李星標(biāo) 樊 茵 萬宇飛 曲兆光 劉春雨 曹學(xué)文

(1．中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 2．中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司 3．中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院)

0 引 言

隨著海洋油氣開發(fā)的深入，海底管道運(yùn)行年限不斷延長(zhǎng)，受到環(huán)境、腐蝕等因素影響越來越嚴(yán)重。海底管道與立管的維護(hù)和更換以及支管廢棄等作業(yè)，常采用囊式、塞式或盤式管道封堵器。但上述封堵器作業(yè)時(shí)需要進(jìn)行管線帶壓開孔作業(yè)，作業(yè)工藝復(fù)雜且費(fèi)用高，還會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生二次損傷。海底管道進(jìn)行新舊替換、平臺(tái)進(jìn)行拆除等作業(yè)時(shí)，需要盡可能在不改變管內(nèi)壓力的情況下進(jìn)行。因此，海底管道智能封堵技術(shù)越來越受到國(guó)內(nèi)外研究人員的重視。

美國(guó)TDW公司的Smart Plugs TM系列[1-2]產(chǎn)品，已順利完成管道內(nèi)部封堵作業(yè)80多次，表現(xiàn)出良好的安全性、快捷性和經(jīng)濟(jì)性。英國(guó)Stats Group公司封堵器Tecno-Plug系列[3-4]產(chǎn)品，可封堵公稱直徑100～1 200 mm(4～48 in)油氣管道。從2008年開始，中國(guó)石油大學(xué)(北京)張仕民教授團(tuán)隊(duì)研究管內(nèi)智能封堵技術(shù)，針對(duì)封堵器錨定性能、密封性能及液壓控制性能進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究，搭建了管內(nèi)智能封堵器的坐封與解封試驗(yàn)平臺(tái)，以驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)的可行性[5-8]。廊坊永春公司研發(fā)的智能封堵列車處于試研制階段，并無海上施工業(yè)績(jī)[9]。陳愛平[10]通過對(duì)膠筒進(jìn)行受力分析，推薦在耐溫耐壓要求較高工況下選用氫化丁腈橡膠。陳大彬等[11]通過有限元模擬聚氨酯膠筒的載荷-應(yīng)變曲線，并和試驗(yàn)實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)材料邵氏硬度為80 HS時(shí)，膠筒的密封和防突性能優(yōu)良。劉天良等[12]通過對(duì)膠筒上40個(gè)測(cè)試點(diǎn)的接觸應(yīng)力分布狀況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)接觸應(yīng)力較大值集中在膠筒中間。伍開松等[13]研究了膠筒幾何特征參數(shù)和接觸壓力之間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，接觸壓力隨著膠筒高度的增高而呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，且隨倒角增大而增大。張斐斐等[14]建立了膠筒有限元模型，發(fā)現(xiàn)隨著彈性常數(shù)的增加，膠筒接觸壓力逐漸增大，壓縮量逐漸減小。付道明[15]基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)研究了坐封載荷和膠筒參數(shù)對(duì)膠筒接觸應(yīng)力的影響，研究結(jié)果表明：影響封隔器接觸應(yīng)力的主要因素是坐封載荷與膠筒厚度，隨著坐封載荷增加，接觸應(yīng)力非線性增大，膠筒厚度的增加能明顯提高接觸應(yīng)力。劉銅[16]分析單膠筒不同端面傾角對(duì)接觸應(yīng)力和摩擦面積的影響，并得出加裝防突環(huán)可以提升密封效果的結(jié)論。

本文對(duì)?304.8 mm(12 in)海底管道內(nèi)智能封堵器封隔圈進(jìn)行數(shù)值模擬，建立封隔圈密封有限元模型，獲得封隔圈幾何尺寸最優(yōu)化方案；同時(shí)根據(jù)最優(yōu)方案參數(shù)進(jìn)行工裝加工并試驗(yàn)，封堵前后壓差10 MPa海底管道。

