管內(nèi)封堵器膠筒硬度對其自密封特性影響研究

，仕民，

( 中國石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249)①

管道是輸送原油及天然氣的主要方式，由于其復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，經(jīng)過長時間運(yùn)行之后難避出現(xiàn)如裂紋、腐蝕、凹陷等事故。為了避免或減少由此造成的經(jīng)濟(jì)損失，管道維搶修技術(shù)近年來得到了越來越廣泛的應(yīng)用。管內(nèi)智能封堵技術(shù)[1-3]作為一種新型的管內(nèi)封堵技術(shù)，是管道，特別是海洋管道的維搶修的先進(jìn)技術(shù)。

管內(nèi)智能封堵技術(shù)的核心裝備是管內(nèi)智能封堵器，其可以實現(xiàn)在管內(nèi)指定位置的錨定與封堵[4-5]，如圖1所示。管內(nèi)封堵主要是靠擠壓膠筒使其與管壁形成接觸密封力，所以膠筒的密封性能將直接影響管內(nèi)智能封堵器的性能。

圖1 管內(nèi)智能封堵器示意

對于膠筒的密封研究已經(jīng)比較廣泛，膠筒結(jié)構(gòu)及形狀的優(yōu)化研究已有很多[6-9]。膠筒的另外一個非常關(guān)鍵的參數(shù)是自密封，膠筒的自密封在整個密封過程中起到非常重要的作用。本文通過模擬的方法，對膠筒的密封性能以及膠筒硬度對自密封性能的影響進(jìn)行研究。

1 膠筒自密封特性

管內(nèi)智能封堵器膠筒的工作過程類似于封隔器的膠筒，密封過程如圖2所示。封堵過程主要通過液壓缸帶動擠壓環(huán)移動，逐漸擠壓膠筒，使其軸向受擠壓，產(chǎn)生徑向膨脹，并與管壁形成接觸應(yīng)力，進(jìn)而形成管內(nèi)密封。

圖2 封堵器封堵過程示意

假設(shè)膠筒與管壁之間形成的接觸壓力等于膠筒在管內(nèi)可以封堵的管內(nèi)壓差。在膠筒密封過程中，首先液壓缸擠壓膠筒，使之膨脹與管壁形成初始密封，產(chǎn)生初始接觸壓力，這一過程擠壓膠筒所需的推力為FZ；形成接觸壓力后，由前后壓差pk在封堵器端面產(chǎn)生的軸向力為F2。在初始階段，由于接觸壓力較小，F(xiàn)Z>F2；隨著接觸壓力逐漸增大，當(dāng)達(dá)到某一時刻后，F(xiàn)Z≤F2，這時膠筒繼續(xù)擠壓所需的推力由管內(nèi)壓差產(chǎn)生的軸向力提供，此時膠筒可以實現(xiàn)越壓越緊，即實現(xiàn)自密封。實現(xiàn)自密封的條件為

(1)

2 膠筒密封性能模擬分析

2.1 模型選擇

在保證計算準(zhǔn)確性的前提下，為使計算更加快速，對模型進(jìn)行了適當(dāng)簡化，簡化后的模型如圖3所示。主要由膠筒、底座、推環(huán)以及管道組成。膠筒模擬模型采用軸對稱模型，膠筒的特性選用Mooney-Rivlin本構(gòu)模型。

圖3 模擬模型

模型所選的參數(shù)與工程中實際參數(shù)相同，如表1所示。

表1 模型選取參數(shù) mm

對于Mooney-Rivlin本構(gòu)模型，其應(yīng)變能密度函數(shù)的表達(dá)式為

(2)

式中：W為應(yīng)變勢能；I1、I2為變形張量；C10、C01為Mooney-Rivlin常數(shù)。

工程應(yīng)用中拉壓變形不超過25%、剪切變形不超過75%的變形稱為橡膠小變形，其泊松比μ、彈性模量E、剪切模量G和材料系數(shù)的關(guān)系為

(3)

由于橡膠材料形狀的可變性，泊松比μ=0.5時，G和E與C10和C01的關(guān)系為[10]

(4)

根據(jù)式(4)可以求出膠筒彈性模量(硬度)與模型常數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)而對不同硬度的膠筒進(jìn)行模擬分析。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，膠筒由于會發(fā)生非線性的大變形，所以其網(wǎng)格類型設(shè)置為CAX4RH，其余零件的設(shè)置無需更改。模型網(wǎng)格設(shè)置如圖4所示。

圖4 模型網(wǎng)格劃分

模型的邊界條件的設(shè)置由實際工作狀態(tài)的邊界條件來設(shè)置，如圖5所示。底座的邊界設(shè)置為完全固定；管道的外徑邊界設(shè)置為完全固定；推環(huán)的上邊界設(shè)置為只沿y軸平動；其余均設(shè)置為自由邊界條件。

