油氣管道球狀雙封封堵器膠筒端面斜角優(yōu)選

張 行，張仕民，王 焱

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249）①

管道帶壓開(kāi)孔與封堵技術(shù)是一種安全、經(jīng)濟(jì)、高效的管線維搶修技術(shù)，該技術(shù)可在不停輸?shù)臈l件下完成管線維搶修施工，適用于原油、成品油、天然氣等多種介質(zhì)管線的正常維修改造和突發(fā)事故的搶修［1］。油氣管道球狀雙封封堵器是用于不停輸帶壓封堵工藝下封堵管道的封堵器［2］。管道不停輸封堵作業(yè)時(shí)，在液壓缸提供的軸向壓縮載荷作用下，壓縮式密封膠筒在軸向壓縮變形的同時(shí)徑向膨脹變形，膠筒外表面與管道內(nèi)壁接觸，從而封隔封堵器與管道之間的環(huán)空，以實(shí)現(xiàn)封堵管道的功能。膠筒的幾何參數(shù)對(duì)膠筒系統(tǒng)的密封性能影響很大。在膠筒實(shí)際壓縮過(guò)程中，端面斜角處最容易出現(xiàn)橡膠畸變及壓潰的情況，直接影響膠筒的密封質(zhì)量［3］。

封堵器的密封性能與膠筒和管道之間的接觸壓力狀態(tài)密切相關(guān)，可以通過(guò)密封膠筒與管道的最大接觸壓力的大小及接觸壓力大于管道內(nèi)壓的有效接觸區(qū)域長(zhǎng)度的大小來(lái)評(píng)價(jià)。密封膠筒的最大接觸壓力越大，膠筒系統(tǒng)所能承受的封堵壓差越高。有效接觸區(qū)域長(zhǎng)度越長(zhǎng)，膠筒系統(tǒng)的密封穩(wěn)定性越高。因此，封堵器的工作狀態(tài)決定著封堵作業(yè)的成功與否。作為封堵器中重要的部件，密封膠筒的性能決定著封堵器的質(zhì)量，損壞與否則決定著封隔器能否安全工作［4］。因此，有必要分析封隔器膠筒參數(shù)的變化對(duì)膠筒性能的影響，并優(yōu)選出最優(yōu)參數(shù)。

本文采用ABAQUS有限元分析軟件，通過(guò)改變膠筒的端面斜角數(shù)值，建立不同幾何參數(shù)的有限元模型，施加相同的載荷與相同的邊界條件；最后得到膠筒端面角度變化的膠筒接觸壓力云圖。選取膠筒膨脹后與管壁接觸的接觸路徑，繪出真實(shí)接觸路徑與膠筒和管道接觸壓力曲線圖，得到膠筒與管道的密封最大接觸壓力值；繪制膠筒最大接觸壓力和膠筒與管道的密封峰值接觸壓力值曲線，得出膠筒端面斜角參數(shù)對(duì)密封性能的影響規(guī)律，從而對(duì)膠筒形狀進(jìn)行優(yōu)化［5］。

1 有限元計(jì)算

1.1 建模

球狀雙封封堵器為球狀一體化設(shè)計(jì)（如圖1所示），在球形中部放置有2個(gè)通過(guò)液壓缸壓縮的密封膠筒，通過(guò)壓縮密封膠筒使膠筒產(chǎn)生徑向膨脹，與管壁產(chǎn)生接觸壓力，以達(dá)到主動(dòng)封堵的目的。

圖1 球狀雙封封堵器結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)液壓缸、封堵器前蓋、封堵器殼體與前密封膠筒、后密封膠筒及隔離環(huán)組成了球狀雙封封堵器的封堵結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 封堵結(jié)構(gòu)

由于密封膠筒的幾何形狀和約束情況均近似為空間軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，故可以簡(jiǎn)化為截面問(wèn)題。為了更直觀、真實(shí)地反應(yīng)分析過(guò)程及結(jié)果，選取1個(gè)密封膠筒作為分析對(duì)象。封堵機(jī)構(gòu)模型如圖3所示。封堵結(jié)構(gòu)模型各零件的尺寸如表1所示。

