水下連接器密封性能分析及實驗研究

李志剛，運飛宏，姜瑛，劉軍，弓海霞，王立權

（1.天津大學建筑工程學院，天津300072；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300456；3.哈爾濱工程大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱150001）

水下連接器密封性能分析及實驗研究

李志剛1，2，運飛宏3，姜瑛2，劉軍3，弓海霞3，王立權3

（1.天津大學建筑工程學院，天津300072；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300456；3.哈爾濱工程大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱150001）

針對水下連接器需要具有良好可靠性的問題，對連接器的密封性能進行了研究。通過對卡爪式連接器的密封圈進行彈性力學分析，用數學模型揭示了金屬密封機理，并根據其受力形式計算了密封比壓；根據密封比壓公式對密封圈密封面的角度進行了改進，提出了一種新型復合式內外壓密封結構。經過有限元仿真分析及樣機試驗研究，驗證了新型密封圈所需的預緊力載荷只有82 t，比原始的標準透鏡式密封圈預緊力載荷小了將近30 t，證明了新型復合式內外壓密封結構的優(yōu)越性。

連接器；彈性力學；透鏡式密封；密封比壓；密封性能；預緊力

連接器的密封技術研究是水下連接技術中最為關鍵的部分，也是目前壓力容器技術領域中十分受重視的研究內容?？ㄗB接是一種新型、快速的管道連接方式［1］，一般工作在深水海域，本文研究的工作水深為500 m，管道內部壓力為34.5 MPa。連接器既要承受管道內部油氣的高溫高壓，同時還要承受管道外部海水的低溫高壓，因此，對密封結構的設計要求比較高［2］，需采用基于自緊式密封的復合式密封結構，使其既能抵抗內部高溫高壓，又能抵抗外部海水的壓力。目前國內對于水下連接器用的密封圈主要還是采用標準的透鏡式密封圈，其預緊力和徑向尺寸均較大，有一定的改進空間［3?4］。為了能夠滿足卡爪連接器實際工況的密封需求，分析了金屬密封圈的密封機理，設計了一種不同于標準透鏡式密封圈的復合式內外壓密封結構。

1 金屬密封機理

如圖1所示，通過外屆向兩法蘭施加力，使之壓緊密封圈，法蘭與密封圈間的密封屬于自緊式線接觸端面密封，通過密封圈的球面與法蘭錐面形成線接觸進而實現密封。當零件經過機械加工后，由于刀具切削作用引起金屬塑性變形，在加工表面會產生間距較小的輪廓峰谷。當施加預緊力時，兩法蘭相互靠近擠壓密封圈球面，法蘭錐面與密封圈的球面間發(fā)生錯動，兩配合面間“波峰”區(qū)域逐漸被削平并且產生流動填平“波谷”區(qū)域，因此消除了密封間隙，在密封圈球面上產生彈塑性變形，使得法蘭錐面與密封圈球面間產生一條很窄的密封錐面環(huán)帶，實現了法蘭與密封圈間的密封［5］。法蘭與密封圈密封面接觸后的微觀形貌如圖2所示。在水下管道法蘭對接工程中，密封圈為可更換零件，而法蘭是可重復使用的零件，因此，在材料的選擇上要注意上、下法蘭的材料硬度要大于密封圈的材料硬度，這樣使密封圈較容易達到屈服極限，而不至于導致法蘭密封面過度變形而無法使用。

圖1 密封壓緊示意圖Fig.1 Schematic diagram of sealed compression

圖2 密封圈與法蘭密封面微觀形貌示意圖Fig.2 The microtopography of seal and flange seal surface

2 金屬密封分析

在高壓管道中普遍采用透鏡式密封，標準金屬透鏡式密封圈如圖3所示，圖中β為密封面與豎直方向的標準夾角。影響密封圈密封效果的因素有很多，比如密封圈厚度、寬度、材料特性、密封結構、壓緊力以及密封比壓等等［6］。而密封比壓又可分為預緊狀態(tài)比壓和操作狀態(tài)比壓，這里對預緊狀態(tài)不做考慮，只關心其操作狀態(tài)，即對法蘭加載實現密封后的密封比壓，并建立其數學模型［7］。

