深水結(jié)構(gòu)物監(jiān)測耐壓殼體的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

司江偉，劉軍鵬2，羅曉蘭，張 濤

(1.中國石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京102249；2.中國石油大學(xué)(北京) 安全與海洋工程學(xué)院，北京102249)

隨著國內(nèi)外海洋油氣開發(fā)的不斷深入，海洋石油開發(fā)逐步走向深海，作業(yè)水深的增加和作業(yè)環(huán)境的不同，使得深海浮式結(jié)構(gòu)物的可靠性和安全性變得越來越重要，水下監(jiān)測技術(shù)在海洋石油及其他水下工程領(lǐng)域中的需求量不斷增大。水下監(jiān)測技術(shù)主要是通過傳感器來檢測、監(jiān)測水下環(huán)境以及水下設(shè)備的運(yùn)行情況。由于水下環(huán)境復(fù)雜多變，在進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，良好的承壓、水密性能是水下設(shè)備正常工作的前提。

耐壓殼體是水下設(shè)備電子元器件最重要的載體，用于盛裝各類電子控制儀器和監(jiān)測用的傳感器、電池等關(guān)鍵部件，耐壓殼體一旦在水下作業(yè)過程中出現(xiàn)泄漏甚至破壞，將直接導(dǎo)致水下整個(gè)系統(tǒng)的損壞。因此，在水下必須保證其不會因海水壓力和腐蝕而損壞[1-2]。耐壓殼體在深水環(huán)境下作業(yè)時(shí)，為了不影響到水下儀器設(shè)備可靠的工作，殼體既要能承受外部海水的壓力，又不能讓海水進(jìn)入內(nèi)部。耐壓殼體一般采用O形密封圈來進(jìn)行密封，由于其密封結(jié)構(gòu)屬于靜密封[3]，出于對工作安全性的考慮，防止泄漏事故的發(fā)生，對耐壓殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，通過有限元軟件對密封性能進(jìn)行分析和驗(yàn)證是十分必要的。本文基于實(shí)際工況條件，針對水下監(jiān)測耐壓殼體的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括監(jiān)測耐壓外殼與上端蓋的密封設(shè)計(jì)，并結(jié)合理論計(jì)算和數(shù)值模擬對O形圈進(jìn)行了密封性能的研究與分析。

1 耐壓外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)簡介

根據(jù)圓柱體易于加工、耐壓性能好以及方便安裝等因素[4]，本次所采用的耐壓殼體為圓筒形結(jié)構(gòu)，耐壓殼體由上、下兩個(gè)端蓋和圓柱形外殼組成，其中上端蓋通過螺紋與外殼連接，兩者之間的結(jié)合部位采用O形圈進(jìn)行密封，上端蓋與把手通過焊接的方式連接，方便拿取。下端蓋通過焊接的方式與外殼固連；電池、控制模塊、傳感器全部放置于內(nèi)殼里，內(nèi)殼與上端蓋通過螺紋連接，使內(nèi)殼與上端蓋成為一體。耐壓殼體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 端蓋與電池、傳感器等連接為一體，更換內(nèi)部的電池時(shí)，只需旋轉(zhuǎn)上端蓋，即可整體抽出。

2) 端蓋與外殼使用O形密封圈進(jìn)行密封，結(jié)構(gòu)簡單，密封可靠。

3) 端蓋上安裝有泄壓閥，防止打開記錄儀的瞬間，發(fā)生安全事故。

1—下端蓋；2—外殼；3—內(nèi)殼；4—O形圈；5—上端蓋；6—泄壓閥；7—把手。

耐壓殼體的材料采用不銹鋼316。不銹鋼316是水下設(shè)備制造常用材料，具有良好的抗氯化物侵蝕的性能、耐海水腐蝕、價(jià)格低及比強(qiáng)度相對較高等諸多優(yōu)勢，可采用所有標(biāo)準(zhǔn)的焊接方法進(jìn)行焊接，因此，被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測設(shè)備的耐壓殼體。