圖5 模型邊界條件設(shè)置

2.3 自密封性能分析

為了驗證自密封性能，選取如表1的模型參數(shù)進(jìn)行分析，膠筒的硬度選取70 HS。在600 kN軸向擠壓力作用下膠筒變形如圖6所示。

圖6 擠壓力為600 kN時的模擬結(jié)果

在不同軸向擠壓力作用下的膠筒變形及與管壁形成的接觸應(yīng)力，對其進(jìn)行了自密封分析，如圖7所示。

從圖7可以看出，當(dāng)膠筒與管壁的接觸壓力處于交點(diǎn)M點(diǎn)以下時，由管內(nèi)壓差所提供的軸向力始終小于擠壓膠筒所需的軸向力，在此階段膠筒不能形成自密封；隨著擠壓軸向力逐漸增大，膠筒與管壁之間的接觸壓力也逐漸增大，當(dāng)接觸壓力增大到交點(diǎn)M點(diǎn)以上后，由管內(nèi)壓差所提供的軸向力將始終大于擠壓膠筒所需的軸向力，換言之，此時由管內(nèi)壓差所提供的軸向力完全可以使膠筒形成可靠密封而不產(chǎn)生泄露，即膠筒可以形成自密封。

圖7 管內(nèi)壓差提供的軸向力與擠壓膠筒所需軸向力的對比曲線

M點(diǎn)處，膠筒與管壁之間的接觸壓力為pk=2.02 MPa，所需的軸向擠壓力為FZ=340 kN。即液壓缸只需提供340 kN的軸向力擠壓膠筒，使之膨脹與管壁形成2.02 MPa的接觸壓力后，膠筒就可以形成自密封。

3 膠筒硬度對自密封性能的影響

在實際工程應(yīng)用中，對于膠筒的選擇要考慮很多因素，例如最大密封壓力、所需軸向擠壓力、抗剪切強(qiáng)度等；膠筒的自密封性能也是膠筒設(shè)計中的關(guān)鍵性能參數(shù)。膠筒的硬度會對膠筒的自密封性能產(chǎn)生影響，硬度不同自密封能力也不同，因此需要研究膠筒的硬度對其自密封性能的影響，探究膠筒的硬度最優(yōu)值，為膠筒的設(shè)計及工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

膠筒硬度選擇50～80 HS，分別計算不同硬度下膠筒與管壁之間的接觸應(yīng)力與所受軸向擠壓力之間的關(guān)系，進(jìn)而分析膠筒硬度對其自密封性能的影響。不同硬度下膠筒的自密封性能的影響曲線如圖8所示。

由圖8可以看出，隨著膠筒硬度不斷增大，各條曲線的斜率幾乎相等，而曲線的截距不同。膠筒的硬度越大，截距越大；各條曲線與壓差提供的軸向力曲線的交點(diǎn)的值也就越大。說明隨著膠筒硬度的增加，需要提供更大的軸向壓縮力使膠筒形成自密封。這一特性也可以通過膠筒密封的理論力學(xué)分析來解釋。

圖8 不同膠筒硬度對自密封性能的影響曲線

由理論推導(dǎo)的壓縮式密封膠筒的力學(xué)性能分析式為[11]

由式(5)可以得出，曲線的截距與膠筒的彈性模量成正比，即應(yīng)該與膠筒的硬度成正比。圖9為產(chǎn)生2 MPa接觸應(yīng)力時不同硬度膠筒所需的軸向壓縮力。

圖9 產(chǎn)生2 MPa接觸應(yīng)力時不同硬度膠筒所需的軸向壓縮力

從圖9中可以看出，當(dāng)膠筒與管壁形成2 MPa的接觸應(yīng)力時，所需軸向壓縮力的變化與膠筒的硬度不是正比關(guān)系，而是近似二次曲線關(guān)系。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于在膠筒的壓縮變形過程中會與底座及管壁產(chǎn)生摩擦力，此摩擦力很難精準(zhǔn)預(yù)測及計算，而且隨著膠筒硬度的增大，產(chǎn)生的摩擦力也越大；在形成相同的接觸應(yīng)力的情況下，所需要的軸向壓縮力也就越大。

4 結(jié)論

1) 膠筒的自密封特性是膠筒研究的關(guān)鍵問題之一。管內(nèi)封堵器的膠筒在密封過程中可利用其自密封特性，只需提供一定的軸向擠壓力，使膠筒與管壁形成足夠的接觸應(yīng)力，在密封壓差的作用下膠筒可以完成封堵而無需再繼續(xù)施加軸向力。

2) 膠筒的硬度對膠筒的自密封特性存在一定的影響，無論從理論分析還是從模擬分析中都可以得出，隨著膠筒硬度的增加，完成一定密封時所需的軸向壓縮力也越大，而且膠筒越硬，其形成自密封所需要達(dá)到的初始接觸應(yīng)力越大。從這一角度來看，選擇的膠筒硬度越軟越好，但在實際工程應(yīng)用中對于膠筒的選擇還需要結(jié)合其他參數(shù)指標(biāo)來綜合評定。

3) 本文的研究結(jié)果不但對管內(nèi)封堵器膠筒的參數(shù)設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)，而且對該技術(shù)的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用。

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