圖3 標準透鏡式金屬密封圈Fig.3 Standard lens?type metal seal

法蘭與密封圈間的密封不僅僅與預緊力有關，實驗表明機械密封面之間存在流體液膜，液膜的推力也是影響密封比壓的重要因素，因此，法蘭錐面與密封圈球面間受力可分為：外界施加的壓緊力Fyj、液膜在密封面之間產生的推力。

2.1 外界施加壓緊力計算

由于卡爪式連接器的法蘭為非標法蘭，無相應的壓緊力標準可以參照，可按照螺栓法蘭連接密封載荷計算方法［9］進行計算接頭外界所需施加的豎直方向的預緊力Fyj，密封面受力如圖4所示，FN為垂直于密封面方向的壓緊力：

式中：G為密封圈接觸直徑，mm；α為密封面與豎直方向的夾角，（°）；P為管道內壓，MPa。

圖4 密封面受力示意圖Fig.4 Force diagram of seal surface

2.2 介質膜推力

當接頭法蘭內部充滿介質時，在上下法蘭與密封圈的密封面接觸處會形成一層液膜，液膜產生的壓力使法蘭與密封圈有分開的趨勢［10］。

假設兩端面間介質壓力分布規(guī)律為按直線分布，如圖5所示［11］。

圖5 介質壓力梯度分布示意圖Fig.5 Distribution diagram of medium's pressure grade

密封面面積為

介質壓力大小為

由式（1）、（2）得到介質膜推力為

2.3 密封比壓計算

根據密封比壓的定義計算密封比壓，得出密封比壓公式如下［12］，式（5）中的密封寬度需要通過有限元分析來輔助求解：

式中：b為有效密封寬度，mm；Pb為密封比壓，MPa。

3 新型復合式內外壓密封圈

連接器的密封是設計的核心，而預緊力是保證密封效果的關鍵。目前，使標準透鏡式密封圈所需的預緊力較大，安裝工具上的驅動液壓缸需要具有較大的推力和行程，且連接器的徑向尺寸也較大，導致連接器安裝工具的結構也相應加大。

為減小連接器的預緊力，進而減小接頭及安裝工具的尺寸，減輕整個連接器的重量，用最有效的結構實現接頭密封，縮小與國外連接器的技術差距，故放棄標準的透鏡式密封圈結構形式，對密封圈進行改進。

根據上節(jié)的受力分析可知，若保證密封圈垂直方向的受力不變（保持密封圈球面所受應力在屈服極限），將式（5）進行整理，則實現接頭有效密封所需要的比壓力為

分析式中的各個變量可知，當α值減小時，所需的密封比壓Pb減小，即保證密封圈的受力狀態(tài)不變時所需的壓力減小，即所需的外界預緊力減小。

在設計新型密封圈時，保持原有的標準透鏡式球面直徑SR168.148 mm不變，將法蘭與密封圈的密封面配合角度由原來的β降低至α，在球面的底端設置一個安裝標準O型圈的錐形臺，在上面設計O型圈溝槽，使用同一法蘭密封面對球面及O型圈實現密封，可以減小法蘭的徑向尺寸。密封圈的定位槽用來與法蘭上的密封圈固定結構相配合，從而對密封圈進行軸向及徑向的粗定位。新型密封圈結構如圖6所示，密封圈與法蘭、卡爪、壓力環(huán)的配合結構如圖7所示。

圖6 新型復合式內外壓密封圈Fig.6 A new composite internal and external pressureseal

為了方便在水下拆卸、更換密封圈，在上法蘭上增加了定位機構。密封圈的安裝過程有專用的密封圈拆卸安裝工具，當其帶動密封圈垂直向上運動時，密封圈兩端的凸緣推動定位機構縮回，當密封圈運動到位后定位機構伸出，伸入密封圈定位槽中，從而實現密封圈的定位。