1 封堵器密封技術(shù)研究

海底管道智能封堵器的密封由封隔圈完成，封隔圈的工作過程類似于井下封隔器的膠筒，分為初封階段和坐封階段。初封階段是指封堵器置入管道時(shí)，液壓缸施加載荷將封隔圈壓縮，使其和管壁接觸的階段，此時(shí)封隔圈還未承受壓差；坐封階段是指封隔圈和管道間產(chǎn)生足夠的接觸應(yīng)力，在指定的工作壓差下能夠?qū)崿F(xiàn)密封的階段，這需要在初封的基礎(chǔ)上繼續(xù)施加載荷，以保證封隔圈和管壁產(chǎn)生足夠的接觸應(yīng)力。

封隔圈的材質(zhì)決定了密封效果。封堵器在海底管道中作業(yè)需要接觸腐蝕性介質(zhì)，且作業(yè)過程面臨高溫高壓環(huán)境[17-18]。因此，封隔圈材料需具有良好的耐腐蝕性能、高強(qiáng)度高耐磨性能和可重復(fù)使用性能，故選取氫化丁腈橡膠作為封隔圈材料。

2 封隔圈密封性能有限元分析

2.1 本構(gòu)模型及參數(shù)確定

橡膠材料的本構(gòu)模型主要有Gent模型[19]、Yeoh模型[20]和Mooney-Rivlin模型等[21-22]。Gent模型能夠擬合橡膠材料大變形時(shí)硬化的應(yīng)變能，但不適用于小應(yīng)變和中等應(yīng)變；Yeoh模型在大變形條件下計(jì)算出的應(yīng)變能與試驗(yàn)結(jié)果符合良好；Mooney-Rivlin模型可較好地?cái)M合橡膠材料中等變形時(shí)的應(yīng)變能。因此選擇Mooney-Rivlin模型進(jìn)行封隔圈有限元模擬。

封隔圈材料為氫化丁腈橡膠，設(shè)定材料的彈性模量為9.39 MPa，泊松比為0.499。金屬構(gòu)件材料為35CrMo，設(shè)定材料的彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。

2.2 網(wǎng)格劃分和約束條件

利用PLANE182對(duì)稱單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，建立軸對(duì)稱約束，封隔圈與缸筒及管壁摩擦接觸，對(duì)管壁外壁添加X方向的約束，對(duì)承壓頭添加Y方向的約束，建立有限元模型，如圖1所示。由于智能封堵器初封采用液壓動(dòng)力單元加壓實(shí)現(xiàn)，所以初封階段接觸應(yīng)力的大小對(duì)封堵器能否成功封堵至關(guān)重要。因此采用液壓動(dòng)力單元提供最大縱向載荷，觀察初封狀態(tài)密封效果。最后采用坐封狀態(tài)下液壓動(dòng)力系統(tǒng)和壓差提供的總的縱向載荷進(jìn)行密封效果校核。

圖1 封隔器有限元軸對(duì)稱模型Fig.1 Finite element axisymmetric model of the smart plug

2.3 幾何參數(shù)優(yōu)選

限定擠壓碗高度D= 40 mm。封隔圈邵氏硬度選取60、65、70、75和80 HS進(jìn)行對(duì)比研究。幾何參數(shù)如圖2所示，具體包括高度L1、寬度L2、側(cè)面傾角θ1和表面傾角θ2。現(xiàn)研究各個(gè)參數(shù)對(duì)封隔圈封堵壓力的影響。

圖2 封隔圈參數(shù)設(shè)置Fig.2 Parameter setting of the sealing ring

2.4 結(jié)果及分析

封隔圈結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取需重點(diǎn)考慮初封過程，封堵器置入管道內(nèi)液壓缸施加載荷將封隔圈壓縮，使其和管壁接觸，此階段封隔圈還未承受壓差，所需軸向壓力全部來自液壓缸。封隔圈初封狀態(tài)決定了整個(gè)封堵器是否能密封成功，因此將初封狀態(tài)作為評(píng)價(jià)封隔圈結(jié)構(gòu)參數(shù)的指標(biāo)。

