連續(xù)管旋轉(zhuǎn)接頭密封性能及其影響因素分析

朱再思 ，鄧 琳, 郝 軍, 吳大飛，古文宇，馬 青

(1.中石油 江漢機(jī)械研究所有限公司，湖北 荊州 434000，2.長江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023 )

連續(xù)管旋轉(zhuǎn)接頭是連續(xù)管工程裝備實(shí)現(xiàn)高壓作業(yè)的關(guān)鍵部件之一，其結(jié)構(gòu)主要包括進(jìn)漿管、出漿管、中心管、殼體、軸承和高壓密封組件等，如圖1所示。工作時，出漿管和殼體與連續(xù)管滾筒連接，隨滾筒旋轉(zhuǎn)。進(jìn)漿管與外部管匯連接，高壓工作液通過進(jìn)漿管、中心管、殼體和出漿管進(jìn)入滾筒中心管。旋轉(zhuǎn)接頭的工作性能取決于密封組件的高壓密封性能。該密封組件采用V型橡膠圈組合密封結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)殼體和中心管之間的動靜密封，由多個V型橡膠圈、支承環(huán)、壓環(huán)組成。工作時，高壓液體作用于支承環(huán)，支承環(huán)擠壓V型橡膠圈，使之壓縮變形，填塞中心管和殼體之間縫隙，以達(dá)到密封效果。由此可見，V型橡膠圈密封性能和失效受到橡膠圈材料、結(jié)構(gòu)、數(shù)量、壓縮量、介質(zhì)壓力等多因素的影響[1]。V型橡膠圈密封結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于往復(fù)泵類等工業(yè)領(lǐng)域，被國內(nèi)眾多學(xué)者關(guān)注并持續(xù)研究。

圖1 連續(xù)管旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)示意

譚蔚等[1]利用ANSYS對高壓柱塞泵V型密封圈進(jìn)行分析，并對模擬結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，研究了密封圈內(nèi)、外徑過盈量、唇口角度對密封面接觸壓力和密封圈內(nèi)應(yīng)力分布的影響。秦瑤等[2-3]基于理論、有限元和試驗(yàn)等方法研究填料密封性能，重點(diǎn)分析了V型密封圈內(nèi)外徑過盈量對密封性能的影響。研究中將V型填料假設(shè)為1個整體，建立二維有限元模型，由于模型與實(shí)際組合結(jié)構(gòu)中的V型橡膠圈存在較大差別，計算結(jié)果的精確性受到影響。仝文科等[4]從理論上揭示填料密封及其泄漏機(jī)理，構(gòu)建了相關(guān)的泄漏模型，提出了有關(guān)填料密封的一些新認(rèn)識，對填料密封的應(yīng)用提出了指導(dǎo)性觀點(diǎn)。朱維兵[5]采用有限元法對柱塞泵密封圈進(jìn)行了分析，獲得了橡膠密封圈與柱塞之間接觸應(yīng)力的分布規(guī)律以及接觸應(yīng)力與工作介質(zhì)壓力的關(guān)系。劉清[6]等分別以橡膠材料和聚四氟乙烯石墨材料為例，研究柱形與錐形填料的徑向力，結(jié)果表明錐形填料的徑向力分布比柱形填料的徑向力分布更加均勻，有利于減小密封壓蓋附近填料和軸的磨損。眾多研究表明有限元方法應(yīng)用于密封結(jié)構(gòu)的研究具有可靠性，且成為了主流的研究方法。

本文基于有限元方法對連續(xù)管旋轉(zhuǎn)接頭的高壓密封性能進(jìn)行數(shù)值研究，重點(diǎn)分析V型橡膠圈材料及其組合方式、密封副摩擦因數(shù)等因素與密封性能之間的相互關(guān)系。研究結(jié)果可應(yīng)用于連續(xù)管旋轉(zhuǎn)接頭的密封設(shè)計，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 有限元模型

采用有限元分析軟件建立支承環(huán)、V型橡膠圈、壓環(huán)、中心管、殼體的幾何模型。

1.1 材料屬性選取

支承環(huán)、壓環(huán)、中心管以及殼體采用結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為200 GPa；泊松比為0.3。