1.2 強(qiáng)度和穩(wěn)定性理論計(jì)算

根據(jù)深水監(jiān)測設(shè)備工作水深不低于1 000 m的使用要求，提出了如下設(shè)計(jì)要求：

1) 能承受的外部靜壓力不小于15 MPa，即設(shè)計(jì)壓力p=15 MPa。

2) 在-18～70 ℃環(huán)境下能連續(xù)工作3個(gè)月以上，每間隔1 h采集數(shù)據(jù)1次。

3) 根據(jù)內(nèi)部安裝電源、電路控制板等零部件的需要，設(shè)計(jì)圓筒長度L=441 mm，內(nèi)徑D4=128 mm。

4) 監(jiān)測到電池低電壓時(shí)，設(shè)備停止工作，進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

5) 傳感器模塊需要穩(wěn)定地安裝在記錄儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)上，防止運(yùn)動偏移。

根據(jù)殼體承壓設(shè)計(jì)要求，查找不銹鋼無縫鋼管的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17395—2008，選擇外徑D0=140 mm，壁厚為δe=6 mm的標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼無縫鋼管。由于不銹鋼316車削比較困難，選用該尺寸的標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼無縫鋼管，省去了不必要的加工制造工藝，也容易購買。

外壓圓筒的失效形式有強(qiáng)度失效和失穩(wěn)兩種情況[5-6]。前者因?yàn)槿萜鞒惺艿臋M向外壓達(dá)到極值時(shí)，容器的橫截面會突然失去原來的形狀，發(fā)生強(qiáng)度失效；后者因?yàn)閯偠然驊T性矩不足時(shí)，外壓容器喪失了穩(wěn)定性。外壓圓筒設(shè)計(jì)分為D0/δ≥20、D0/δ<20兩種情況[7]，當(dāng)D0/δ≥20時(shí)，圓筒在工程上被視為薄壁圓筒，在計(jì)算外壓承載能力時(shí)僅需要考慮穩(wěn)定性問題；當(dāng)D0/δ<20時(shí)，圓筒在工程上被視為剛性圓筒，在計(jì)算外壓承載能力時(shí)需要同時(shí)考慮強(qiáng)度與穩(wěn)定性問題。

通過計(jì)算得知承壓所用的不銹鋼無縫鋼管屬于薄壁圓筒，因此，需要進(jìn)行穩(wěn)定性的計(jì)算。在進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算校核時(shí)，應(yīng)先依據(jù)臨界長度判斷外壓圓筒是長圓筒還是短圓筒[8]。臨界長度Lcr的表達(dá)式為：

(1)

當(dāng)長度L>Lcr時(shí)，圓筒為長圓筒；反之，圓筒為短圓筒。

將外徑D0=140 mm，壁厚為δe=6 mm帶入式(1)得

Lcr=791.23 mm>L=441 mm

即該圓筒為短圓筒。

外壓圓筒穩(wěn)定性校核計(jì)算的臨界壓力以R.V.Mises公式為基礎(chǔ)，分為長圓筒和短圓筒兩類。

短圓筒臨界壓力：

(2)

式中：E1為不銹鋼的彈性模量，MPa。

取外壓圓筒穩(wěn)定系數(shù)m=3，帶入式(2)可得

[p]=20.11 MPa>p=15 MPa

則設(shè)計(jì)的壁厚δe符合要求。

2 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

密封設(shè)計(jì)是保證水下設(shè)備正常使用、安全可靠的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。密封泄漏或失效，輕者使裝備不能正常工作，重者會使裝備產(chǎn)生腐蝕或破壞，甚至危及人員生命安全。本文設(shè)計(jì)的密封位置是承壓殼與上端蓋之間，如圖1所示。O形圈在受壓時(shí)形成合理的彈性變形，填充承壓殼體和上端蓋之間的縫隙，起到密封作用。由于上端蓋需要經(jīng)常拆裝，使用兩道O形密封圈，確保密封的可靠性。

采用O形圈進(jìn)行密封，其優(yōu)點(diǎn)主要有：

1) 可用于動靜兩用密封，密封性能優(yōu)良，使用壽命長。

2) 結(jié)構(gòu)簡單、成本低、質(zhì)量輕，拆裝和更換方便。

3) 在一定壓力范圍內(nèi)，其密封性隨著外界流體壓力的增加而提高。

4) 適用范圍廣，靜密封壓力最高可達(dá)100 MPa，工作溫度-60～200 ℃。

該耐壓圓筒承受的外界壓力基本屬于靜壓力，端蓋與筒體之間是徑向密封，且需要經(jīng)常的拆裝，在端蓋上的兩個(gè)溝槽分別安裝O形圈,拆裝方便，因而選用O形圈是適合的。