不同硬度封隔圈接觸應(yīng)力隨接觸節(jié)點(diǎn)變化如圖3所示。由圖3可知，封隔圈的接觸應(yīng)力隨著接觸節(jié)點(diǎn)的延伸先增大后減小，但是變化不大，說明封隔圈與管壁保持較為均勻的接觸。在初封軸向載荷的作用下，封隔圈邵氏硬度越大，接觸應(yīng)力越小。因?yàn)槌醴鈺r(shí)軸向載荷較小，在小硬度下可實(shí)現(xiàn)更大的密封壓力。當(dāng)硬度≤70 HS時(shí)，密封壓力大于1.8 MPa；當(dāng)硬度>70 HS時(shí)，密封壓力小于1.4 MPa。總體來看，封隔圈硬度≤70 HS時(shí)，均可滿足初封要求。

圖3 不同硬度封隔圈接觸應(yīng)力隨接觸節(jié)點(diǎn)的變化關(guān)系Fig.3 Contact stress of the sealing ring vs.contact node under different hardnesses

考慮到坐封狀態(tài)下軸向載荷較大，需要封隔圈的硬度和強(qiáng)度盡可能大，因此，應(yīng)選取邵氏硬度為70 HS的氫化丁腈橡膠材料。

不同高度封隔圈接觸應(yīng)力隨接觸節(jié)點(diǎn)的變化如圖4所示。

圖4 不同高度L1封隔圈接觸應(yīng)力隨接觸節(jié)點(diǎn)的變化關(guān)系Fig.4 Contact stress of the sealing ring vs.contact node under different heights L1

由圖4可以看出，封隔圈的接觸應(yīng)力隨著接觸節(jié)點(diǎn)的延伸，兩側(cè)的接觸應(yīng)力略小于中間的接觸應(yīng)力，隨著封隔圈高度的增大，接觸應(yīng)力持續(xù)增大。其他條件相同情況下，封隔圈高度越大，與管壁距離越小，從而在相同軸向載荷的作用下會(huì)產(chǎn)生更大的接觸應(yīng)力。當(dāng)高度L1= 41 mm時(shí)，封隔圈的接觸應(yīng)力最小，原因是封隔圈外徑與管道內(nèi)徑的距離過大，初封階段軸向推力先使封隔圈產(chǎn)生足夠的徑向形變，從而使其與管壁接觸。相比之下，封隔圈從開始接觸到管壁過程變形消耗的能量最多，但是其前期產(chǎn)生徑向形變的過程耗費(fèi)太多能量，故其接觸壓力最小。雖然高度L1越大對(duì)密封效果的影響越顯著，但受環(huán)焊縫等因素的影響，封隔圈外徑與管壁需維持一定的距離。當(dāng)高度L1= 45 mm時(shí)，接觸應(yīng)力顯著大于L1= 43 mm時(shí)的接觸應(yīng)力，此時(shí)封隔圈與管壁之間的距離為10 mm，滿足安全要求和設(shè)計(jì)要求。因此結(jié)合上述分析并考慮安全封堵因素，取封隔圈高度L1為45 mm。

不同寬度封隔圈接觸應(yīng)力隨接觸節(jié)點(diǎn)的變化關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，封隔圈的接觸應(yīng)力隨著接觸節(jié)點(diǎn)的延伸，兩側(cè)的接觸應(yīng)力顯著小于中間的接觸應(yīng)力，隨著封隔圈寬度的增大，接觸應(yīng)力值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)寬度L2= 85 mm時(shí)，初封狀態(tài)軸向載荷作用下具有最大接觸應(yīng)力，說明在軸向壓縮過程中，寬度超過85 mm的封隔圈會(huì)在接觸管壁之前，耗費(fèi)更多能量，從而使得與管壁接觸之后產(chǎn)生相對(duì)較小的接觸應(yīng)力。因此，選取封隔圈寬度L2為85 mm。

