水下濕式電連接器密封組件密封性能模擬與分析*

趙宏林 胡 棟 趙東偉 安 晨 戚圣好

（中國石油大學（北京） 北京 102249）

水下濕式電連接器密封組件密封性能模擬與分析*

趙宏林 胡 棟 趙東偉 安 晨 戚圣好

（中國石油大學（北京） 北京 102249）

利用ANSYS有限元軟件建立了水下濕式電連接器橡膠密封組件在工作工況下（最大水深500 m，往復插拔運動）的二維有限元簡化模型，模擬分析了不同表面摩擦系數(shù)、不同徑向壓縮量及動靜密封狀態(tài)下密封區(qū)域的接觸應力分布情況，分別利用經(jīng)驗公式法和雷諾方程分析法計算了泄漏量，對密封組件密封性能進行了定量分析。結果表明：密封區(qū)域的接觸應力隨表面摩擦系數(shù)增大而增大，但當表面摩擦系數(shù)為0.20時密封區(qū)域局部失效；不同徑向壓縮量情況下瞬時動密封的接觸應力均高于靜態(tài)密封的接觸應力；密封組件徑向壓縮量增大，接觸應力也隨之增大，但當徑向壓縮量為1.0 mm時密封區(qū)域局部失效。經(jīng)驗公式法和雷諾方程分析法計算的泄漏量均小于規(guī)范的最大泄漏量標尺，表明水下濕式電連接器密封組件具有良好的密封性能，但經(jīng)驗公式法比雷諾方程計算的結果相對偏小，主要原因是雷諾方程計算側重的是接觸面的濕摩擦，而經(jīng)驗公式側重的是接觸面的干摩擦。本文研究結果對水下濕式電連接器密封結構設計和相關參數(shù)選取有一定的指導意義。

水下濕式電連接器；橡膠密封組件；接觸應力；摩擦系數(shù)；徑向壓縮量；動靜密封；泄漏量；有限元模擬

水下濕式電連接器是一種暴露于苛刻外部環(huán)境（如海水、油液、鉆井液等），用來連接電纜、水下用電設備的水下可插拔連接裝置［1］，與采油樹、臍帶纜等重要部件都有直接聯(lián)系［2］。當其通電時，電連接器公頭插入到母頭腔體，防止海水進入和液壓油流出以保護腔內電器設備，其腔口位置處設有密封裝置。水下濕式電連接器采用橡膠密封，利用橡膠的高彈性和低硬度特性，在壓力作用下橡膠密封件將密封區(qū)域的間隙填滿，與插針外表面緊密接觸，壓力越高，其密封效果越好，且密封件不會因機械作用而損壞。傳統(tǒng)的O型、唇型等密封圈因其密封過程中密封區(qū)域面積較小，不能達到良好的密封效果，因此水下濕式電連接器須采用接觸區(qū)域面積較大的橡膠密封形式，但由于其密封接觸區(qū)域面積大，且存在靜密封和動密封2種工況，密封性能受密封面上的摩擦系數(shù)、動靜密封狀態(tài)、徑向壓縮量、外界約束載荷等影響，因此，對水下濕式電連接器的密封分析尤為重要。

