采已經(jīng)成為當(dāng)今世界石油發(fā)展的一個(gè)主要趨勢(shì)，而玻纖增強(qiáng)柔性管具有耐腐蝕、易彎曲、便于運(yùn)輸和施工等一系列優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為海洋油氣資源開發(fā)的主要發(fā)展方向[1-3]。接頭作為管道系統(tǒng)終端連接裝置，是管道系統(tǒng)中的重要結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是管道系統(tǒng)中最容易失效的環(huán)節(jié)。目前國(guó)內(nèi)外常用的非金屬復(fù)合材料管接頭有Traplock型接頭、Magma型接頭、扣壓接頭及Airborne公司生產(chǎn)的錐套連接型接頭。國(guó)內(nèi)常用扣壓接頭來連接非金屬復(fù)合材料管，但該連接方式容易在連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中[4]。本項(xiàng)目組在進(jìn)行玻纖增強(qiáng)柔性管用錐套連接型接頭研究之前進(jìn)行了扣壓接頭的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。由于扣壓接頭對(duì)扣壓過程中內(nèi)漲力及外扣力要求較高，該力過大或過小都會(huì)造成接頭連接失效，如圖1所示。而錐套連接型接頭在安裝過程中不需要通過扣壓設(shè)備進(jìn)行內(nèi)漲及外扣，其主要通過擰緊外護(hù)套與接頭內(nèi)芯法蘭間的螺栓，將作用在外護(hù)套上的軸向力通過錐形體轉(zhuǎn)換為作用在玻纖增強(qiáng)柔性管的徑向力，同時(shí)為使管體受力均勻，將錐形體進(jìn)行6等分，從而有效避免接頭在安裝過程中產(chǎn)生的壓緊面受力不均勻現(xiàn)象。目前，楊保成等[5]研制了新型柔性管接頭，此接頭不僅可以避免排氣孔在接頭扣壓過程中產(chǎn)生變形，而且可以提高排氣孔處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；吳翔實(shí)等[6-7]利用ABAQUS有限元分析軟件,對(duì)海洋非粘接復(fù)合材料管接頭的密封性能進(jìn)行校核，得到密封結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)接頭密封性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律；王少鵬等[8]利用ABAQUS有限元分析軟件，按照DNV設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)接頭所受應(yīng)力進(jìn)行校核，驗(yàn)證了新型楔塊夾緊式接頭系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可行性與結(jié)構(gòu)可靠性。目前尚未查到針對(duì)海洋玻纖增強(qiáng)柔性管用錐套連接型接頭密封性能方面的研究及標(biāo)準(zhǔn)。本文根據(jù)項(xiàng)目要求，參考API 17B標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，運(yùn)用ABAQUS有限元分析軟件，對(duì)海洋玻纖增強(qiáng)柔性管用錐套連接型接頭在極限工作壓力下的密封性能進(jìn)行全面校核，為海洋工程用玻纖增強(qiáng)柔性管接頭的密封設(shè)計(jì)提供參考。

(a)

1 錐套連接型接頭密封結(jié)構(gòu)及材料性能參數(shù)

該項(xiàng)目玻纖增強(qiáng)柔性管的設(shè)計(jì)內(nèi)壓為30 MPa，軸向拉伸載荷588 kN，管道爆破壓力為90 MPa。根據(jù)美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API 17B—2014《柔性管道推薦使用方法》規(guī)定,接頭必須滿足玻纖增強(qiáng)柔性管的所有性能要求，故接頭的極限工作壓力取90 MPa，由極限工作壓力產(chǎn)生的軸向拉伸載荷:

F=πR2p=π×76.22×90≈1 641.732 kN

為滿足設(shè)計(jì)要求，接頭在無內(nèi)壓載荷時(shí)接觸摩擦力應(yīng)大于管道設(shè)計(jì)軸向拉伸載荷588 kN，在極限工作壓力作用時(shí)，接觸摩擦力應(yīng)大于由極限工作壓力產(chǎn)生的軸向拉伸載荷1 641.732 kN。

