深海高壓環(huán)境下的密封材料變形特性分析

周 博 陳家旺 顧臨怡

浙江大學(xué)流體傳動與控制國家重點實驗室,杭州,310027

0 引言

深海技術(shù)裝備如深海沉積物保真取樣器[1]、深海熱液保真取樣器[2]、深海原位探測器[3]、深海生物幼體保真取樣器、ROV(remote operated vehicle)和 AUV(autonomous underwater vehicles)等水下運載器,由于考慮海水低黏度(約為礦物油的1/40～1/50)、海水水壓(0～100MPa)、海水腐蝕、海水導(dǎo)電及樣品污染等原因,密封結(jié)構(gòu)形式一般采用高強度耐壓型,或采用帶補償油或純凈水的內(nèi)外壓平衡型。在水深1000m之內(nèi),常規(guī)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計多采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,而在深海高壓環(huán)境下,密封件采用具有自密封作用和耐腐蝕的O形橡膠圈作為密封圈[4],密封件自身形體受到周圍高壓產(chǎn)生的變形會對系統(tǒng)密封性能和可靠性產(chǎn)生影響,如果密封材料及設(shè)計尺寸考慮不足將嚴(yán)重影響系統(tǒng)工作,如漏水致使高壓艙內(nèi)電路板燒毀。另外,保真取樣器在深海高壓環(huán)境下完成取樣動作的同時就建立起了系統(tǒng)密封,系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對沉積物、生物等對象進行原位保真取樣,要求密封件在水下高壓環(huán)境下必須具有一定量的初始預(yù)壓縮量,最終能不能保持原位壓力取決于密封件與剛性體(如高強度筒體)間的接觸應(yīng)力是否大于海水環(huán)境壓力。

本文研究密封材料在深海高壓環(huán)境下自身形體產(chǎn)生的體積壓縮特性。通過本研究確認(rèn)常規(guī)密封結(jié)構(gòu)形式是否會由于密封體的預(yù)壓縮量不夠而使系統(tǒng)無法獲得采樣點的原位壓力。

1 試驗儀器與試驗條件

1.1 試驗儀器

采用WDW-200微機控制電子式萬能試驗機來施加壓力。該試驗機最大試驗力為200kN,試驗力分辨率為1/100 000。橡膠的軸向壓縮量由YYU-5010型電子引伸計來測量,其測量精度為1μm。試驗測量范圍為 0～200MPa,該范圍足以包括地球海水水深產(chǎn)生的水壓范圍。測試系統(tǒng)如圖1所示,試驗裝置由主套筒、輔助套筒、施壓軸、支撐軸、內(nèi)六角螺釘組成。

圖1 測試系統(tǒng)

1.2 試驗材料與方法

試驗采用的3種不同密封膠棒規(guī)格見表1。測試時橡膠試樣放在主套筒內(nèi),由主套筒限制橡膠試樣的徑向變形;支撐軸放置在主套筒內(nèi)部,橡膠試樣的下方;施壓軸放置在橡膠試樣的上方,用來傳遞電子萬能試驗機施壓梁施加的壓力;輔助套筒通過內(nèi)六角螺釘壓緊在施壓軸的上端;電子引伸計的兩只腳分別固定在輔助套筒和主套筒的外壁,主套筒和輔助套筒的外徑相同,以減小電子引伸計的測量誤差。

表1 密封膠棒規(guī)格

2 壓縮率的測量依據(jù)

假設(shè)橡膠試樣初始長度為l0,半徑為r0,那么其在大氣壓下的體積為V0=l0。在理想狀態(tài)下,主套筒的內(nèi)徑為2r0,橡膠試樣的徑向變形為0。在壓強p下,橡膠試樣的長度為l p,半徑仍為r0,體積為Vp=l p,則等溫體積壓縮率為

這里,l0-l p可以由電子引伸計直接測得。

3 壓縮量的理論計算

式(1)建立在假定主套筒受內(nèi)力時其內(nèi)徑恒定不變的基礎(chǔ)上,但事實上,在高壓下橡膠試樣的軸向?qū)a(chǎn)生變形,同時沿著徑向也產(chǎn)生變形,其徑向變形將壓力傳到主套筒的內(nèi)壁,主套筒徑向產(chǎn)生變形。但是,使得主套筒在徑向的變形取決于其幾何形狀和材料,如果設(shè)計合理,主套筒徑向的變形是可以控制在不影響試驗結(jié)果的范圍內(nèi)的。