目前，國外GISMA、SEACON、BEDIX和SOURIAU等公司已有完整的多樣式濕式電連接器成品［3-5］，廣泛應用于軍事、船舶、石油、水下交通等領域［6］，但其密封技術均被保密或受專利保護［7-8］，幾乎找不到相關的系統(tǒng)資料。國內對水下濕式電連接器的研究處于起步階段，哈爾濱工程大學、中海油研究總院、中國石油大學等單位和不少學者對水下連接器進行了相關研究，其中胡曉東等［9］將O型橡膠密封圈應用到電連接器的密封中，側重分析O型密封圈在靜密封狀態(tài)下的密封情況，并得出了橡膠密封圈的結構尺寸、壓縮率和溝槽間隙等因素對其密封性能的影響，但該分析未考慮水下電纜連接器的往復插拔工作狀態(tài)，缺乏對其工作工況下密封性能的分析計算，且O型密封圈由于較小的密封區(qū)域并不能很好地滿足電連接器工作工況下的密封要求；魏迪飛等［10］針對電連接器在水下插拔的工況，設計了多重O型密封結構，該密封設計在理論上具有較好的密封效果，但并未對密封性能進行分析計算，缺乏理論依據(jù)；石秀華等［11］對芳綸電纜連接器做了密封設計和分析，得到電纜連接器干式插拔工況下具有良好的密封性能，但其分析結果是基于干式電連接器的，未考慮水下插拔運動的情況。由此可見，在水下濕式電連接器的密封結構設計上，國內目前研究不能達到連接器正常工作工況下的密封要求，有關的理論研究也須進一步完善。因此，本文針對水下電連接器工作工況（最大工作水深500 m和水下往復插拔運動），結合O型橡膠密封圈的特點，設計了套筒式的橡膠密封組件結構，并利用ANSYS有限元軟件建立了水下濕式電連接器橡膠密封組件和插針的往復運動的簡化二維有限元模型，通過施加相應約束和載荷，分別計算了密封組件在不同摩擦系數(shù)、不同徑向壓縮量及動靜密封2種不同狀態(tài)下接觸區(qū)域的應力分布情況；最后利用經(jīng)驗公式法和雷諾方程計算泄漏量，對密封情況做了定量分析，得到了2種方法結果的差異和各自適用情況，從而為水下濕式電連接器密封結構設計及相關參數(shù)選取提供了參考。

1 水下濕式電連接器密封結構

水下濕式電連接器按照接觸對數(shù)可以分為單針、四針、七針等結構，本文以單針形式的結構為研究對象，其結構如圖1所示。密封處采用套筒結構的橡膠密封組件形式，該橡膠密封組件內壁與插針外表面緊密接觸形成大面積的密封區(qū)域，具有更好的密封效果。圖1右側放大圖為密封組件的細節(jié)圖。當水下濕式電連接器在工作工況下插入通電時，公頭插入母頭殼體內，梭針隨公頭一起向母頭殼體內運動直至梭針與插針接觸，此后梭針與插針靜止，公頭繼續(xù)向母頭腔內運動；拔出過程則相反。插針、梭針與母頭腔壁接觸位置處設有密封組件，橡膠密封組件上端與柔性隔膜接觸，右端與導體套筒連接，腔內充滿液壓油，只有左側與海水接觸。當介質壓差和預緊力綜合作用時，密封組件被徑向壓縮，由于其上邊沿被徑向約束，因此密封組件內壁會與插針外表面壓合緊密，從而實現(xiàn)密封。

圖1 水下濕式電連接器結構示意圖（單針形式）Fig.1 Structure of subsea wet electrical connector（single needle）

2 密封組件密封性能有限元模擬與分析

2.1 密封組件有限元模型簡化

水下濕式電連接器插拔時，密封組件與插針、梭針間的接觸形式相同，因此本文只分析插針與密封組件的密封情況（圖2a），插針和密封組件之間采用過盈配合的接觸方式，其過盈量即為橡膠密封組件的徑向壓縮量。當密封區(qū)域的接觸應力大于兩端介質壓差時便能隔絕外部海水和腔內液壓油，起到密封作用。通過直接的三維模型無法具體仿真橡膠密封組件徑向壓縮過程，因此將原模型簡化為二維的面對稱模型進行分析，如圖2b所示。

圖2 水下濕式電連接器密封的簡化三維和二維模型Fig.2 Simplified 3D and 2D model of subsea wet electrical connector

2.2 流體壓力和插針行程模擬

在有限元模型中，插針和密封組件均采用實體單元Solid185，單元邊長設為默認值，采用ANSYS的面掃描法對密封組件進行網(wǎng)格劃分［12］。插針材料為不銹鋼，表面鍍有鈦合金，密封組件材料為氯丁橡膠，材料特性見表1。在接觸過程中，插針相對于密封組件的彈性變形量極小，故將插針近似為剛體。密封組件上端受徑向約束，右端受軸向約束，根據(jù)工況，在密封組件左側面上施加均布載荷來模擬內外介質壓差作用。

