非黏結(jié)海洋柔性軟管接頭密封性能的分析*

□ 吳翔實(shí) □ 余榮華 □ 高連新 □ 袁鵬斌

1.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海200237

2.上海海隆石油管材研究所 上海 200949

3.海隆石油工業(yè)集團(tuán)有限公司 上海 200949

1 研究背景

隨著海上油氣開發(fā)技術(shù)的不斷成熟，用于輸送油氣的非黏結(jié)海洋柔性軟管需求量越來(lái)越大。軟管是由鋼和塑料組成的復(fù)合管，與鋼管相比，具有對(duì)海底地形適應(yīng)性好、連續(xù)長(zhǎng)度長(zhǎng)、安裝接頭少、抗腐蝕、可回收等優(yōu)點(diǎn)，在海洋石油開發(fā)中有逐漸取代鋼管的趨勢(shì)，并已經(jīng)形成了一系列標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范［1-2］。

軟管應(yīng)用首先面臨的問(wèn)題是如何將軟管與平臺(tái)或其它管線連接，這涉及到海洋軟管接頭的設(shè)計(jì)［3］，連接強(qiáng)度和密封性是軟管接頭設(shè)計(jì)的核心。傳統(tǒng)的海洋軟管接頭多采用扣壓的方法進(jìn)行連接，這種接頭不能提供足夠的氣密性，特別是當(dāng)軟管外徑較大時(shí)，缺陷更為明顯［4］。目前，最新型的連接方式是將軟管各功能層單獨(dú)固定，將軟管各承載層的軸向載荷和彎曲載荷傳遞到終端連接器上，使接頭具有較高的連接強(qiáng)度。同時(shí)，設(shè)置專門的密封結(jié)構(gòu)，解決管道內(nèi)流體介質(zhì)的密封問(wèn)題［5-6］。這種新型連接方式成為海洋柔性軟管接頭的主流，其密封效果取決于密封結(jié)構(gòu)的材料性能、幾何形狀和尺寸。由于密封結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則，受力又較復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)時(shí)很難用彈性力學(xué)方法求得解析解。筆者針對(duì)非黏結(jié)海洋柔性軟管接頭，利用有限元分析方法，研究了密封結(jié)構(gòu)的外形參數(shù)對(duì)接頭密封性能的影響，分析了主要影響因素，可以為軟管接頭的密封設(shè)計(jì)提供參考。

2 接頭密封結(jié)構(gòu)

非黏結(jié)海洋柔性軟管接頭典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過(guò)焊接方法將接頭直接與復(fù)合軟管金屬承拉層連接在一起，同時(shí)向接頭空腔內(nèi)注入大量環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂固化使接頭與復(fù)合軟管成為一體，為接頭提供足夠的連接強(qiáng)度。在接頭前端設(shè)計(jì)有密封結(jié)構(gòu)，即在接頭內(nèi)套與內(nèi)保護(hù)套之間置入密封件，通過(guò)擰緊高強(qiáng)度螺栓，使內(nèi)套法蘭擠壓密封件，產(chǎn)生初始變形，具有初始密封效果。當(dāng)復(fù)合軟管內(nèi)部充滿高壓輸送介質(zhì)時(shí)，高壓介質(zhì)會(huì)進(jìn)一步壓縮密封件，使密封效果得到進(jìn)一步提高，且輸送介質(zhì)壓力越高，密封件的密封效果就越好。可見(jiàn)這一密封結(jié)構(gòu)為自緊式密封，具有自密封效果。

▲圖1 非黏結(jié)海洋柔性軟管接頭典型結(jié)構(gòu)

圖2是圖1中密封結(jié)構(gòu)部分的局部放大圖。對(duì)這一密封結(jié)構(gòu)而言，其內(nèi)部流體泄漏有兩個(gè)途徑：①通過(guò)密封件材料本體毛細(xì)管的滲透泄漏，這與密封件的結(jié)構(gòu)及材料性質(zhì)有關(guān)；②沿密封件與壓緊面之間的界面泄漏，即圖2中空腔內(nèi)錐和密封件外錐相接觸的路徑1及密封件與內(nèi)護(hù)套層之間的接觸路徑2。由于密封件采用金屬材料，滲透泄漏可以避免，因此這一密封結(jié)構(gòu)的泄漏主要是沿路徑1和路徑2的界面泄漏。

▲圖2 密封結(jié)構(gòu)放大圖

接頭內(nèi)套為金屬材料，內(nèi)部含有帶錐度的空腔用于放置密封件。密封件材料為合金鋼，安裝接頭時(shí)，通過(guò)控制密封件的軸向位移使密封件壓緊接頭內(nèi)套，兩者接觸面之間產(chǎn)生徑向過(guò)盈，防止內(nèi)部流體沿路徑1泄漏。與密封件直接接觸的內(nèi)保護(hù)套由高分子材料制成，安裝時(shí)密封件與內(nèi)保護(hù)套之間有初始過(guò)盈量，形成初始密封，防止內(nèi)部流體沿路徑2泄漏。支撐套由金屬材料制成，在內(nèi)部流體介質(zhì)的作用下，支撐套受到徑向壓力而脹大，使內(nèi)保護(hù)套進(jìn)一步壓緊密封件。密封件與內(nèi)保護(hù)套及密封件與接頭內(nèi)套之間的接觸應(yīng)力均會(huì)增大，進(jìn)一步防止流體沿路徑1和路徑2泄漏，從而加強(qiáng)密封性能，且需密封的內(nèi)部流體壓力越高，加強(qiáng)效果就越好。