不同側(cè)面傾角封隔圈接觸應(yīng)力隨接觸節(jié)點(diǎn)的變化如圖6所示。

從圖6可以看出，封隔圈的接觸應(yīng)力隨著接觸節(jié)點(diǎn)的延伸，兩側(cè)的接觸應(yīng)力分布不均勻。當(dāng)側(cè)面傾角θ1越大時(shí)，接觸應(yīng)力隨著接觸節(jié)點(diǎn)的延伸分布越均勻。當(dāng)側(cè)面傾角增大時(shí)，最大接觸應(yīng)力先增大后減小，并且當(dāng)θ1= 15°時(shí)，封隔圈具有最大的接觸應(yīng)力。因此，選取封隔圈側(cè)面傾角θ1為15°。

不同表面傾角接觸應(yīng)力隨接觸節(jié)點(diǎn)的變化關(guān)系如圖7所示。從圖7可以看出，封隔圈的接觸應(yīng)力隨著接觸節(jié)點(diǎn)的延伸，兩側(cè)的接觸應(yīng)力分布不均勻，但是總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)表面傾角增大時(shí)，最大接觸應(yīng)力先增大后減小，并且當(dāng)θ2= 44°時(shí)，具有最大的接觸應(yīng)力。因此，選取封隔圈表面傾角θ2為44°。

圖7 不同表面傾角θ2接觸應(yīng)力隨接觸節(jié)點(diǎn)的變化關(guān)系Fig.7 Contact stress of the sealing ring vs.contact node under different surface inclination angles θ2

通過初封狀態(tài)模擬研究獲得封隔圈最優(yōu)幾何參數(shù)，然后采用坐封狀態(tài)下液壓動(dòng)力系統(tǒng)和壓差提供的總縱向載荷進(jìn)行校核，分析采用幾何參數(shù)的合理性和可靠性。選取包括高度L1= 45 mm、寬度L2= 85 mm、側(cè)面傾角θ1= 15°、表面傾角θ2= 44°和邵氏硬度70 HS的封隔圈建立有限元模型，并在坐封狀態(tài)總的軸向載荷下獲得接觸應(yīng)力，如圖8所示。坐封條件下可實(shí)現(xiàn)13.3 MPa的密封壓力，滿足智能封堵器密封要求。

圖8 坐封狀態(tài)接觸應(yīng)力分布圖Fig.8 Contact stress distribution after setting

3 室內(nèi)密封性能試驗(yàn)

3.1 密封試驗(yàn)方案

封堵器的密封性能與封隔圈和管壁之間的接觸應(yīng)力密切相關(guān)，在封隔圈不出現(xiàn)“肩突”失穩(wěn)的條件下，可以通過封隔圈密封介質(zhì)壓力的大小來判斷封堵器的密封性能。試驗(yàn)裝置為高壓壓力機(jī)和自制封隔圈密封測(cè)試工裝，如圖9所示。

圖9 測(cè)定封隔圈接觸應(yīng)力的試驗(yàn)裝置示意圖Fig.9 Schematic diagram of the test device for measuring contact stress of the sealing ring

考慮到加工工藝的合理性和最大程度防止封隔圈變性，提出2種封隔圈加工形式，包括圓角處理和內(nèi)嵌彈簧圈。

封隔圈密封試驗(yàn)推力分3級(jí)：第一級(jí)封堵器內(nèi)液壓缸提供等效推力131 kN，此為初封；第二級(jí)管內(nèi)前后壓差10 MPa，提供等效推力721 kN；第三級(jí)液壓系統(tǒng)和管內(nèi)前后壓差提供等效推力852 kN，此為坐封。

試驗(yàn)第一步，將封隔圈與承壓頭配合，固定在支撐環(huán)上；壓力機(jī)由上往下施加壓力，推動(dòng)擠壓碗向下移動(dòng)，直到封隔圈與管壁接觸，而后繼續(xù)加大推力，直至推力達(dá)到液壓系統(tǒng)所能提供的最大推力131 kN。第二步，保持推力不變，向擠壓碗一側(cè)注入水，在特定壓力下(2 MPa、5 MPa、7 MPa、10 MPa，……)停止注水并觀察壓力表讀數(shù)是否變化(觀察時(shí)間定為4 h)，直至封隔圈無法密封高壓水，記錄最終密封壓力數(shù)據(jù)。第三步，增大壓力機(jī)推力達(dá)到721和852 kN，重復(fù)第二步。第四步，總結(jié)對(duì)比記錄參數(shù)。