表1 水下濕式電連接器密封組件和插針材料特性Table 1 Material properties of sealing component and pin in subsea wet electrical connector

插針和密封組件之間的過盈量即為密封組件的徑向壓縮量。設密封組件的徑向壓縮量為t，插針位移矢量為S，其矢量方向與插針軸向平行。當S=0 mm時，表示插針和密封組件之間相對靜止，為靜密封，即濕式電連接器沒有進行插拔操作；當S=10 mm時，表示插針相對密封組件向腔內滑動10 mm，此過程為內行程時的瞬時動態(tài)密封；當S=-10 mm，表示插針相對密封組件向腔外滑動10 mm，此過程為外行程時的瞬時動態(tài)密封。

2.3 密封組件密封性能影響因素分析

2.3.1 密封面摩擦系數(shù)對密封區(qū)域接觸應力的影響

設接觸面的接觸寬度為W，其接觸寬度上的接觸節(jié)點沿x軸正方向與接觸寬度的左端點之間的距離記為D，如圖3所示。通過提取該接觸面上各距離處節(jié)點應力值可得到密封面的應力分布情況。

圖3 水下濕式電連接器密封組件二維接觸區(qū)域寬度示意圖Fig.3 Width of two-dimensional contacting area in subsea wet electrical connector

水下濕式電連接器在插拔過程中，密封組件表面摩擦系數(shù)會影響密封區(qū)域的接觸應力，對密封性能有重要影響，因此有必要分析不同摩擦系數(shù)下的接觸應力分布情況。以插針的內行程為例，插針位移S=10 mm，徑向壓縮量t=1.0 mm，分別取摩擦系數(shù)μ為0.10、0.15、0.20，分析不同摩擦系數(shù)下密封組件的接觸應力沿接觸寬度方向的變化情況，結果如圖4所示。

圖4 不同密封面摩擦系數(shù)下水下濕式電連接器密封組件接觸應力分布（S=10 mm）Fig.4 Contact stress distribution of sealing component under different coefficients of subsea wet electrical connector（S=10 mm）

從圖4可以看出，μ值越大，水下濕式電連接器密封組件接觸應力也就越高，但μ從0.15增大到0.20時，其接觸應力在接觸寬度上的分布差異不大，說明隨著摩擦系數(shù)的增大，摩擦系數(shù)對密封性能的影響越來越小。此外，當μ=0.20時，密封組件最右側附近的接觸應力急劇降到0，說明此時密封組件右端位置和插針沒有緊密接觸，該接觸面處的密封已失效，但其余位置仍然有較好的密封性。因此，在設計橡膠密封組件時并不是密封組件和插針、梭針之間的摩擦系數(shù)越高越好，較高的摩擦系數(shù)可能會導致密封組件在動態(tài)密封時磨損變形，進而出現(xiàn)密封失效，必須合理地控制摩擦系數(shù)。

由圖4還可以看出，密封組件左端面與外部介質接觸，外部介質的壓力阻止了密封組件貼緊插針表面，因此最左端的接觸應力為0；當0＜D＜10 mm時，外部介質的影響越來越小，此時接觸應力急劇增大；當D=10 mm，接觸應力增至最大，表明外部介質壓力和插針密封組件的接觸面粗糙度以及彈性變形的影響產生的共同作用最大，形成了接觸面上的局部高應力，隨后緩慢下降；當D＞20 mm時，接觸應力再緩慢增大。密封組件越往右側，其密封效果越好。因此，在設計密封件時，在保證內部結構合適的情況下，增加密封組件的軸向長度有利于達到更好的密封效果。