已知承壓殼內(nèi)徑D4=128 mm；根據(jù)GB/T 3452.1和GB/T 3452.3，O形圈的內(nèi)徑D=118 mm；溝槽槽底直徑D1=119.8 mm；O形圈截面直徑d=5.3 mm。

2.1 O形圈拉伸率

為保證初始安裝和低壓狀態(tài)下的密封效果，密封圈裝入密封圈溝槽時(shí)，都會有一定的拉伸量。但是，拉伸量太大，會使O形圈的變形較大，產(chǎn)生應(yīng)力松弛，從而造成泄漏。因此，在保證有效密封的條件下，應(yīng)盡量選擇適當(dāng)?shù)睦炻?，延長密封圈的壽命。O形圈的拉伸率按式(3)計(jì)算[9]。

(3)

式中：D1為O形圈內(nèi)徑配合的軸或溝的槽底直徑，mm；D為O形圈內(nèi)徑，mm；δ為拉伸率。

O形圈在徑向受到擠壓時(shí)，密封設(shè)計(jì)應(yīng)注意徑向變形量的控制。安裝在內(nèi)溝軸槽時(shí)，O形圈的拉伸量最大不超過4%。

通過計(jì)算δ1=1.53%，符合要求。

2.2 密封溝槽尺寸

O形密封圈與溝槽配合時(shí)，為避免配合溝槽對O形圈造成損傷，溝槽的槽口和槽底處要按照規(guī)定倒角或者去毛刺。密封表面上不得有凹坑、開槽、劃痕、偏心或螺旋狀的加工痕跡，溝槽表面粗糙度應(yīng)為:Ra≤0.8 μm。

1) 溝槽寬度。

小槽寬的優(yōu)點(diǎn)是密封尺寸結(jié)構(gòu)緊湊，但O形圈不能自由變形，因受到槽側(cè)壁的阻擋而處于四面受擠的狀態(tài)，受力不均時(shí)，增加了O形圈擠入間隙而被損壞的可能性，使其壽命與可靠性大幅下降。大槽寬的設(shè)計(jì)有利于拆裝，但是，槽寬過大，易導(dǎo)致O形圈扭曲、翻轉(zhuǎn)，從而影響密封效果。查GB/T 3452.3得，密封溝槽寬度b如表1，取b=7.1 mm。

表1 O形圈密封溝槽寬度

2) 溝槽深度。

溝槽深度在密封圈的設(shè)計(jì)過程是一個(gè)非常重要的參數(shù)，溝槽深度等于承壓殼內(nèi)徑D4與溝槽槽底直徑D1的差值除以2。

(4)

通過計(jì)算t=4.1 mm。

3) 槽底圓角和槽口圓角半徑。

為了防止O形密封圈與溝槽配合時(shí)發(fā)生損傷，密封溝槽的槽底和槽口處應(yīng)去除毛刺或者倒角。槽口倒角主要改變剪切應(yīng)力的大小從而對密封性能產(chǎn)生影響，在外界海水壓力的作用下，如果設(shè)計(jì)的倒角不合理，將會造成O形密封圈發(fā)生剪切破壞，從而導(dǎo)致密封失效。為了防止槽口的倒角對密封造成影響，溝槽的槽口處不進(jìn)行倒角，僅去除槽口的毛刺，槽底圓角半徑r1=0.5 mm。

2.3 O形圈壓縮率

O形圈被裝入溝槽后，截面都要發(fā)生一定的變形。密封性能的好壞和初始接觸壓力的大小直接受到O形圈的壓縮率影響。壓縮率太小，密封壓力得不到保證。壓縮率過大，又容易造成密封圈變形過大，長時(shí)間使用彈性降低，從而失去密封能力[10-11]。所以，實(shí)際選用O形密封圈時(shí)，將壓縮率控制在一定范圍內(nèi)是非常重要。根據(jù)GB/T 3452可知，液壓、氣動靜密封O形圈的直徑與壓縮率的關(guān)系如圖2所示。

圖2 液壓、氣動靜密封O形圈的直徑與壓縮率的關(guān)系

O型密封圈的壓縮率按式(5)計(jì)算。

(5)