3 有限元模型

針對(duì)圖2所示密封結(jié)構(gòu)，建立有限元分析模型。這一結(jié)構(gòu)的部件和載荷都為軸對(duì)稱，因此有限元分析時(shí)建立二維軸對(duì)稱模型。支撐套、密封件和接頭內(nèi)套選用金屬材料，內(nèi)保護(hù)套選用高分子材料，在小變形時(shí)高分子材料可以用線彈性材料進(jìn)行模擬。海洋軟管接頭在海洋中容易受到交變載荷影響，受力情況復(fù)雜，為了保證密封件在載荷變化的情況下仍能保持密封性，在進(jìn)行有限元模擬時(shí)接頭結(jié)構(gòu)要保持線彈性［7-8］，因此在有限元分析時(shí)建立線彈性模型。各部件材料性能見(jiàn)表1，海洋軟管參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 部件材料參數(shù)

表2 海洋軟管參數(shù)

密封件受力情況復(fù)雜，在有限元分析時(shí)應(yīng)綜合考慮模型的接觸非線性和幾何非線性問(wèn)題。進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)采用三節(jié)點(diǎn)三角形單元對(duì)接頭模型進(jìn)行離散，對(duì)接觸密封部位應(yīng)進(jìn)行局部細(xì)化。接頭密封結(jié)構(gòu)有限元模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

▲圖3 有限元模型網(wǎng)格劃分

海洋軟管接頭的工作溫度為50℃，為了分析結(jié)構(gòu)在特定溫度下的密封性，通過(guò)三個(gè)步驟進(jìn)行模擬。

（1）模擬裝配過(guò)程。限制接頭內(nèi)套左端和內(nèi)保護(hù)套右端的軸向自由度，對(duì)支撐套和密封件施加軸向位移，如圖4所示。

▲圖4 模擬裝配示意圖

（2）模擬管道內(nèi)高壓狀況。在管道內(nèi)均勻施加30 MPa的均布徑向壓力載荷。

▲圖5 接頭應(yīng)力分布云圖

（3）模擬工作溫度。在整個(gè)模型上施加溫度場(chǎng)，加載完成后的應(yīng)力分布云圖如圖5所示，由圖5可知，密封件的等效應(yīng)力較大，因此材料的要求較高。密封件與接頭內(nèi)套之間為金屬-金屬錐面密封，實(shí)現(xiàn)路徑1的密封。支撐套主要起到支撐作用，控制內(nèi)保護(hù)套的徑向位移，封堵密封件與內(nèi)保護(hù)套之間的間隙，實(shí)現(xiàn)路徑2的密封。

4 參數(shù)分析

非黏結(jié)海洋柔性軟管接頭密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，密封件的軸向位移、接頭內(nèi)套內(nèi)錐、密封件外錐、密封件與內(nèi)保護(hù)套過(guò)盈量對(duì)結(jié)構(gòu)的密封性能有重要影響。如圖6所示，R為密封件圓弧半徑，δ為密封件與內(nèi)保護(hù)套的徑向過(guò)盈量，θ為錐面與軸向的夾角。在進(jìn)行參數(shù)選擇時(shí)，要保證接頭工作時(shí)部件不超過(guò)屈服應(yīng)力。密封件的屈服應(yīng)力為758 MPa，內(nèi)保護(hù)套的屈服應(yīng)力為35 MPa。

圖6 密封結(jié)構(gòu)參數(shù)

4.1 密封件錐度

密封效果優(yōu)劣與接觸面上的接觸應(yīng)力大小及接觸面長(zhǎng)度密切相關(guān)，要實(shí)現(xiàn)良好的密封，需要滿足以下兩個(gè)條件［9］：①接觸應(yīng)力盡量大，應(yīng)至少大于所密封的流體壓力，接觸應(yīng)力越大，泄漏通道越窄；②密封面接觸長(zhǎng)度盡量長(zhǎng)，增加泄漏路徑長(zhǎng)度，也就是增大泄漏阻力。為了評(píng)價(jià)密封件的密封性能，引入積分強(qiáng)度的概念［10］。

式中：Pz為積分強(qiáng)度；σc為接觸應(yīng)力；L為接觸長(zhǎng)度。

當(dāng)接頭內(nèi)套的內(nèi)錐和密封件的外錐錐度不同時(shí)，密封件很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且路徑1的局部接觸應(yīng)力較大，有效接觸長(zhǎng)度較短，積分強(qiáng)度較小，因此接頭內(nèi)套的內(nèi)錐和密封件的外錐選用同錐度為宜。