2.3.2 動靜密封狀態(tài)對密封區(qū)域接觸應力的影響

水下濕式電連接器在插拔和通電靜止2種工況下的密封狀態(tài)不同，其對密封性能的影響也不一樣，因此有必要分析動靜密封狀態(tài)下密封區(qū)域接觸應力分布情況。將摩擦系數(shù)μ設為0.10，取S=0 mm和S=10 mm，徑向壓縮量t分別取0.9、1.0、1.1、1.2 mm，分析得到對應的瞬時動態(tài)（S=10 mm）和靜態(tài)（S=0 mm）情況下的接觸應力，如圖5所示。

圖5 不同徑向壓縮量下瞬時動態(tài)和靜態(tài)密封下水下濕式電連接器密封組件接觸應力分布Fig.5 Contact stress distribution of sealing component under static and dynamic seal when t varies in subsea wet electrical connector

分析對比圖5可知，不同徑向壓縮量情況下接觸應力變化趨勢與圖4類似，且各徑向壓縮量下密封組件的瞬時動態(tài)的接觸應力均高于靜止狀態(tài)的接觸應力，表明插針的運動使密封組件更加貼緊插針外表面，從而阻止工作介質通過接觸面。

2.3.3 密封組件徑向壓縮量對接觸應力的影響

當插針位移S=-10 mm，此時為外行程。設定摩擦系數(shù)u=0.10，取密封組件徑向壓縮量t分別為0.9、1.0、1.1、1.2 mm，計算得到不同徑向壓縮量下的接觸應力分布，如圖6所示。由圖6可知，接觸界面的應力隨徑向壓縮量的增大而增大，不同壓縮量下接觸應力在接觸寬度上的分布變化趨勢基本一致。在密封組件右端面附近位置，接觸應力急劇下降至0，表明外行程時右端面位置處密封失效，且密封組件徑向壓縮為1.0 mm時其右端失效最嚴重，但是密封組件整體密封性能仍然良好。

圖6 不同徑向壓縮量下水下濕式電連接器密封組件接觸應力分布（S=-10 mm）Fig.6 Contact stress distribution of sealing component under different radial compression in subsea wet electrical connector（S=-10 mm）

綜合分析圖5、6可知，無論插針相對于密封組件是內行程還是外行程，無論是瞬時動態(tài)密封還是靜態(tài)密封，密封組件徑向壓縮量越大，接觸界面上的應力均相應增大，意味著密封組件的密封效果也就越好。但根據(jù)相關文獻［13-15］，橡膠在一定初始應力作用下，其應力隨著時間增長而減小，這種現(xiàn)象稱為應力松弛現(xiàn)象；而且初始應力越大，其松弛現(xiàn)象越明顯，橡膠壽命越短。因此，在保證密封情況下，其徑向壓縮量要取合適的值，以保證密封組件的壽命。

3 密封組件泄漏量分析

常規(guī)的分析密封性能的方法是根據(jù)接觸應力大于介質壓差來判斷的，但實際上泄漏是無法避免的，泄漏是絕對的，無泄漏是相對的［16］，因此通過分析泄漏量可定量判斷密封性能好壞。本文根據(jù)JB/T 4127標準中的軸套形式密封件的泄漏量數(shù)據(jù)，綜合水下濕式電連接器的往復插拔工況，以3 m L為每次插拔的最大泄漏量標尺［16］，當泄漏量在泄漏標尺范圍內時判定密封性能良好，且泄漏量越小，表明密封效果越好。

3.1 經(jīng)驗公式分析

橡膠密封組件在往復插拔工況中的密封能力與內外介質壓差、預壓縮量、接觸面間的光滑程度以及插針的運動速度都有很大的關系。根據(jù)文獻［17-18］中的經(jīng)驗公式和系數(shù)可得介質壓差和插拔速度對水下濕式電連接器一次往復插拔情況下的泄漏量影響，如圖7所示。在單位時間內水下濕式電連接器的插拔次數(shù)一定時，當密封組件內外壓差越高時，為保證泄漏量低于標尺值，每次插拔的速度要減小。因此，當設置了相應的插拔速度時，必須控制腔內外壓差在對應的范圍內，才能達到允許的泄漏量，從而為水下濕式電連接器的作業(yè)參數(shù)的選取提供理論依據(jù)。

