劉國恒，張春暉，王瑩瑩 ，劉軍鵬，劉云迪

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司,北京 100027; 2. 中國石油大學(xué)(北京) 安全與海洋工程學(xué)院,北京 102249)

由于能源需求不斷增加，新勘探到的陸上和淺海重大油氣數(shù)量逐漸變少，深海油氣田開發(fā)逐漸受到更多關(guān)注[1]。傳統(tǒng)的深海平臺式開采具有較高的應(yīng)用局限性[2]。水下生產(chǎn)系統(tǒng)由于具有建造成本較低，建成周期短等優(yōu)點，逐漸由淺水應(yīng)用階段過渡到深水應(yīng)用階段，是深水油氣開發(fā)的重要模式之一[3]。如圖1所示[4]，水下生產(chǎn)系統(tǒng)一般包括水下井口、水下采油樹、水下管匯、跨接管、水下控制系統(tǒng)、水下處理系統(tǒng)、臍帶纜、海底管線、水下連接器等生產(chǎn)設(shè)施。本文主要研究水下連接器的密封性能。

圖1 水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)

1 水下連接器研究進(jìn)展

深水卡爪式連接器結(jié)構(gòu)如圖2所示[5]， 安裝工具結(jié)構(gòu)如圖3[5]所示。安裝連接器的工具上的驅(qū)動液壓缸促使鋼制驅(qū)動環(huán)板下移，與此同時驅(qū)動環(huán)板將帶動連接器上的驅(qū)動環(huán)運動。驅(qū)動環(huán)促使卡爪收攏，卡爪將上轂座和下轂座鎖緊。深水卡爪式連接器上轂座通過焊接的方式連接跨接管端部，下轂座坐落在采油樹等水下生產(chǎn)設(shè)施上，兩部分對接后通過上下轂座擠壓密封圈，形成金屬密封，從而實現(xiàn)跨接管和采油樹之間的連通和密封。

圖2 水下連接器結(jié)構(gòu)示意

圖3 連接器安裝工具結(jié)構(gòu)示意

程子云等[6]分析了用于連接采油樹和井口的鎖塊式連接器連接性能，發(fā)現(xiàn)鎖塊是整個連接器設(shè)計最容易失效的部件；史建東[7]分析了現(xiàn)場使用的連接器失效的原因，并根據(jù)原因介紹了其預(yù)防措施；李志剛等[8]設(shè)計了一種金屬-橡膠雙重密封環(huán)，并驗證了其密封性能的優(yōu)越性。曹偉楓[9]建立了深水井口連接器的簡化力學(xué)模型，推導(dǎo)了驅(qū)動力計算公式；趙三軍[10]等人分析了連接器的驅(qū)動環(huán)、卡爪和轂座，利用圖像法得出摩擦因數(shù)與機械效益正相關(guān)的關(guān)系。張康[11]等人采用風(fēng)險矩陣法對水下連接器安裝失敗事件的風(fēng)險進(jìn)行了分析，得出結(jié)論：壓縮量對接觸載荷影響最敏感，中徑高次之，密封接觸面傾斜角最不敏感；黃小光[12]等用ABAQUS有限元軟件對VX密封鋼圈進(jìn)行了接觸特性方面的研究。

密封形式分為金屬密封和非金屬密封，卡爪式連接器的屬于金屬密封連接器。金屬對金屬密封成功地應(yīng)用于連接器，使連接器密封性能更高，應(yīng)用范圍更廣。因此,金屬密封研究對連接器主密封，乃至水下生產(chǎn)系統(tǒng)都有著重要意義[13]。

當(dāng)前，腐蝕對密封圈性能影響的研究很少，為了研究無缺陷密封圈的性能，多數(shù)研究學(xué)者采用二維軸對稱模型進(jìn)行有限元仿真。但是，二維軸對稱模型存在局限性，不能很好地反應(yīng)連接器密封圈的實際受力，結(jié)果與真實情況存在較大誤差；另外，由于密封圈腐蝕缺陷不具有軸對稱特性，所以二維軸對稱模型無法分析腐蝕缺陷對密封圈性能的影響。

2 有限元建模

針對如上不足，本文建立了三維仿真模型進(jìn)行分析，研究深水連接器在不同工況下的密封圈密封性能，以及密封圈在腐蝕情況下的密封性能。

2.1 三維模型

為提高計算效率，忽略卡爪、驅(qū)動環(huán)等部件。在SolidWorks中將上、下轂座和密封圈分別建模，然后完成裝配，如圖4所示。將SolidWorks格式保存為parasolid(*.x_t)，導(dǎo)入到Abaqus有限元軟件中。連接器上、下轂座的主要尺寸如圖5所示，密封圈主要尺寸如圖6所示。