表3為在不同錐度下路徑2的積分強(qiáng)度和最大接觸應(yīng)力，可以看出，密封件的θ對(duì)路徑2的密封性能影響較小，因此主要依據(jù)路徑1的密封性能選擇錐度。設(shè)計(jì)時(shí)希望在密封件等效應(yīng)力較小的情況下得到較大的積分強(qiáng)度，因此使用有效比值η來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)的合理性，η越大則密封件越合理。

式中：Pz′為路徑1積分強(qiáng)度；σmax為密封件的最大等效應(yīng)力。

由表4可以看出，當(dāng)密封件θ為12°時(shí)，有效比值最大，結(jié)構(gòu)最合理。

4.2 密封件軸向位移

當(dāng)θ為12°時(shí)，對(duì)密封件施加0～2.8 mm的軸向位移，規(guī)定密封件和內(nèi)套接觸時(shí)的位置為位移加載初始位置。不同軸向位移下路徑1和路徑2的接觸應(yīng)力如圖7所示，積分強(qiáng)度如圖8所示。

表3 不同錐度下路徑2密封性能

表4 不同錐度下路徑1有效比值

圖7 不同軸向位移下接觸應(yīng)力

圖8 不同軸向位移下積分強(qiáng)度

由圖7、圖8可以看出，隨著軸向位移的增大，路徑1和路徑2的最大接觸應(yīng)力和積分強(qiáng)度不斷增大。隨著軸向位移的增大，密封件的等效應(yīng)力也在不斷增大，見(jiàn)表5。

表5 不同軸向位移下等效應(yīng)力

綜合圖7、圖8和表5，密封件軸向位移為1.6～2.0 mm時(shí)，密封性能最佳。此時(shí)計(jì)算得到路徑1的平均接觸應(yīng)力為 63～74 MPa，安全因數(shù)為 3.15～3.7，該接頭的設(shè)計(jì)壓力為20 MPa，滿足使用要求。

4.3 密封件圓弧半徑

路徑1的密封性能主要和密封件錐度和軸向位移有關(guān)，而密封件的圓弧半徑及密封件與內(nèi)保護(hù)套的初始過(guò)盈量主要影響路徑2的密封性能。

表6 不同圓弧半徑下密封性能

表6為在不同圓弧半徑情況下的路徑2積分強(qiáng)度和密封件等效應(yīng)力，可以看出，當(dāng)圓弧半徑為35 mm時(shí)，路徑2的積分強(qiáng)度最大，密封件等效應(yīng)力最小，因此圓弧半徑應(yīng)選用35 mm。

4.4 密封件初始過(guò)盈量

在密封件與內(nèi)保護(hù)套材料已經(jīng)確定的前提下，兩者接觸面之間的初始過(guò)盈量就決定了路徑2的密封性能。圖9給出了不同過(guò)盈量下路徑2的接觸應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果。

圖9 不同過(guò)盈量下路徑2接觸應(yīng)力分析

由圖9可以看出，隨著過(guò)盈量的增大，路徑2的接觸長(zhǎng)度和最大接觸應(yīng)力都隨之增大，對(duì)密封效果有利。當(dāng)然，過(guò)盈量增大到一定程度后，高分子材料會(huì)發(fā)生屈服，且容易老化。當(dāng)過(guò)盈量為0.7 mm時(shí)，內(nèi)保護(hù)套開始屈服，因此過(guò)盈量不宜大于0.7 mm。

表7列出了不同過(guò)盈量下路徑2的性能參數(shù)，結(jié)合圖9和表7，密封件與內(nèi)保護(hù)套的初始過(guò)盈量應(yīng)在0.3～0.5 mm之間，計(jì)算得到此時(shí)路徑2的安全因數(shù)為2.1～2.8。

表7 不同過(guò)盈量下路徑2密封性能

5 結(jié)論

對(duì)工作壓力下的非黏結(jié)海洋柔性軟管接頭密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，模擬密封件在不同錐度、軸向加載位移、圓弧半徑及密封件與內(nèi)保護(hù)套初始過(guò)盈量時(shí)的密封性能和變化規(guī)律。

密封件錐度、軸向加載位移、圓弧半徑及密封件與內(nèi)保護(hù)套初始過(guò)盈量對(duì)密封件的密封性能有重要影響。當(dāng)接頭內(nèi)套內(nèi)錐和密封件外錐不匹配時(shí)，密封件接觸表面應(yīng)力集中明顯，很容易發(fā)生屈服變形，損壞密封件。設(shè)計(jì)和加工時(shí)應(yīng)保證兩者同錐度，經(jīng)計(jì)算得到θ為12°時(shí)最為適宜。

路徑1的密封性能主要和密封件錐度和軸向加載位移有關(guān)，軸向加載位移合理范圍為1.6～2.0 mm。

密封件圓弧半徑及初始過(guò)盈量主要影響路徑2的密封性能，圓弧半徑最佳為35 mm，密封件與內(nèi)保護(hù)套的初始過(guò)盈量合理范圍為0.3～0.5 mm。

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