1.1 錐套連接型接頭結(jié)構(gòu)

錐套連接型接頭主要由接頭內(nèi)芯、錐形體和外護(hù)套三部分構(gòu)成，見圖2。接頭內(nèi)芯在接頭安裝過程中起支撐作用，并在外護(hù)套作用下同錐形體一起夾緊復(fù)合材料管，從而保證接頭的密封性能。錐形體在接頭的密封中起著關(guān)鍵的作用，是接頭系統(tǒng)中最重要的部分。外護(hù)套是主要的傳力原件，通過擰緊與接頭內(nèi)芯法蘭間的螺栓，將作用的軸向力通過錐形體轉(zhuǎn)換為復(fù)合材料管的徑向力。

圖2 錐套連接型接頭結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of cone-sleeve joint structure

1.2 錐套連接型接頭密封結(jié)構(gòu)

錐套連接型接頭以O(shè)形圈密封為主，擠壓密封為輔。接頭內(nèi)芯前端設(shè)有O形密封圈，O形密封圈的安裝位置不得超出錐形體長(zhǎng)度，以確保接頭能夠有效壓緊O形密封圈。接頭內(nèi)芯與管體采用過盈配合，過盈量為1 mm(直徑方向)，錐套連接型接頭的密封型式見圖3。

圖3 錐套連接型接頭密封型式Fig.3 Taper-sleeve joint sealing type

1.3 材料參數(shù)

1.3.1 海洋用玻纖增強(qiáng)柔性管結(jié)構(gòu)參數(shù)

海洋用玻纖增強(qiáng)柔性管主要由內(nèi)襯層、增強(qiáng)層及外保護(hù)層構(gòu)成，各層之間相互粘接，其中內(nèi)襯層和外保護(hù)層材料為高密度聚乙烯(HDPE)，增強(qiáng)層材料為玻璃纖維帶，玻璃纖維帶纏繞角度為±55°，纏繞層數(shù)為60層，管道公稱直徑150 mm。玻璃纖維帶的力學(xué)性能參數(shù)由生產(chǎn)廠家通過試驗(yàn)獲得，見表1。

表1 玻璃纖維帶材料性能參數(shù)Tab.1 Material property parameters of glass fiber tape

HDPE力學(xué)性能參數(shù)通過拉伸試驗(yàn)獲得，試樣由海洋用玻纖增強(qiáng)柔性管內(nèi)襯層材料注塑而成。拉伸試驗(yàn)所用的設(shè)備為萬能試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)GB/T 1040.2—2006《塑料 拉伸性能的測(cè)定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗(yàn)條件》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試樣數(shù)量為5個(gè)，試樣尺寸見表2。

表2 HDPE拉伸試樣尺寸Tab.2 HDPE tensile sample size mm

HDPE力學(xué)性能測(cè)試曲線見圖4，通過對(duì)5個(gè)試樣測(cè)試結(jié)果取平均值，得到HDPE在常溫下的力學(xué)性能參數(shù)見表3。

(a)拉力-應(yīng)變曲線

表3 HDPE材料力學(xué)性能參數(shù)Tab.3 Mechanical property parameters of HDPE material MPa

1.3.2 接頭及O形密封圈材料性能參數(shù)

根據(jù)API 17B，在含H2S和CO2的酸性條件下，接頭材料推薦使用30CrMo，O形圈材料選用四丙氟橡膠[9]，材料性能參數(shù)見表4。

表4 30CrMo、四丙氟橡膠材料性能參數(shù)Tab.4 Performance parameters of 30CrMo and tetrapropyl fluoro rubber