在內(nèi)部壓力作用下,主套筒的徑向變形可以根據(jù)拉梅公式[5]來計算：

式中,u為半徑r處的徑向變形;E、ν分別為主套筒材料的彈性模量和泊松比;K為主套筒的外徑內(nèi)徑比,K=r1/r0。

本次試驗所用套筒材料為45鋼,其彈性模量E=216GPa,根據(jù)文獻[6]取ν=0.29。又 r0=5mm,r1=20mm,代入計算可得在內(nèi)部壓力p作用下,主套筒半徑r處的徑向變形為

則等溫體積壓縮率修正為

因為深海保真取樣設(shè)備的使用范圍在100MPa(水壓)以內(nèi),所以當(dāng)p=100MPa時式(4)為

此時,等溫體積壓縮率測量誤差最大,隨著加載壓力p的減小,等溫體積壓縮率的測量精度將越來越高。

4 密封件有限元分析

密封件材料在較短時間內(nèi)及恒定的環(huán)境溫度下通常被處理為各向不可壓縮材料,其應(yīng)變能密度函數(shù)W是變形張量不變量I 1、I2、I3的函數(shù),即W=W(I1,I2,I3)。根據(jù)密封件的不可壓縮特性,W函數(shù)式可以用變形張量不變量的級數(shù)形式表示[7],一般廣泛采用的是 Mooney-Rivlin模型,即

式中,C1、C2為材料常數(shù),可根據(jù)單軸拉伸試驗測得[8]。

該模型能很好地描述密封件變形在150%內(nèi)的特性[9],對于橡膠件,彈性模量E與剪切模量G有如下關(guān)系：

式中,μ為泊松比。

G或E與材料常數(shù)C1、C2的關(guān)系為

由于密封件具有軸對稱特性,故取1/2剖面進行有限元建模,應(yīng)用Plane182單元類型,對其進行映射網(wǎng)格劃分,單元數(shù)為400。在密封件左右兩側(cè)加x向約束,在密封件底部加y向約束,在密封件頂部施加0～200MPa載荷。

5 試驗結(jié)果與有限元仿真計算分析

5.1 試驗結(jié)果與有限元計算結(jié)果對比

3種不同材料的試驗結(jié)果和有限元計算結(jié)果如圖2所示。圖2中橫坐標(biāo)表示壓力加載過程,縱坐標(biāo)表示加壓過程中三種橡膠材料的自身壓縮率?？梢钥闯?無論是試驗曲線還是有限元仿真曲線,均呈指數(shù)函數(shù)曲線上升。

圖2 試驗值與有限元計算結(jié)果對比

5.2 試驗結(jié)果與仿真結(jié)果分析比較

對硅橡膠、氟橡膠、丁腈橡膠3種橡膠材料進行實驗室軸向壓縮試驗以及數(shù)值模擬計算發(fā)現(xiàn)(圖2),3種材料的自身壓縮率均隨環(huán)境壓力的增大而增大。在200MPa加壓條件下,氟橡膠的壓縮率為5.2%,是3種材料中最小的;丁腈橡膠的壓縮率為7.34%;硅橡膠材料的壓縮率為8.76%,是3種材料中最大的。考慮到實際地球海水最深處馬里亞納海溝為11 521m,如果按水深每增加10m壓強增加1個大氣壓算,則該海溝處水深造成的壓力為115.21MPa。從圖 2可以看出,在115.21MPa的壓力下,氟橡膠的壓縮率為3.26%,丁腈橡膠的壓縮率為4.78%,硅橡膠材料的壓縮率為5.80%。對于密封結(jié)構(gòu)特別是高壓環(huán)境裝配的結(jié)構(gòu)來說,密封材料自身的壓縮率越低越好,低壓縮率帶來的好處是,在設(shè)計密封結(jié)構(gòu)時可以應(yīng)用常規(guī)密封結(jié)構(gòu)或適當(dāng)增大密封件自身尺寸以抵消因高壓造成的自身壓縮。

圖2中的3條仿真曲線均能較為準(zhǔn)確地模擬氟橡膠、丁腈橡膠及硅橡膠3種材料在高壓條件下的壓縮變化情況,其仿真值與實測值較為接近。通過有限元仿真可以為今后設(shè)計不同結(jié)構(gòu)類型的密封件提供最基本的材料常數(shù)C1、C2值及壓縮率的預(yù)測結(jié)果。