圖3 封堵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型

表1 模型各零件尺寸

1.2 材料屬性

球狀雙封封堵器密封膠筒的材料為丁腈橡膠。丁腈橡膠具有強(qiáng)度高、彈性好、耐撕裂性高、耐油防腐蝕能力強(qiáng)、密封性好等特點(diǎn)。目前，對(duì)橡膠材料的有限元分析廣泛采用的是3參數(shù)Mooney－Revlin本構(gòu)模型［6］。本分析采用邵氏硬度為90 HD的膠筒，膠筒的彈性模量為17.330 MPa。

另外，封堵器殼體、封堵器球蓋和隔離環(huán)的材料為低碳鋼或合金鋼，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。模型力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 模型力學(xué)參數(shù)

1.3 邊界條件與載荷

膠筒和封堵器殼體、隔離環(huán)、封堵器球蓋間存在摩擦，摩擦因數(shù)取0.5。封堵器殼體與隔離環(huán)為鋼對(duì)鋼接觸，摩擦因數(shù)取0.3。

在隔離環(huán)上施加y負(fù)方向20 MPa的表面載荷，擠壓前后密封膠筒。固定封堵器殼體與管壁，約束封堵器球蓋與隔離環(huán)x方向的位移。如圖3b所示。

2 計(jì)算結(jié)果及討論

圖4為封堵機(jī)構(gòu)的應(yīng)力云圖，在表面載荷20 MPa的情況下，驅(qū)動(dòng)液壓缸壓縮膠筒所產(chǎn)生的應(yīng)力均勻分布在封堵器殼體上，其中最大應(yīng)力為115.2 MPa，出現(xiàn)在隔離環(huán)承壓面上，但遠(yuǎn)小于封堵器殼體材料的屈服強(qiáng)度。密封膠筒經(jīng)過(guò)壓縮后并沒(méi)有出現(xiàn)較大的畸變［7－8］。應(yīng)力主要分布在與隔離環(huán)及封堵器殼體的接觸面附近。為了查看管壁與膠筒的接觸壓力狀態(tài)，在管壁上選取一條接觸路徑，如圖5所示。

圖4 封堵結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖

圖5 管壁與膠筒的接觸路徑

3 膠筒端面角度的影響

在膠筒厚度l＝80 mm、高度h＝110 mm、與管道內(nèi)壁間隙s＝10 mm的情況下，將膠筒端面斜角θ作為變量，分析膠筒端面角度的變化對(duì)膠筒密封性能的影響。對(duì)膠筒端面斜角θ分別為0°、5°、10°、15°、20°時(shí)的5種情況進(jìn)行分析，分別建立這5種情況的有限元模型，添加相同的邊界條件與約束，并施加相同的載荷。

待分析完畢后，分別查看各參數(shù)模型管壁與膠筒的接觸壓力曲線，如圖6所示。由于待封堵管道的運(yùn)行壓力為10 MPa，主要從密封膠筒與管道的最大接觸壓力的大小及接觸應(yīng)力大于11 MPa的有效接觸區(qū)域長(zhǎng)度的大小這2方面來(lái)衡量膠筒的密封質(zhì)量。

圖6 θ＝0～20°時(shí)膠筒壓縮后管壁接觸路徑與接觸壓力關(guān)系曲線

由圖6可知：在相同載荷下，θ＝0°時(shí)膠筒與管壁接觸區(qū)域的最大接觸應(yīng)力達(dá)到13.5 MPa，在曲線兩側(cè)存在接觸壓力突然增大的現(xiàn)象，這是由于橡膠出現(xiàn)了畸變；θ＝5°時(shí)，最大接觸應(yīng)力下降到12.1 MPa；θ＝10°時(shí)，最大接觸應(yīng)力略微增大到12.4 MPa；θ＝15°時(shí)，最 大 接 觸 應(yīng) 力 穩(wěn) 定 在12.4 MPa；θ＝20°時(shí)，最 大 接 觸 應(yīng) 力 減 少 到11.5 MPa。在θ＝5°～15°，最大接觸壓力相對(duì)穩(wěn)定在12 MPa以上。