2 有限元分析

錐套連接型接頭的接頭內(nèi)芯前端設(shè)有一道O形密封圈，由于接頭內(nèi)芯與管道內(nèi)襯層間采用過盈配合，由此產(chǎn)生的干涉力作用下O形密封圈產(chǎn)生初始變形，從而形成一定的初始密封效果。當(dāng)管道內(nèi)充滿高壓介質(zhì)時(shí)，在介質(zhì)壓力作用下O形密封圈進(jìn)一步壓縮，從而增強(qiáng)O形密封圈的密封效果。而擠壓密封主要通過擰緊接頭內(nèi)芯與外護(hù)套間的高強(qiáng)度法蘭螺栓，使錐形體和接頭內(nèi)芯能夠與管道充分接觸，從而夾緊管道，防止高壓介質(zhì)作用下接頭被拉脫?？紤]到建模過程及分析的簡(jiǎn)化，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，通過定義多個(gè)分析步對(duì)O形密封圈和接頭擠壓密封進(jìn)行分析。

2.1 O形密封圈有限元分析

2.1.1 O形密封圈有限元模型建立

由于O形密封圈、錐套連接型接頭及玻纖增強(qiáng)柔性管均為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為提高計(jì)算效率，采用二維軸對(duì)稱單元來模擬O形密封圈的密封性能。O形密封圈選用CAX4RH的4節(jié)點(diǎn)雙線性軸對(duì)稱四邊形單元進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，劃分后共有4 737個(gè)節(jié)點(diǎn)，4 688個(gè)單元，密封槽和內(nèi)襯層均簡(jiǎn)化為剛體，采用RAX2的2節(jié)點(diǎn)線性軸對(duì)稱剛性連接單元。定義O形密封圈與內(nèi)襯層及密封槽間的相互作用為通用接觸，通過切向、法向行為定義其接觸屬性[10-11]。密封槽及O形密封圈幾何參數(shù)：密封槽寬度9.5 mm，深度5.6 mm；O形密封圈規(guī)格143.20 mm(內(nèi)徑)×7.00 mm(線徑)。O形密封圈密封系統(tǒng)網(wǎng)格劃分見圖5。

圖5 O形密封圈密封系統(tǒng)網(wǎng)格劃分Fig.5 Mesh division of O-ring sealing system

O形密封圈選用的橡膠材料屬于超彈性體，選用Mooney-Rivlin模型進(jìn)行分析，該模型能夠較好地描述橡膠材料的大變形和非線性特性。Mooney-Rivlin模型主要通過C10和C01兩個(gè)參數(shù)對(duì)橡膠材料的特性進(jìn)行描述。根據(jù)參考文獻(xiàn)[12-14]中橡膠材料彈性模量E與材料硬度HR的擬合公式，可求得參數(shù)C10和C01。

C01=0.25C10

本文極限工作壓力為90 MPa屬于高壓環(huán)境，因此O形密封圈材料硬度選90，代入上述公式可得參數(shù)C10=2.79，C01=0.697 5。

2.1.2 載荷與邊界條件

將接頭內(nèi)芯上的密封槽設(shè)置為完全固定，通過設(shè)置兩個(gè)分析步來模擬O形密封圈在各個(gè)工況下的受力：第一步模擬O形密封圈的預(yù)裝過程，通過給內(nèi)襯層施加1.4 mm的徑向位移來模擬初始密封狀態(tài)；第二步施加介質(zhì)壓力載荷。接頭內(nèi)芯與內(nèi)襯層采用過盈配合，故O形密封圈安裝過程中與內(nèi)襯層間不存在間隙。