圖7 不同插拔速度和介質壓差下水下濕式電連接器密封組件往復插拔一次的泄漏量Fig.7 Sealing component’s leakage of one plug in subsea wet electrical connector under different velocities and media pressures

根據(jù)水下濕式電連接器實際插拔工況，取最大介質壓差5 MPa和最大插拔速度0.1 m/s，由經(jīng)驗公式計算得到往復插拔一次泄漏量為1.113 7×10-6m3，遠小于最大泄漏量標尺，表明正常工況下水下濕式電連接器密封組件的密封性能良好。

3.2 雷諾方程分析

根據(jù)Blok提出的流體動力學潤滑的相關理論，橡膠密封組件的密封情況可以簡化為滿足流體動力潤滑條件［19］，如圖8所示。當水下濕式電連接器插針外伸和內縮時，分別對應向腔內帶出油液和帶入海水。

圖8 流體動力潤滑示意圖Fig.8 Diagram of hydrodynamic lubrication

圖8中，p為壓力，MPa；h01，h02分別為2種行程下的縫隙高度，m；vin、vout分別為2種行程下壁面運動速度，m/s；x為接觸面沿坐標方向的長度，m。由N-S方程和連續(xù)性方程可得縫隙的壓力梯度公式為：

式（1）中：η為動力黏度，η=1.6×10-4Pa·s；h為縫隙高度，m；h0為壓力p最大時的縫隙高度，m。

根據(jù)Blok提出的模型，得到

因此，可以得到泄漏量

式（4）中：qout為外行程中油液向外泄漏量，m3；qin為內行程中油液向內被帶入量，m3；p′out為外行程壓力梯度，MPa/m；p′in為內行程壓力梯度，MPa/m。

電連接器在插拔過程中速度不變，因此vin=vout，故當p′out＜p′in時，得到凈泄漏量qn＞0，此時向外泄漏的油量大于向內被帶入的油量，油液會向海水中泄漏，而海水不會向腔內泄漏，這種狀態(tài)是防止海水進入腔內所需要的［20］。因此，在連接器的設計中，保證油液在內行程中的壓力梯度大于外行程的壓力梯度，即p′out＜p′in，即可保證在插拔過程中海水不會進入腔內。

根據(jù)圖5、6應力分布可知，起主要密封作用的區(qū)域為20 mm≤D≤80 mm，該區(qū)域內應力變化均勻。同樣取介質壓差為5 MPa，插拔速度為0.1 m/s，通過提取該區(qū)域的應力數(shù)據(jù)得到內行程和外行程下的壓力梯度分別為10.89、10.97 MPa/m，代入式（4）得到凈泄漏量qn=-1.471 3×10-6m3，此時海水向腔內泄漏，并且泄漏量低于最大泄漏量標尺，進一步說明水下濕式電連接器密封組件達到了密封要求。

對比2種方法計算的泄露量，發(fā)現(xiàn)雷諾方程分析結果比經(jīng)驗公式法得到的結果高30%左右，這是由于雷諾方程分析法是基于潤滑理論計算得到的，密封件和被密封件之間存在邊界油膜，兩接觸面并沒有完全接觸，而經(jīng)驗公式法側重的是接觸面的干摩擦，即兩接觸面之間沒有油膜，接觸面完全接觸，因此其結果相對較小。

4 結論與建議

1）有限元模擬分析表明，水下濕式電連接器密封組件表面摩擦系數(shù)越大，接觸區(qū)域的接觸應力越大，密封組件失效的可能性也越大，但當摩擦系數(shù)為0.2時密封區(qū)域局部失效，因此摩擦系數(shù)要小于0.2；密封組件徑向壓縮量越大，動態(tài)和靜態(tài)密封下的接觸應力也越大，但當徑向壓縮量為1.0 mm時密封組件在外行程過程中會出現(xiàn)密封失效，因此徑向壓縮量要避開1.0 mm值。此外，不同徑向壓縮量情況下瞬時動態(tài)的接觸應力均高于靜止狀態(tài)的接觸應力，因此理論上密封裝置在插拔狀態(tài)下密封效果較靜態(tài)的密封效果好。