6 深海高壓環(huán)境下密封可靠性評價

目前,我國海洋領(lǐng)域應(yīng)用中的大部分深海作業(yè)裝備都采用常規(guī)密封結(jié)構(gòu),未出現(xiàn)因密封圈材料自身壓縮而漏水或漏油等現(xiàn)象,很大原因在于其作業(yè)水深基本上在3000m之內(nèi),從圖2可以看出,這個壓力條件下的3種橡膠材料壓縮率都在3%之內(nèi)。對于海底熱液口附近的熱液取樣,考慮密封材料的耐熱性,基本上采用的都是氟橡膠材料。常規(guī)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計中,通常靜密封預(yù)壓縮量為15%～30%,動密封預(yù)壓縮量約為9%～25%。因此,考慮到自身壓縮率的影響,其預(yù)壓縮量應(yīng)當(dāng)在常規(guī)設(shè)計規(guī)定量的基礎(chǔ)上考慮自身壓縮率影響(包括海洋水深及其他因素影響),在常規(guī)設(shè)計基礎(chǔ)上增加10%的尺寸余量。另外,由于氟橡膠耐熱、耐酸堿及其他化學(xué)藥品、耐油(包括磷酸酯系列液壓油),適用于所有潤滑油、汽油、液壓油、合成油,使用溫度為-20℃～200℃,適用于耐高溫、化學(xué)藥品、耐燃液壓油的密封[10],因此氟橡膠最適合應(yīng)用于深海高壓環(huán)境下保真取樣設(shè)備的密封。

7 應(yīng)用分析

在實際應(yīng)用中,某保真取樣設(shè)備保壓筒內(nèi)徑為1600.150 mm,端蓋直徑為1mm,密封圈溝槽深為mm,O形密封圈線徑為8mm,內(nèi)徑為mm,則根據(jù)O形密封圈預(yù)壓縮率核算公式[5]：

式中,κTmax為最大壓縮率;d0max為O形密封圈自由狀態(tài)下的最大線徑;Hmin為溝槽最小深度;Cmin為端蓋和保壓筒最小間隙。

其最大預(yù)壓縮率為

根據(jù)文獻[11],用于固定徑向密封的O形密封圈的預(yù)壓縮率應(yīng)達到15%～25%才能取得滿意的效果,由此,上述O形密封圈在常壓下的使用可以取得滿意的效果。但如果將該裝置置于深海高壓環(huán)境下,由于O形密封圈體積受壓縮,則可能達不到預(yù)壓縮率的要求。選用氟橡膠材料的O形密封圈則在70MPa下的體積變化率為2.07%,根據(jù)文獻[12]介紹的彈性體體積V壓縮量變化(ΔV)和彈性密封體當(dāng)量直徑 d 0變化(Δd 0)之間的關(guān)系可得

計算得到O形密封圈在70MPa下線徑的變化為1.00%,由此可計算其最大壓縮率為

如果選用丁腈橡膠密封圈,則根據(jù)試驗測得的壓縮數(shù)據(jù)可以計算其最大壓縮率為14.77%＜15%?？梢?如果選擇氟橡膠材料密封圈,其最大壓縮率為15.72%,僅略微大于15%,而丁腈橡膠密封圈則可能失效,由此可見深海高壓環(huán)境對O形密封圈的使用存在著一定的影響。要避免密封圈失效,主要有三種方法：①選擇壓縮率更小的密封圈的材料;②增大O形圈直徑;③選擇合理密封結(jié)構(gòu)形式。

8 結(jié)論

(1)對于氟橡膠、丁腈橡膠以及硅橡膠三種材料,隨加載壓力的增大其壓縮量增大,相同壓力條件下氟橡膠的壓縮量最小。

(2)有限元分析可為不同類型的密封件結(jié)構(gòu)設(shè)計提供基本的材料常數(shù),其預(yù)測結(jié)果較接近實測值。

(3)密封材料在高壓環(huán)境下存在自身壓縮性,在設(shè)計高壓環(huán)境下的密封結(jié)構(gòu)時應(yīng)在常規(guī)設(shè)計的預(yù)壓縮率基礎(chǔ)上增大材料自身的壓縮率。

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