2.2 接頭擠壓密封有限元分析

2.2.1 擠壓密封有限元模型建立

結(jié)合錐套連接型接頭實(shí)際結(jié)構(gòu)，通過ABAQUS軟件建立其有限元分析模型。為降低分析難度，在建模過程中對(duì)系統(tǒng)倒角、圓角以及凹槽等細(xì)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。在接頭與管道以及接頭各零件間相互作用區(qū)域，通過設(shè)置接觸來模擬其相互作用：采用硬接觸模擬其法向行為、采用庫倫摩擦模擬其切向行為。接頭內(nèi)芯、錐形體、外護(hù)套及玻纖增強(qiáng)柔性管內(nèi)襯層和外保護(hù)層采用C3D8R的8節(jié)點(diǎn)線性六面體單元，單元數(shù)量分別為2 652，4 360，2 520，4 300，5 000；玻纖增強(qiáng)柔性管增強(qiáng)層采用S4R的4節(jié)點(diǎn)曲面薄殼單元，單元總數(shù) 4 700。接頭結(jié)構(gòu)有限元模型及網(wǎng)格劃分分別見圖6，7。當(dāng)前網(wǎng)格總數(shù)量為23 500，按照將3D幾何模型設(shè)置1.26倍加密方式的原則，加密后的網(wǎng)格數(shù)量約為30 000，加密后試算結(jié)果與未加密計(jì)算結(jié)果的各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值相差較小，故為了提高計(jì)算效率，選擇網(wǎng)格總數(shù)量23 500進(jìn)行有限元分析和計(jì)算。

圖6 接頭結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.6 Finite element model of joint structure

2.2.2 載荷與邊界條件

通過兩個(gè)分析步來模擬接頭安裝及密封過程：第一步限制接頭內(nèi)芯法蘭端部的軸向自由度，對(duì)外護(hù)套施加軸向位移載荷，模擬接頭的安裝過程，確定接頭外護(hù)套的安裝距離；第二步在接頭內(nèi)芯和玻纖增強(qiáng)柔性管內(nèi)襯層施加極限工作壓力90 MPa，校核接頭的抗拉強(qiáng)度。

圖7 接頭擠壓密封模型網(wǎng)格劃分Fig.7 Mesh division of joint extrusion seal model

3 結(jié)果與討論

3.1 O形密封圈有限元模擬結(jié)果分析

3.1.1 O形密封圈的強(qiáng)度校核

依據(jù)O形密封圈最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則、最大Mises應(yīng)力準(zhǔn)則的失效判據(jù)，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核。由圖8 可以看出，當(dāng)達(dá)到極限工作壓力90 MPa時(shí)，O形密封圈所受Mises應(yīng)力最大值為14.2 MPa，小于四丙氟橡膠屈服強(qiáng)度15 MPa。由圖9可以看出，當(dāng)達(dá)到極限工作壓力90 MPa時(shí)，O形密封圈最大剪應(yīng)力為4.88 MPa，小于四丙氟橡膠抗剪切強(qiáng)度7 MPa，故O形密封圈滿足強(qiáng)度要求。

圖8 O形密封圈Mises應(yīng)力云圖Fig.8 Mises stress nephogram of O-ring

圖9 O形密封圈剪應(yīng)力云圖Fig.9 Shear stress nephogram of O-ring

3.1.2 O形密封圈的接觸壓力

(a)介質(zhì)壓力為0 MPa

依據(jù)O形密封圈的最大接觸壓力準(zhǔn)則，對(duì)其密封性能進(jìn)行校核。由圖10可以看出，O形密封圈與各密封面間的接觸壓力隨介質(zhì)壓力的增加而增大，且O形密封圈與內(nèi)襯層內(nèi)表面間的接觸壓力始終大于內(nèi)部介質(zhì)壓力，當(dāng)內(nèi)部介質(zhì)壓力達(dá)到極限工作壓力90 MPa時(shí)，O形密封圈與內(nèi)襯層內(nèi)表面間的接觸壓力為93 MPa，均滿足密封要求。