圖4 水下連接器結(jié)構(gòu)簡化模型

圖5 連接器上、下轂座尺寸

圖6 連接器密封圈尺寸

Inconel625的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖7所示[14]。

圖7 Inconel625的塑性形變和應(yīng)力關(guān)系

上、下轂座和密封圈的材料參數(shù)如表1。

表1 零件材料屬性

2.2 邊界條件

水下連接器的實際工作條件比較復(fù)雜，同時也面臨著海流、循環(huán)內(nèi)壓等環(huán)境載荷。本文建模的邊界條件為：連接器上轂座上部承受預(yù)緊力，上下轂座和密封圈內(nèi)部承受介質(zhì)壓力，下轂座外側(cè)承受海水壓力作用，海水壓力為15 MPa，下轂座底部固定約束。通過改變預(yù)緊力和內(nèi)部介質(zhì)壓力來模擬連接器不同的工作狀態(tài)。當(dāng)連接器處于預(yù)緊狀態(tài)時，連接器承受介質(zhì)壓力為0；當(dāng)連接器處于工作狀態(tài)時，內(nèi)部分別施加14、35、52 MPa壓力，模擬不同工況的介質(zhì)內(nèi)壓。

2.3 分析步及網(wǎng)格劃分

分析步設(shè)置采用ABAQUS靜力分析步，打開幾何非線性。相互作用設(shè)置：法向為“硬接觸”(Hard Contact)；切向為罰摩擦公式(Penalty)，摩擦因數(shù)為0.15。共有兩對相互作用，密封圈上表面與上轂座接觸，密封圈下表面與下轂座接觸，接觸形式為有限滑移接觸。選擇C3D8R(八節(jié)點六面體線性縮減積分單元)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。上轂座劃分為141 96個網(wǎng)格，下轂座劃分為13 747個網(wǎng)格，密封圈劃分為62 792個網(wǎng)格。由于密封圈的受力情況是判斷密封性能的重要依據(jù)，所以對密封圈網(wǎng)格的劃分比對轂座網(wǎng)格的劃分更加細(xì)致。

3 金屬密封性能判定

3.1 金屬-金屬密封原理

由于制造精度的原因，加工后的金屬表面一定不是純平面，表面會有凸起或凹陷。形成金屬密封的兩個接觸面之間通常硬度相差較大，相互擠壓使得較軟的金屬發(fā)生塑性變形和滑移，填充表面孔隙，實現(xiàn)密封。密封形式分為線密封和面密封，錐形密封是面密封。

3.2 金屬密封性能判定依據(jù)

金屬密封性能根據(jù)接觸應(yīng)力和接觸寬度判定。關(guān)于接觸應(yīng)力，在預(yù)緊工況下，接觸面應(yīng)力應(yīng)大于密封比壓才能實現(xiàn)有效密封，關(guān)于密封比壓的推導(dǎo)及計算可參考文獻(xiàn)[14]，計算結(jié)果為179.3 MPa。在生產(chǎn)工況下，由GB150—2010規(guī)范[15]相關(guān)規(guī)定可知，墊片系數(shù)為6.5，即生產(chǎn)工況下接觸應(yīng)力須是介質(zhì)壓力的6.5倍。關(guān)于接觸寬度，由文獻(xiàn)[16]可知，密封圈受壓后，產(chǎn)生的密封帶長度在1.5～2.0 mm時，才能保證密封性能。

4 連接器密封狀態(tài)分析

4.1 判斷連接器密封性能方法

通過ABAQUS得到連接器各個工況的仿真結(jié)果，通過后處理可以得到密封圈的接觸應(yīng)力分布云圖，分別提取上下接觸面各13個節(jié)點接觸應(yīng)力，根據(jù)接觸應(yīng)力和接觸寬度判定連接器密封性能。

關(guān)于接觸應(yīng)力，連接器鎖緊后，錐形密封圈受到上、下轂座擠壓，密封圈和轂座表面產(chǎn)生接觸應(yīng)力。接觸應(yīng)力的分布是不均勻的，密封圈與下轂座接觸位置的節(jié)點接觸應(yīng)力大于與上轂座接觸處相應(yīng)節(jié)點的接觸應(yīng)力；錐形密封圈與上下轂座的2個接觸面的接觸應(yīng)力分布規(guī)律相同，如圖8所示，節(jié)點11處的接觸應(yīng)力值最大，節(jié)點11至節(jié)點1接觸應(yīng)力值緩慢下降，節(jié)點11至節(jié)點13的接觸應(yīng)力值急劇下降。

