海底油氣管道維修夾具密封能力影響參數(shù)

張樹麗， 趙兵杰， 繆燦亮， 王同宇， 李 濤

(1. 中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司， 天津 300457；2. 天津理工大學(xué)a.天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b. 機(jī)電工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 天津 300384)

0 引 言

海底管道夾具維修技術(shù)是海底管道維修常用技術(shù)，其關(guān)鍵設(shè)備為海底管道維修夾具，為實(shí)現(xiàn)海底管道夾具對(duì)泄漏管道的維修，需保證海底管道維修夾具在管道維修部位的密封能力。密封技術(shù)是海底管道維修夾具關(guān)鍵技術(shù)。

ARMANDO等[1]介紹無潛水維修方法和工具，闡述夾具適用典型應(yīng)用范圍為破壞長(zhǎng)度不大于一個(gè)管道直徑。AYERS等[2]展示2種來自不同公司的結(jié)構(gòu)型海底管道維修夾具。SUM等[3]和DJUKIC等[4]對(duì)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合夾具整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度開展理論和試驗(yàn)研究，為纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合夾具設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。黃建蝦等[5]開展法蘭夾具設(shè)計(jì)。吳巍等[6]研發(fā)密封夾具智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)。任躍龍等[7]闡述機(jī)械夾具維修方案設(shè)計(jì)及夾具修復(fù)缺陷點(diǎn)程序。楊乾等[8]對(duì)采用卡具修復(fù)海底管道局部防腐失效開展分析，并提出相應(yīng)的防腐措施。賈璐瑾等[9]介紹海底管道泄漏采用夾具維修技術(shù)的封堵施工步驟。何寧強(qiáng)等[10]對(duì)深水海底管道封堵卡具應(yīng)急維修問題的風(fēng)險(xiǎn)開展分析，然而上述文獻(xiàn)并未對(duì)夾具的密封技術(shù)開展詳細(xì)研究。

趙兵杰等[11-14]介紹海底管道夾具維修技術(shù)、該技術(shù)應(yīng)用范圍及目前常用的海底管道維修夾具密封結(jié)構(gòu)，為后續(xù)海洋管道維修夾具設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)；開展海底管道維修夾具設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述海底管道維修夾具原理、維修實(shí)現(xiàn)步驟、海底管道維修夾具設(shè)計(jì)依據(jù)，能夠引導(dǎo)后續(xù)海底管道維修夾具設(shè)計(jì)；對(duì)海底管道維修夾具密封技術(shù)開展研究，基于夾具密封結(jié)構(gòu)開展相關(guān)理論研究，獲得夾具密封能力，為后續(xù)夾具密封能力計(jì)算提供依據(jù)。然而，對(duì)于影響海底管道維修夾具密封的其他因素，并未開展詳細(xì)研究。

本文針對(duì)影響海底管道維修夾具周向密封和軸向密封的相關(guān)因素開展進(jìn)一步研究工作?；趭A具密封結(jié)構(gòu)，利用有限元軟件Abaqus對(duì)影響密封技術(shù)的因素開展有限元建模及模擬計(jì)算，并對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)后續(xù)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出相應(yīng)的建議。

1 海底管道維修夾具結(jié)構(gòu)

根據(jù)海底管道維修技術(shù)需求，所設(shè)計(jì)的海底管道維修夾具結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。對(duì)于圓周向密封，通過壓縮碗對(duì)周向密封材料的壓縮實(shí)現(xiàn)。對(duì)于軸向密封，通過2個(gè)半塊的夾具主體對(duì)主螺栓施加預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)。

注：1.擰緊法蘭；2.密封螺栓；3.法蘭螺栓；4.液壓輔助開合臂；5.液壓缸；6.安裝吊環(huán)；7.主螺栓；8.泄流孔；9.犧牲陽極；10.吊環(huán)圖1 夾具整體結(jié)構(gòu)圖

注：1.法蘭螺栓；2.密封螺栓；3.張緊卡瓦；4.擰緊法蘭；5.夾具主體；6.壓縮碗；7.周向密封；8.軸向密封墊圖2 夾具內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 夾具密封能力影響因素

對(duì)于橡膠類材料計(jì)算模型，采用二階Mooney-Rivilin模型開展模擬計(jì)算[15-17]。

二階Mooney-Rivilin模型的表達(dá)式為

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)+C20(I1-3)2

(1)

取式(1)的前2項(xiàng)可得Mooney-Rivilin模型：

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

(2)