圖7 新型密封圈與法蘭配合結構改進示意圖Fig.7 Structural modification scheme of the new type seal combining with flange

4 密封圈有限元分析

在密封角度改變的過程中，需對密封角度與接頭預緊力的關系進行分析，以上公式只能給出密封比壓與密封角度的關系，不能給出預緊力的確切值，因此利用ANSYS軟件對不同密封角度下的接頭預緊力進行分析驗證。

圖8 有限元分析模型的建立Fig.8 Establishment of the finite element analysis model

如圖8（a）、（b）所示為有限元分析模型和網格劃分的示意圖，由于每一個分析的模型均為上、下法蘭與密封圈的1／12，除密封面的角度外沒有其他變化，因此在ANSYS軟件中對其接觸、支撐等設置也相同。

模型的各個部件之間的接觸面用的都是有摩擦接觸，摩擦系數為0.15；下法蘭底面使用固定支撐；上下法蘭及密封圈的兩側切面均使用無摩擦支撐；同時，密封圈內面及上下面、上下法蘭內面的內壓為34.5 MPa；最后，在上法蘭的上面施加一定的力，具體如圖8（c）所示。

將密封面從β至α每5°建立一個新的模型作為分析對象（β＝α+50°），共設計11組不同角度的密封方案，通過有限元分析，得到如表1所示的結果。試驗用密封圈的材料選用316，其屈服極限為205 MPa，由表中可以看出，在密封圈的應力已達到210 MPa以上，密封圈材料已發(fā)生彈塑性變形，實現了有效密封。不同密封角度的密封圈的預緊力各不相同，隨著密封面角度由β至α減小，預緊力由9.2 t減至6.5 t。按1／12計算，可知在α時整個密封圈的預緊力約為78 t，比β時的110.4 t減小了32.4 t，因此，將密封面角度減小到α可以減小預緊力。

表1 不同密封面角度的密封圈有限元分析結果Table1 Finite element analysis for different seal angles

圖9 優(yōu)化變量敏感性分析Fig.9 The sensitivity analyses of the optimization vari?ables

5 復合式內外壓密封圈試驗分析

5.1 內壓試驗

5.1.1 內壓試驗方案

使用壓力機施加軸向載荷，模擬卡爪對上、下法蘭的作用力，實現連接器接頭復合式密封圈的壓縮密封。通過向完成密封的上、下法蘭內部密閉空間通入高壓油，并進行保壓，測試連接器法蘭與密封圈配合密封的性能［13］。調整壓力機軸向載荷以及打壓壓力，觀察泄漏情況，探尋密封軸向力與密封性能的關系，并最終在保證34.5 MPa內壓的1.5倍（51.75 MPa）的情況下確定其預緊力。

5.1.2 內壓試驗數據分析

對內壓試驗過程及表2中的內壓試驗結果進行分析，可以有以下幾點結論：

1）通過自主設計的新型密封圈和法蘭密封結構尺寸合理，能夠滿足預定的密封要求；

2）試驗的過程中充分體現了密封圈良好的對中性能，墊圈的密封表面是球面，在法蘭閉合的過程中密封圈會自動找正，因此在海底對接過程中密封圈的安裝角度偏差范圍更為寬松；

3）在更換密封圈的過程中，新型金屬密封圈的定位裝置非常便于密封圈的安裝及拆卸；

4）密封圈在預緊力82 t時，能夠密封略大于34.5 MPa的內壓，與有限元分析的78 t接近，證明了密封角度適當減小可以減小預緊力；

5）當預緊力增至120 t時能夠滿足34.5 MPa的1.5倍（51.75 MPa）內壓密封要求。

表2 內壓試驗數據Table2 The testing data of internal pressure

5.2 外壓試驗

5.2.1 外壓試驗方案

外壓試驗須在內壓試驗成功基礎上進行。在確定復合式密封圈對于管道內壓的有效密封之后，分別在封住34.5 MPa和51.75 MPa的軸向預緊力下進行外壓試驗，測試O形圈與法蘭密封面之間的配合對外壓的密封能力，保證可以密封500 m水深即5 MPa的外壓，并最終實現在5 MPa的1.5倍即7.5 MPa的外壓下的密封。