密封膠筒與管道的最大接觸壓力曲線如圖7所示。在相同載荷下，當(dāng)θ＝0～20°，隨著膠筒端面角度的增加，膠筒徑向膨脹與管道內(nèi)壁的接觸壓力大于10 MPa的有效接觸區(qū)域總體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；但大于11 MPa與大于12 MPa的接觸區(qū)域，長(zhǎng)度卻是先下降后上升再下降，如圖8所示。綜合這3種情況，在θ＝10～15°，11 MPa以上有效接觸區(qū)域長(zhǎng)度呈現(xiàn)穩(wěn)定的趨勢(shì)。故將分析范圍縮小到10°～15°。對(duì)比每種情況下接觸壓力分別大于10、11、12 MPa的有效接觸區(qū)域長(zhǎng)度。

圖7 膠筒端面角度與最大接觸壓力關(guān)系曲線

圖8 θ＝0～20°時(shí)膠筒端面角度與有效接觸區(qū)域關(guān)系曲線

當(dāng)θ＝11°～14°時(shí)，膠管壓縮后與管壁的接觸路徑與接觸壓力關(guān)系如圖9所示。

圖9 θ＝11°～14°時(shí)膠筒壓縮后與管壁的接觸路徑與接觸壓力關(guān)系曲線

由圖9可知：

1） 當(dāng)θ＝11°時(shí)，最大接觸應(yīng)力為12.4 MPa，10 MPa以上有效接觸區(qū)域?yàn)?5 mm；11 MPa以上有效接觸區(qū)域?yàn)?0 mm；12 MPa以上有效接觸區(qū)域?yàn)?3 mm。

2） 當(dāng)θ＝12°時(shí)，最大接觸應(yīng)力為12.4 MPa，10 MPa以上有效接觸區(qū)域?yàn)?9 mm；11 MPa以上有效接觸區(qū)域?yàn)?3 mm；12 MPa以上有效接觸區(qū)域?yàn)?2 mm。

3） 當(dāng)θ＝13°時(shí)，最大接觸應(yīng)力為12.3 MPa，10 MPa以上有效接觸區(qū)域?yàn)?7 mm；11 MPa以上有效接觸區(qū)域?yàn)?4 mm；12 MPa以上有效接觸區(qū)域?yàn)?9 mm。

4） 當(dāng)θ＝14°時(shí)，最大接觸應(yīng)力為12.3 MPa，10 MPa以上有效接觸區(qū)域?yàn)?9 mm；11 MPa以上有效接觸區(qū)域?yàn)?5 mm；12 MPa以上有效接觸區(qū)域?yàn)?6 mm。

由上述結(jié)果可得到θ＝11～14°時(shí)，膠筒端面各角度與最大接觸應(yīng)力及有效接觸區(qū)域長(zhǎng)度的關(guān)系，如圖10～11所示。

圖10 θ＝11～14°時(shí)膠筒端面角度與最大接觸壓力關(guān)系曲線

圖11 θ＝11～14°時(shí)膠筒端面角度與有效接觸區(qū)域的關(guān)系曲線

由圖10可得：在θ＝11～14°，最大接觸壓力相差0.1 MPa，由此可知在θ＝10°～15°，膠筒端面角度θ的變化對(duì)最大接觸壓力影響不大。由圖11可得：曲線整體呈上升趨勢(shì)，隨著膠筒端面角度θ的增加，有效接觸區(qū)域的長(zhǎng)度也在增加。

綜上可得，膠筒端面角度選擇θ＝15°較合適。

4 結(jié)論

1） 在球狀雙封封堵器密封膠筒的其他參數(shù)取定值的情況下，膠筒與管道密封峰值接觸壓力隨著膠筒端面斜角的增大而呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。

2） 密封膠筒與管道內(nèi)壁的接觸路徑上，大于10 MPa的有效接觸區(qū)域總體呈上升趨勢(shì)，而在接觸壓力大于11 MPa和12 MPa的接觸區(qū)域只在10～15°之間更為穩(wěn)定。

3） 進(jìn)一步分析10～15°的模型后，得到接觸壓力曲線整體呈較平穩(wěn)上升趨勢(shì)，即膠筒端面角度值在0～20°存在最優(yōu)值，最優(yōu)值的選取對(duì)密封膠筒密封性能的優(yōu)化起到了較為重要的作用。

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