3.2 接頭結(jié)構(gòu)有限元模擬結(jié)果分析

3.2.1 外護(hù)套安裝距離分析

(1)失效判據(jù)。

根據(jù)API 17B—2014和GB/T 15560—1995《流體輸送用塑料管材液壓瞬時(shí)爆破和耐壓試驗(yàn)方法》的規(guī)定，在爆破壓力作用下接頭結(jié)構(gòu)不能發(fā)生破壞，且管道發(fā)生爆破的位置與接頭處距離至少為一個(gè)管徑長(zhǎng)度。即在安裝載荷及爆破壓力作用下，接頭結(jié)構(gòu)及海洋用玻纖增強(qiáng)柔性管各層所受應(yīng)力不得超出其材料強(qiáng)度極限，管道增強(qiáng)層纖維方向不得斷裂，且在爆破過程中與接頭連接的玻纖增強(qiáng)柔性管不得發(fā)生破壞。而且，接頭安裝完成后，無內(nèi)壓載荷時(shí)由擠壓密封產(chǎn)生的接觸摩擦力應(yīng)大于設(shè)計(jì)軸向拉伸載荷588 kN；在極限工作壓力作用下形成的接觸摩擦力應(yīng)大于由極限工作壓力產(chǎn)生的軸向拉伸載荷1 641.732 kN，以防止接頭拉脫失效。

(2)外護(hù)套最大安裝位移。

由圖11、表5可以看出，當(dāng)外護(hù)套安裝位移為20 mm時(shí)，接頭內(nèi)芯、錐形體、外護(hù)套和玻纖增強(qiáng)柔性管增強(qiáng)層纖維方向及基體方向所受應(yīng)力分別為220.5，179.5，608.1，97.71,10.68 MPa，均低于其材料的強(qiáng)度極限，外保護(hù)層除端部應(yīng)力集中外，其余部分均未超出材料的屈服強(qiáng)度20 MPa，內(nèi)襯層的Mises應(yīng)力為20.82 MPa，已達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度20 MPa。

圖11 安裝位移20 mm時(shí)，接頭結(jié)構(gòu)與玻纖增強(qiáng)柔性管各層應(yīng)力云圖Fig.11 The stress nephogram of the joint structure and each layer of the fiberglass reinforced flexible pipe for the installation displacement of 20 mm

表5 安裝載荷、爆破壓力下接頭結(jié)構(gòu)與管道各層最大Mises應(yīng)力Tab.5 The maximum Mises stress of the joint structure and each layer of the pipeline under installation load and bursting pressure

由圖12、表5可以看出，在爆破壓力90 MPa作用下，接頭內(nèi)芯、錐形體、外護(hù)套和玻纖增強(qiáng)柔性管增強(qiáng)層纖維方向及基體方向所受應(yīng)力分別為404.7，194.2，633.0，113.1,11.91 MPa，均未超出其材料的強(qiáng)度極限，即在爆破壓力作用下接頭處不會(huì)發(fā)生破壞，外保護(hù)層和內(nèi)襯層除了端部應(yīng)力集中外，其余部分均未超出材料的屈服強(qiáng)度20 MPa，故接頭外護(hù)套的最大安裝位移取20 mm。由于對(duì)玻纖增強(qiáng)柔性管接頭內(nèi)芯、外護(hù)套及錐形體進(jìn)行分析時(shí)沒有做倒角處理，導(dǎo)致外保護(hù)層及內(nèi)襯層分析結(jié)果存在應(yīng)力集中的情況，而在實(shí)際工程應(yīng)用中需對(duì)接頭內(nèi)芯、外護(hù)套及錐形體尖端進(jìn)行倒角處理，以減少應(yīng)力集中。

圖12 安裝位移20 mm，爆破壓力作用下接頭結(jié)構(gòu)與玻纖增強(qiáng)柔性管各層應(yīng)力云圖Fig.12 The stress nephogram of the joint structure and of each layer of the fiberglass reinforced flexible pipe under the action of bursting pressure for the installation displacement of 20 mm

(3)外護(hù)套最小安裝距離確定。

由圖13可看出，當(dāng)外護(hù)套安裝位移為5 mm時(shí)，在安裝載荷作用下管道內(nèi)襯層平均接觸壓力P1=30 MPa，管道外保護(hù)層平均接觸壓力P2=12 MPa。由圖14可以看出，在爆破壓力90 MPa作用下，管道內(nèi)襯層平均接觸壓力P3=39 MPa，管道外保護(hù)層平均接觸壓力P4=16 MPa。由圖15，16可以看出，接頭內(nèi)芯與內(nèi)襯層、錐形體與外保護(hù)層有效接觸面積S1,S2分別為3.21×105,4.42×105mm2。