式中：t為溝槽的深度，mm；d為O形圈的截面直徑，mm；ε為壓縮率。

通過計(jì)算ε=22.64%，符合要求。

2.4 單邊徑向間隙

由于加工制造的原因，外殼與端蓋之間存在一定的間隙，當(dāng)間隙過大時(shí)，O形密封圈在外界海水的作用下很容易被擠入間隙，導(dǎo)致泄漏，設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)該考慮此因素。單邊徑向間隙等于最大的外殼內(nèi)徑減去最小端蓋外徑。

(6)

gmax=0.073 mm≈0.1 mm

3 密封性能分析

3.1 接觸應(yīng)力計(jì)算

O形圈裝入溝槽后,其截面受到擠壓變形,產(chǎn)生徑向壓縮位移。在接觸面上產(chǎn)生一反力，即接觸應(yīng)力。當(dāng)接觸應(yīng)力超過被密封的流體壓力時(shí)，阻止流體向另一側(cè)的流動，從而實(shí)現(xiàn)了密封[12]。因此，接觸應(yīng)力的大小反映了O形圈的密封能力，保證O形圈有效密封的必要條件是密封界面上的最大接觸壓力大于或等于介質(zhì)壓力[13]。

Karaszkiewicz基于Hertz接觸理論，提出了O形圈在小壓縮情況下(ε=7%～25%)，接觸應(yīng)力分布的計(jì)算模型[14-15]，并將模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了模型的可靠性。關(guān)于O形圈接觸應(yīng)力的計(jì)算模型分為兩種，分別是預(yù)壓縮和介質(zhì)壓力下的接觸模型。

O形圈處于預(yù)壓縮狀態(tài)下的模型如下:

p1=0.67E2(2ε+0.13)

(7)

b1=(2ε+0.13)d

(8)

式中：b1為預(yù)壓縮狀態(tài)的接觸長度，mm；p1為預(yù)壓縮狀態(tài)的最大接觸應(yīng)力，MPa；E2為橡膠的彈性模量，其值為7.8 MPa。

在此基礎(chǔ)上，Karaszkiewicz推導(dǎo)出O形密封圈在介質(zhì)壓力下的接觸模型如下：

(9)

(10)

式中：p2為有介質(zhì)壓力下的最大接觸應(yīng)力，MPa；b2為有介質(zhì)壓力下的接觸長度，mm；p為介質(zhì)的壓力，MPa；μ為橡膠材料的泊松比，其值為0.499。

帶入式(7)、(8)、(9)、(10)得：p1=3.04 MPa、b1=3.088 mm；p2=17.98 MPa、b2=4.21 mm。

3.2 有限元仿真分析

耐壓圓筒選用的O形圈規(guī)格是118 mm×5.3 mm，采用丁腈橡膠材料制成。橡膠是一種高度非線性復(fù)合材料，其特點(diǎn)是在很小的力作用下，就可以產(chǎn)生較大的變形，即橡膠的超彈性。由于橡膠材料的超彈性和非線性，使得在進(jìn)行有限元分析時(shí)，還需要選擇合理的本構(gòu)模型，并通過計(jì)算得到材料常數(shù)。

對于橡膠類的材料，常用的本構(gòu)模型有Neo-Hookean模型、Polynomial模型、Arruda Boyce模型、Ogden模型、Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型[16-17]。本文采用Mooney-Rivlin模型來進(jìn)行描述，由于Mooney-Rivlin本構(gòu)模型為線性本構(gòu)，關(guān)系簡單，但能夠準(zhǔn)確描述橡膠在發(fā)生大變形的力學(xué)行為，故而選用Mooney-Rivlin模型進(jìn)行有限元模擬。其Mooney-Rivlin本構(gòu)方程為[18]：

(11)

式中：W為應(yīng)變能密度；Cij為Rivlin系數(shù)；I1和I2為第1和第2 Green應(yīng)變不變量，其中，

(12)

I2=(λ1λ2)2+(λ2λ3)2+(λ1λ3)2

(13)

式中：λ1、λ2、λ3為主伸長率

一般采用兩參數(shù)的Mooney-Rivlin模型，該參數(shù)下的模型能夠準(zhǔn)確描述變形在150%以內(nèi)時(shí)橡膠的力學(xué)行為，則公式(11)轉(zhuǎn)化為

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(14)