式(1)和式(2)中：W為應(yīng)變密度；C01、C10、C20為材料常數(shù)，可通過試驗(yàn)獲得；I1和I2分別為第1和第2應(yīng)變不變量。

2.1 周向密封計(jì)算

采用Abaqus有限元軟件對(duì)模型開展建模與計(jì)算，模型采用二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)(見圖3)，其中：rn為分隔圈內(nèi)半徑；rp為管道外半徑；r1為密封圈內(nèi)半徑；r2為密封圈外半徑；h為密封圈高度。在有限元建模計(jì)算中，橡膠材料采用4節(jié)點(diǎn)CAX4RH、鋼性材料采用CAX4R進(jìn)行網(wǎng)格劃分[18]。

注：1.管道；2.密封圈；3.分隔圈；4.夾具圖3 密封結(jié)構(gòu)示例

夾具模擬計(jì)算相關(guān)參數(shù)如表1所示。管道、夾具主體、分隔圈為鋼，鋼的材料性質(zhì)如下：密度為7 850 kg·m-3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3?？紤]接觸摩擦因數(shù)，分隔圈與夾具主體之間的摩擦因數(shù)設(shè)為0.1。密封圈材料采用丁腈橡膠材料，橡膠材料硬度為IRHD65[19]、彈性模量E=5.52 MPa、泊松比μ=0.499。模型參數(shù)分別取C10=0.736、C01=0.184。模擬計(jì)算施加載荷采用表面壓強(qiáng)載荷。

表1 夾具結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算幾何參數(shù) mm

夾具周向密封結(jié)構(gòu)有限元模擬計(jì)算接觸壓力云圖如圖4所示。夾具周向密封2個(gè)重要的密封面為密封面A和密封面B。在有限元模擬計(jì)算中，重點(diǎn)關(guān)注圖4中的2個(gè)密封面的接觸壓力。

2.1.1 摩擦因數(shù)對(duì)密封能力的影響

在夾具密封計(jì)算中，考慮接觸摩擦因數(shù)對(duì)密封能力的影響。在夾具密封能力模擬計(jì)算中，橡膠與夾具主體、橡膠與分隔圈、橡膠與輸油輸氣管道之間的接觸摩擦因數(shù)相同，分別取0.3、0.4、0.5、0.6、0.7。在施加相同壓力載荷(12 MPa)作用情況下，接觸面接觸壓力曲線如圖5所示。密封面A和密封面B接觸壓力有限元模擬計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 基于周向摩擦因數(shù)的密封面A與密封面B接觸壓力有限元計(jì)算結(jié)果

續(xù)表2 基于周向摩擦因數(shù)的密封面A與密封面B接觸壓力有限元計(jì)算結(jié)果

注：1.密封面A；2.密封面B圖4 夾具周向密封面接觸壓力云圖

圖5 基于周向摩擦因數(shù)的密封面接觸壓力

采用平均有效接觸壓力和最大有效接觸壓力對(duì)夾具的密封能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。平均有效接觸壓力計(jì)算方法采用去掉無效值，然后對(duì)所有有效數(shù)值進(jìn)行算術(shù)平均，進(jìn)而獲得平均有效接觸壓力的方法。最大有效接觸壓力則取有效值中的最大值。

根據(jù)有限元模擬計(jì)算結(jié)果，由圖5和表2可知，在施加相同載荷作用情況下，隨著摩擦因數(shù)增大，密封面A和密封面B上最大有效接觸壓力和平均有效接觸壓力逐漸減小。摩擦因數(shù)的增大不利于增強(qiáng)夾具的密封能力，因此在設(shè)計(jì)時(shí)可考慮適當(dāng)減小摩擦因數(shù)。

2.1.2 分隔圈與管道間距離對(duì)密封能力的影響

在模擬計(jì)算中橡膠與夾具主體、橡膠與分隔圈、橡膠與輸油輸氣管道之間的接觸摩擦因數(shù)設(shè)為0.4。分析分隔圈與管道間距離對(duì)夾具密封性能的影響，分隔圈與管道間的距離分別為0 mm、2 mm、4 mm、6 mm。在施加相同壓力載荷(12 MPa)作用情況下，接觸面接觸壓力曲線如圖6所示，密封面A和密封面B接觸壓力有限元模擬計(jì)算結(jié)果如表3所示。

根據(jù)有限元模擬計(jì)算結(jié)果，由圖6和表3可知，在施加相同載荷作用情況下，隨著分隔圈與管道間距離增大，2個(gè)接觸面上的最大有效接觸壓力和平均有效接觸壓力逐漸減小。分隔圈與管道間距離的增大不利于增強(qiáng)夾具的密封能力。在滿足維修需求下，設(shè)計(jì)時(shí)可考慮適當(dāng)減小分隔圈與管道間距離。