圖8 密封性能判定方法

關(guān)于接觸寬度，節(jié)點12至節(jié)點13接觸應(yīng)力無法滿足預(yù)緊工況和生產(chǎn)工況，不計入接觸寬度。節(jié)點11至節(jié)點7之間的距離為2 mm，在預(yù)緊工況下，當(dāng)節(jié)點7的接觸應(yīng)力大于密封比壓179.3 MPa時，連接器密封合格；在生產(chǎn)工況下，當(dāng)節(jié)點7的接觸應(yīng)力大于6.5倍介質(zhì)壓力時，連接器密封合格。

4.2 最小預(yù)緊力

在預(yù)緊工況下，在連接器內(nèi)部介質(zhì)壓力為0，通過改變預(yù)緊力數(shù)值，得到相應(yīng)的密封圈接觸應(yīng)力分布云圖，當(dāng)節(jié)點7接觸應(yīng)力大于等于密封比壓179.3 MPa時，對應(yīng)的預(yù)緊力是預(yù)緊工況下保證連接器密封性能所需要的最小預(yù)緊力。

在工作工況下，在連接器內(nèi)部分別施加14、35、52 MPa壓力,模擬不同工況介質(zhì)內(nèi)壓，不斷改變預(yù)緊力，得到密封圈接觸應(yīng)力云圖，當(dāng)節(jié)點7接觸應(yīng)力大于等于6.5倍介質(zhì)壓力時，對應(yīng)的預(yù)緊力是相應(yīng)生產(chǎn)工況下保證連接器密封性能所需要的最小預(yù)緊力。

圖9 接觸應(yīng)力-預(yù)緊力

圖10 節(jié)點應(yīng)變-預(yù)緊力

如圖9所示，當(dāng)介質(zhì)工作壓力一定時，接觸應(yīng)力隨預(yù)緊力的增大而增大。由數(shù)據(jù)可得，當(dāng)介質(zhì)壓力分別為0、14、35、52 MPa時，為保證連接器密封性能，所需要的最小預(yù)緊力分別為444、482、615、778 kN。如圖10所示，密封圈內(nèi)側(cè)6個節(jié)點應(yīng)變隨預(yù)緊力增大。

5 密封圈腐蝕對水下連接器密封性能影響

密封環(huán)腐蝕是導(dǎo)致連接器密封失效的常見原因之一。本節(jié)通過在密封圈上預(yù)置不同半徑的腐蝕坑，探究腐蝕坑半徑對于密封性能的影響。

在密封圈內(nèi)部預(yù)置半徑6、9 mm的腐蝕坑，如圖11～12所示。利用ABAQUS模擬連接器在正常工作情況下(介質(zhì)內(nèi)壓34 MPa)，當(dāng)預(yù)緊力發(fā)生改變時，腐蝕坑半徑引起的密封性能的變化。腐蝕坑半徑增加，密封環(huán)接觸應(yīng)力降低，密封性能降低，如圖13所示。腐蝕坑半徑越大，要保證連接器密封性能所需要的預(yù)緊力越大。當(dāng)預(yù)緊力一定時，隨著腐蝕坑半徑增加，密封圈內(nèi)側(cè)的節(jié)點應(yīng)變逐漸變小，如圖14所示。

圖11 ?12 mm腐蝕坑

圖12 ?18 mm腐蝕坑

圖13 接觸應(yīng)力-腐蝕坑半徑

圖14 應(yīng)變-腐蝕坑半徑

6 結(jié)論

1) 通過ABAQUS對水下連接器簡化模型進(jìn)行有限元分析，得到了連接器密封圈在不同工況下的應(yīng)力云圖。進(jìn)而可以得到連接器臨界密封失效狀態(tài)。

2) 經(jīng)過仿真得出，只有當(dāng)預(yù)緊力足夠大，使密封圈接觸表面產(chǎn)生合理的塑變，連接器才能滿足密封要求。

3) 當(dāng)介質(zhì)壓力分別為0、14、35、52 MPa時，為保證連接器密封性能，所需要的最小預(yù)緊力分別為444、482、615、778 kN。

4) 當(dāng)介質(zhì)壓力增大時，為保證連接器密封性能，所需要的最小預(yù)緊力隨之增大。

5) 連接器密封性能隨密封圈腐蝕坑直徑的增加會明顯降低。