式中：C10、C01為Mooney-Rivlin系數(shù)，通過計(jì)算其值分別為1.05、0.26。

由于ABAQUS能很好地解決了大變形、接觸等不容易收斂的問題，并且專門針對發(fā)生不同程度變形的橡膠材料提供了各種超彈性本構(gòu)模型。因此，本文選擇ABAQUS來進(jìn)行有限元分析。在建模過程做如下的假設(shè):

1) 與O形圈接觸的殼體與端蓋都為不銹鋼，其彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橡膠的彈性模量，因此忽略其變形，即將徑向與O形圈接觸的部位視為剛體邊界。

2) 橡膠材料為各向同性。

3) 由于橡膠的泊松比接近于0.5，視為不可壓縮材料。

4) O形圈的建模及其接觸邊界都按軸對稱問題處理。

建立O形圈的二維軸對稱有限元模型，如圖3所示。

圖3 軸對稱有限元模型

殼體與端蓋兩者的材料都為不銹鋼，不銹鋼材料的彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橡膠的彈性模量，故簡化模型，將殼體與端蓋設(shè)置為解析剛體，只需對O形圈進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在O形圈進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，選擇雜交單元，采用了自由劃分網(wǎng)格劃分模型。在模型中定義了2個(gè)載荷步:①對上端蓋施加向下的位移載荷，使O形圈產(chǎn)生徑向預(yù)壓縮，模擬O形圈與密封溝槽過盈裝配時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變情況；②在O形圈右側(cè)邊界上施加了均布壓力載荷，模擬O形密封圈受到介質(zhì)壓力時(shí)的變化情況。模型中定義了3個(gè)接觸對:①外殼與O形圈接觸對；②O形圈與溝槽底接觸對；③O形圈與溝槽左側(cè)邊接觸對。

O形圈在預(yù)壓縮狀態(tài)時(shí)，其應(yīng)力分布如圖4所示。可以看出O形圈的應(yīng)力分布呈現(xiàn)紡錘形，應(yīng)力值由對稱中心向兩側(cè)逐漸減小。此時(shí)的接觸壓應(yīng)力如圖5所示，最大初始壓應(yīng)力為3.02 MPa。在預(yù)壓縮狀態(tài)結(jié)束后，在O形圈的右側(cè)施加15 MPa的壓力，O形圈的應(yīng)力分布如圖6所示。在15 MPa海水壓力的作用下，O形圈向左側(cè)產(chǎn)生了明顯的位移。在實(shí)際工作中這種位移對于O密封圈的密封性能有很重要的影響，如果O形圈向左側(cè)移動的位移過大，則會導(dǎo)致密封圈的部分被擠出溝槽，從而引起肩部突出和剪切破壞。此時(shí)的接觸壓應(yīng)力如圖7所示，最大接觸應(yīng)力為18.0 MPa。從圖7可以看出，O形圈未被擠出溝槽，并且與溝槽上下端面緊密接觸，沒有發(fā)生剪切破壞，但可以看出O形圈左上角的應(yīng)力較大。為了防止O形圈發(fā)生突出和滑移，O形圈應(yīng)選硬度較大的橡膠，溝槽的槽口處的倒角應(yīng)盡可能的小。

圖4 預(yù)壓縮狀態(tài)應(yīng)力分布

圖5 預(yù)壓縮狀態(tài)接觸應(yīng)力分布

圖6 介質(zhì)壓力為15 MPa時(shí)應(yīng)力分布

圖7 介質(zhì)壓力15 MPa時(shí)接觸應(yīng)力分布

4 結(jié)論

1) 通過對水下監(jiān)測耐壓殼體的材料、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了選擇設(shè)計(jì)，對耐壓外殼的穩(wěn)定性進(jìn)行了校核計(jì)算，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)、尺寸確定的理論可靠性，證明該水下監(jiān)測耐壓外殼可以承受外界海水15 MPa的靜壓力。

2) 結(jié)合所設(shè)計(jì)的殼體結(jié)構(gòu)，對O形圈的密封性能進(jìn)行了理論計(jì)算和有限元分析，兩者的最終結(jié)果是基本一致，驗(yàn)證了耐壓殼體密封設(shè)計(jì)的合理性和可行性。分析可知O形圈都在溝槽內(nèi)部，未被擠出溝槽，并且與溝槽上下端面緊密接觸，沒有發(fā)生剪切破壞和肩部突出，滿足設(shè)計(jì)要求。