5.2.2 外壓試驗數據分析

對表3的試驗數據分析可知：

1）密封圈在預緊力為82 t時，保壓34.5 MPa，使密封圈處于實際工作情況下，能夠封住5 MPa的外壓，即密封圈滿足水深要求；當外壓加到7.5 MPa時在保壓時間內仍然沒有出現泄漏現象，說明密封圈能夠適應外壓惡劣的情況。

表3 外壓試驗數據Table3 The testing data of external pressure

2）密封圈在預緊力為120 t時，保壓51.75 MPa，使密封圈處于極限工作情況下，能夠封住5 MPa的外壓，即密封圈在極限工作情況下依然滿足水深要求；當外壓加到7.5 MPa時在保壓時間內仍然沒有出現泄漏現象，說明密封圈能夠適應內外壓均惡劣的情況。

6 結論

本文從彈性力學的角度分析了金屬密封圈的密封機理，研制了一種新型復合式密封圈，對其密封角度進行了優(yōu)化分析，并進行了試驗，可得到以下結論：

1）通過對密封圈受力狀態(tài)的分析，可對其密封比壓進行推導，從而得到密封比壓與密封面角度之間的關系，適當的減小密封面的角度可以減小密封比壓。

2）對密封面角度由標準的β至β-50°分別建立模型進行有限元分析，得到密封面角度與預緊力的直接關系，由β至β-50°預緊力減小了32.4 t，證明適當的減小密封面角度可以降低卡爪連接器所需的預緊力。

3）對連接器密封圈及法蘭進行內壓試驗，證明了在法蘭的預緊力為82 t左右可以密封34.5 MPa的內壓，與有限元分析的結果一致；同時，適當的提高預緊力可以密封更高的內壓。

4）對裝置的外壓試驗證明了在正常工作狀態(tài)及極限工作狀態(tài)下，密封圈均可以對5 MPa及7.5 MPa的外壓實現密封。

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Analysis and experimental study of subsea connector's seal performance

LI Zhigang1，2，YUN Feihong3，JIANG Ying2，LIU Jun3，GONG Haixia3，WANG Liquan3
（1.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Offshore Oil Engineering Company Limited，Tianjin 300456，China；3.College of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

The seal performance of subsea connectors was analyzed in order to meet the challenges and solve the difficulties of ensuring the good reliability of the connectors.The elastic analysis of the claw type connector seals was carried out，the mechanism of metal seal was revealed by a mathematical model and the seal specific pressure was calculated according to the form of its stress.The seal angle was improved based on the seal spe?cific pressure formula.A new combined seal structure which can withstand internal and external pressure was made.The results of finite element analysis and the experiments with prototype showed that the preload of the new lens?seal is only 82 t and it is almost 30 t less than the standard lens?seal，which proves the superiority of the new combined structure.

connector；elasticity；lens?seal；seal pressure；seal performance；pretightening force

10.3969／j.issn.1006?7043.201312006

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.U.20150109.1520.011.html

TE54

A

1006?7043（2015）03?0389?05

2013?12?02.網絡出版時間：2015?01?09.

國家863計劃資助項目（2013AA09A217）；國家自然科學基金資助項目（51105088）；海洋石油總公司基金資助項目（CNOOC?KJ125ZDXM05GC00GC2011?02）；國家科技重大專項基金資助項目（2011ZX05027?004）.

李志剛（1965?），男，高級工程師；運飛宏（1988?），女，博士研究生；王立權（1957?），男，教授，博士生導師.

運飛宏，E?mail：yfh88818＠163.com.