圖13 安裝載荷下內(nèi)襯層與外保護(hù)層接觸壓力云圖Fig.13 Contact pressure nephogram of the liner and outer protective layer under installation load

圖14 爆破壓力下內(nèi)襯層與外保護(hù)層接觸壓力云圖Fig.14 Contact pressure nephogram of the liner and outer protective layer under bursting pressure

圖15 內(nèi)襯層與接頭內(nèi)芯有效接觸面積示意Fig.15 Schematic diagram of effective contact area between the liner and the inner core of the joint

圖16 外保護(hù)層與錐形體有效接觸面積示意Fig.16 Schematic diagram of effective contact area between outer protective layer and conical body

為減小接頭內(nèi)芯的安裝阻力，通常在接頭內(nèi)芯外表面涂潤(rùn)滑油，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得涂潤(rùn)滑油后接頭內(nèi)芯與管道內(nèi)襯層的摩擦系數(shù)μ1=0.03，外保護(hù)層與錐形體的摩擦系數(shù)μ2=0.18。經(jīng)計(jì)算，在無內(nèi)壓載荷時(shí)管道與接頭間的接觸摩擦力為：F1=S1P1μ1+S2P2μ2=1 250 kN；在爆破壓力作用下管道與接頭間的接觸摩擦力為：F2=S1P3μ1+S2P4μ2=1 648.530 kN。

由上述分析可知，玻纖增強(qiáng)柔性管及接頭在無內(nèi)壓時(shí)，由安裝載荷引起的管道與接頭間的接觸摩擦力為1 250 kN，大于設(shè)計(jì)軸向拉伸載荷588 kN；在爆破壓力作用下管道與接頭間的接觸摩擦力為1 648.530 kN，大于由爆破壓力產(chǎn)生的軸向拉伸載荷1 641.732 kN，故外護(hù)套的最小安裝位移取5 mm。

3.2.2 接頭與管道在不同壓力下的徑向位移

在爆破試驗(yàn)過程中若接頭內(nèi)芯與內(nèi)襯層在O形密封圈安裝位置存在間隙，則O形密封圈易發(fā)生間隙咬傷，導(dǎo)致接頭密封失效。接頭內(nèi)芯與內(nèi)襯層在管道爆破過程中徑向位移量如表6所示。

表6 不同壓力下接頭內(nèi)芯與內(nèi)襯層徑向位移量Tab.6 The radial displacement of the inner core and liner of the joint under different pressures

由表6中可以看出，接頭內(nèi)芯的徑向位移量始終大于內(nèi)襯層的徑向位移量，表明在接頭工作過程中接頭內(nèi)芯與內(nèi)襯層間不存在間隙，即在管道爆破過程中O形密封圈不存在間隙咬傷的情況。

4 結(jié)論

本文通過建立O形密封圈和錐套連接型接頭密封結(jié)構(gòu)的有限元模型，對(duì)極限工作壓力下接頭、O形密封圈的強(qiáng)度及密封性能進(jìn)行分析校核，得到如下結(jié)論。

(1)接頭工作過程中，O形密封圈的接觸壓力始終大于內(nèi)部介質(zhì)壓力，且在極限工作壓力90 MPa時(shí)，O形密封圈Mises應(yīng)力及剪應(yīng)力均未超過其材料強(qiáng)度極限，即O形密封圈可實(shí)現(xiàn)可靠密封。

(2)為保證接頭的連接強(qiáng)度及爆破試驗(yàn)過程中接頭位置處不發(fā)生失效，外護(hù)套的安裝距離應(yīng)為5～20 mm。

(3)接頭工作過程中接頭內(nèi)芯與內(nèi)襯層間不存在間隙，即在管道爆破試驗(yàn)過程中O形密封圈不存在間隙咬傷的情況。