2）經(jīng)驗公式法和雷諾方程分析法計算的泄漏量均小于規(guī)范的最大泄漏量標尺，表明水下濕式電連接器密封組件有良好的密封性能，但雷諾方程法分析偏于潤滑濕摩擦狀況，而經(jīng)驗公式法偏于干摩擦狀況，因此實際泄漏量計算須根據(jù)密封組件工況進行選擇。此外，由雷諾方程分析法可知水下濕式電連接器插針為外行程時油液外泄，插針為內行程時油液向內帶入，因此在內行程壓力梯度大于外行程壓力梯度時可保證泄露為油液外泄，從而阻止海水進入腔內。

3）建議在后續(xù)研究中考慮水下濕式電連接器在插拔過程中插針表面會攜有海水中的污染物的情況，進一步開展水下濕式電連接器密封組件密封性能計算與分析。

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Simulation analysis of sealing performance of the seal component in subsea wet electrical connectors

ZHAO Honglin HU Dong ZHAO Dongwei AN Chen QI Shenghao
（China University of Petroleum，Beijing102249，China）

A 2D finite element model of the rubber seal component in subsea wet electrical connectors under the working condition（maximum water depth of 500 m，reciprocating motion）was established with the software ANSYS.Different friction coefficients，static and dynamic sealing conditions and compressions were simulated to analyze their influences on contact stress distribution of the sealing area.The sealing performance of the seal component was quantitatively analyzed by empirical formula method and Reynolds equation analysis method，which were used to calculate the leakage.The results show that the contact stress of the sealing area increases with the increase of friction coefficient，but part of the sealing area fails when the surface friction coefficient is 0.20；the contact stress under instantaneous dynamic sealing condition is higher than that of the static sealing condition；it increases with the increase of seal component’s radial compression，but part of the sealing area fails when the radial compression is 1.0 mm.The leakages calculated by empirical formula method and Reynolds equation analysis method are both less than the maximum leakage criterion，which indicates that the subsea wet electrical connector’s seal component has good sealing performance，but the empirical formula’s result is relatively smaller than that of Reynolds equation.The main reason is that the Reynolds equation is based upon the wet friction of the contact surface，while the empirical formula focuses on the dry friction.The results have guiding significance for designing the subsea wet electrical connector’s sealing structure and selecting relevant parameters.

subsea wet electric connector；rubber seal component；contact stress；friction coefficient；radial compression；dynamic and static sealing；leakage；finite element simulation

趙宏林，胡棟，趙東偉，等.水下濕式電連接器密封組件密封性能模擬與分析［J］.中國海上油氣，2017，29（6）：143-149.

ZHAO Honglin，HU Dong，ZHAO Dongwei，et al.Simulation analysis of sealing performance of the seal component in subsea wet electrical connectors［J］.China Offshore Oil and Gas，2017，29（6）：143-149.

TE953

A

1673-1506（2017）06-0143-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.06.019

*“十三五”國家科技重大專項“基于深水功能艙的全智能新一代水下生產系統(tǒng)關鍵技術研究（編號：2016YFC0303700）”部分研究成果。

趙宏林，男，教授，主要從事機械設計及理論、海洋油氣裝備研究。地址：北京市昌平區(qū)府學路18號（郵編：102249）。E-mail：zhaohl86＠163.com。

胡棟，男，在讀碩士研究生，主要研究方向為海洋石油裝備。地址：北京市昌平區(qū)府學路18號（郵編：102249）。E-mail：hd19920915＠163.com。

2016-12-28改回日期：2017-06-21

（編輯：呂歡歡）