3.2 密封試驗(yàn)結(jié)果分析

封隔圈測(cè)試數(shù)據(jù)見表1、表2。由表1可知，無內(nèi)嵌彈簧圈的封隔圈初封狀態(tài)達(dá)到3.5 MPa，滿足初封要求，坐封狀態(tài)達(dá)到10 MPa，滿足封堵器密封10 MPa介質(zhì)要求。壓縮行程滿足智能封堵器封堵單元行程要求。封隔圈會(huì)在擠壓碗、承壓頭與管壁之間縫隙均勻凸出。試驗(yàn)過程保壓4 h無泄漏產(chǎn)生，滿足密封要求。

表1 封隔圈測(cè)試數(shù)據(jù)(無內(nèi)嵌彈簧圈)Table 1 Test data of the sealing ring (without the embedded spring ring)

表2 封隔圈測(cè)試數(shù)據(jù)(內(nèi)嵌彈簧圈)Table 2 Test data of the sealing ring (with the embedded spring ring)

由表2可知，內(nèi)嵌彈簧圈的封隔圈初封狀態(tài)達(dá)到3.7 MPa，滿足初封要求，坐封狀態(tài)達(dá)到11.2 MPa，滿足封堵器密封10 MPa介質(zhì)要求。內(nèi)嵌彈簧圈的封隔圈密封壓力明顯高于未內(nèi)嵌彈簧圈的密封壓力，說明內(nèi)嵌彈簧圈有助于提高密封壓力。封隔圈內(nèi)嵌彈簧圈之后，封隔圈會(huì)在擠壓碗、承壓頭與管壁之間縫隙凸出，但內(nèi)嵌彈簧圈一側(cè)凸出較少。試驗(yàn)過程保壓4 h無泄漏產(chǎn)生，滿足密封要求。

3.3 密封過程和密封狀態(tài)分析

內(nèi)嵌彈簧圈封隔圈試驗(yàn)過程中，保持坐封狀態(tài)軸向載荷不變，持續(xù)提高注水壓力，分別為9、10和11 MPa時(shí)，穩(wěn)壓4 h后進(jìn)行記錄，如圖10所示。封隔圈可滿足3個(gè)差壓的密封要求，但是封隔圈凸起高度明顯增大。

當(dāng)密封壓力分別為9、10和11 MPa時(shí)，封隔圈在縫隙中凸起高度約為10.5、11.4和12.1 mm。說明在管內(nèi)前后壓差的作用下，不僅提高了坐封狀態(tài)下軸向載荷，還會(huì)造成封隔圈出現(xiàn)“肩突”現(xiàn)象，且壓差越大“肩突”約明顯。與未內(nèi)嵌彈簧圈的封隔圈試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，安裝彈簧圈將減小封隔圈“肩突”，并提高密封壓力。

試驗(yàn)后取出封隔圈，2 h內(nèi)即可即恢復(fù)試驗(yàn)前狀態(tài)，未見明顯損傷，且壓痕在未束縛狀態(tài)下4 h消失(見圖11)。這說明氫化丁腈橡膠彈性和回彈性良好，可多次使用，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

圖11 封隔圈Fig.11 Photos of sealing rings

4 結(jié) 論

(1)采用Mooney-Rivlin本構(gòu)模型研究了封隔圈結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封性能的影響，通過初封過程確定封隔圈硬度70 HS時(shí)密封性能最佳，同時(shí)改變封隔圈高度、寬度等參數(shù)優(yōu)選出封隔圈幾何參數(shù)。

(2)通過室內(nèi)密封試驗(yàn)，未內(nèi)嵌彈簧圈和內(nèi)嵌彈簧圈的封隔圈最大密封壓力分別為10.0和11.2 MPa，滿足?304.8 mm海底管道內(nèi)壓差10 MPa的封堵要求。

(3)內(nèi)嵌彈簧圈封隔圈能夠有效減小由高壓差帶來的封隔圈“肩突”并提高密封壓力。氫化丁腈橡膠回彈性滿足多次使用要求，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。