表3 基于分隔圈與管道間距離的密封面A與密封面B接觸壓力有限元計(jì)算結(jié)果

圖6 基于分隔圈與管道間距離的密封面接觸壓力

2.1.3 密封圈與管道間距離對(duì)密封能力的影響

在模擬計(jì)算中橡膠與夾具主體、橡膠與分隔圈、橡膠與輸油輸氣管道之間的接觸摩擦因數(shù)設(shè)為0.4。分析密封圈與管道間距離對(duì)夾具密封性能影響，密封圈與管道間的距離分別為0 mm、2 mm、4 mm、6 mm。在施加相同壓力載荷(12 MPa)作用情況下，接觸面接觸壓力曲線如圖7所示，密封面A和密封面B接觸壓力有限元模擬計(jì)算結(jié)果如表4所示。

根據(jù)有限元模擬計(jì)算結(jié)果，由圖7和表4可知，在施加相同載荷作用情況下，隨著密封圈與管道間距離的增加，2個(gè)接觸面上的最大有效接觸壓力和平均接有效觸壓力逐漸減小。密封圈與管道間距離的增加不利于增強(qiáng)夾具的密封能力。在滿足維修需求下，設(shè)計(jì)時(shí)可考慮適當(dāng)減小分隔圈與管道間距離。

圖7 基于密封圈與管道間距離的密封面接觸壓力

表4 基于密封圈與管道間距離的密封面A與密封面B接觸壓力有限元計(jì)算結(jié)果

2.2 軸向密封計(jì)算

以夾具的軸向密封為研究對(duì)象，采用軸對(duì)稱單元進(jìn)行模擬。軸向密封結(jié)構(gòu)計(jì)算模型幾何參數(shù)如圖8所示。夾具主體2采用完全對(duì)稱固定,對(duì)夾具主體1的水平方向位移進(jìn)行限制，只允許產(chǎn)生豎直方向上的移動(dòng)。施加載荷采用表面壓強(qiáng)載荷。

夾具軸向密封結(jié)構(gòu)有限元模擬計(jì)算接觸壓力云圖如圖9所示。夾具軸向密封2個(gè)重要的密封面為接觸面A和接觸面B。在有限元模擬計(jì)算中，重點(diǎn)關(guān)注圖9中的2個(gè)接觸面的接觸壓力。

考慮接觸摩擦因數(shù)，在模擬計(jì)算中橡膠與夾具主體之間的接觸摩擦因數(shù)分別設(shè)為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7。在施加相同壓力載荷(6 MPa)作用情況下，接觸面接觸壓力曲線如圖10所示，密封面A和密封面B接觸壓力有限元模擬計(jì)算結(jié)果如表5所示。

注：1. 夾具主體1; 2. 橡膠; 3. 夾具主體2(單位：mm)圖8 夾具軸向密封結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

注：1. 密封面A；2. 密封面B圖9 夾具軸向密封面接觸壓力云圖

圖10 基于軸向摩擦因數(shù)的密封面接觸壓力

表5 基于軸向摩擦因數(shù)的密封面A與密封面B接觸壓力有限元計(jì)算結(jié)果

根據(jù)有限元模擬計(jì)算結(jié)果，由圖10和表5可知，在施加相同載荷作用情況下，2個(gè)接觸面上最大有效接觸壓力和平均有效接觸壓力相等。摩擦因數(shù)對(duì)該類密封接觸壓力基本沒有影響，在該類密封設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況忽略摩擦因數(shù)對(duì)密封的影響，從而有利于密封材料及夾具本體的加工制作。

3 結(jié) 論

(1) 對(duì)于夾具的周向密封能力，摩擦因數(shù)、分隔圈與管道間距離、密封圈與管道間距離的增大不利于增強(qiáng)夾具的密封能力，在設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)時(shí)，在條件允許的情況下，可適當(dāng)減小相關(guān)參數(shù)。

(2) 對(duì)于夾具的軸向密封能力，摩擦因數(shù)對(duì)密封能力基本沒有影響，因此，在進(jìn)行夾具軸向密封設(shè)計(jì)時(shí)，可忽略摩擦因數(shù)對(duì)密封的影響。

(3) 在設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮維修管道情況和夾具制作技術(shù)，進(jìn)而選擇合適的夾具密封設(shè)計(jì)參數(shù)，滿足維修需求。