V型橡膠圈分別采用聚氨酯、丁腈橡膠相互間隔，即V1為聚氨酯；V2為丁腈橡膠；V3為聚氨酯；V4為丁腈橡膠；V5為聚氨酯，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 V型橡膠圈結(jié)構(gòu)

橡膠的本構(gòu)關(guān)系選用Mooney-Rivlin[7-11]模型：

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

式中：W為應(yīng)變能密度，I1和I2分別為第1和第2Green應(yīng)變不變量；C01和C10為力學(xué)性能常數(shù)。

該模型能很好地描述變形小于150%的橡膠材料力學(xué)性能，能滿足橡膠材料實(shí)際應(yīng)用的性能計算需求。本文主要討論硬度分別為80、85、90、95 HA聚氨酯、丁腈橡膠的V型橡膠圈，其Mooney-Rivlin模型參數(shù)如表1～2所示。

表1 聚氨酯的Mooney-Rivlin模型參數(shù)[8-10]

表2 丁腈橡膠的Mooney-Rivlin模型參數(shù)[11]

1.2 網(wǎng)格劃分

考慮到密封結(jié)構(gòu)的對稱性，可將密封結(jié)構(gòu)簡化為二維平面有限元模型。為更好地對V型橡膠圈進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)，將V型橡膠圈劃分為四邊形CAX4RH單元與三角形CAX3H單元；支承環(huán)、壓環(huán)采用CAX3單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分；殼體和中心管采用CAX4R單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 V型圈結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

1.3 邊界條件與載荷

根據(jù)密封結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作原理，將殼體、中心管、支承環(huán)完全固定；壓環(huán)只能沿軸向方向運(yùn)動；連續(xù)管旋轉(zhuǎn)接頭工作介質(zhì)壓力均勻施加在壓環(huán)的底面；V型橡膠圈密封模型中各接觸之間的摩擦因數(shù)如表3所示。

表3 模型接觸對間的摩擦因數(shù)[2，12]

2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證及研究路徑

2.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為了確定比較合適的網(wǎng)格尺寸，對V型橡膠圈的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行了分析，參數(shù)設(shè)置如表4所示，計算結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，網(wǎng)格數(shù)量到達(dá)5萬個，即當(dāng)V型橡膠圈網(wǎng)格尺寸小于0.12 mm時，V型橡膠圈的接觸應(yīng)力隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而幾乎不變。本模型中網(wǎng)格的單元尺寸取0.12 mm。

表4 參數(shù)設(shè)置

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

2.2 分析路徑選取

為了更方便了解V型橡膠圈是否滿足密封要求，將滿足V型橡膠圈密封要求的區(qū)域進(jìn)行顯示，不滿足密封要求的區(qū)域用白色進(jìn)行填充顯示，依次選取密封結(jié)構(gòu)中的多個V型橡膠圈的內(nèi)表面為研究路徑S1，以此提取各V型橡膠圈內(nèi)壁面接觸應(yīng)力，且該路徑的方向與V型橡膠圈受壓方向一致，如圖5所示。

圖5 V型橡膠圈路徑選取

3 影響V型橡膠圈密封性能主控因素分析

3.1 介質(zhì)壓力對V型橡膠圈密封性能的影響

分別對壓環(huán)施加35、50、70、90、105 MPa的介質(zhì)壓力，其他參數(shù)設(shè)置如表4所示，其分析結(jié)果如圖6所示。V型橡膠圈的接觸應(yīng)力與介質(zhì)壓力成正比，壓力越大，膠圈的密封能力越強(qiáng)；沿著介質(zhì)壓力的加載方向，V1～V5橡膠圈的觸應(yīng)力依次遞減，但接觸壓力梯度不大。最大接觸壓力大于相應(yīng)介質(zhì)壓力，滿足密封條件。

圖6 介質(zhì)壓力對V型橡膠圈接觸應(yīng)力的影響

3.2 介質(zhì)壓力對V型橡膠圈壓縮量的影響

在0.1～120.0 MPa內(nèi)分別對壓環(huán)施加若干壓力，計算V型圈的最大接觸應(yīng)力和軸向壓縮量，結(jié)果如圖7所示。V型橡膠圈的內(nèi)壁接觸應(yīng)力隨介質(zhì)壓力增大而增大，基本呈線性遞增關(guān)系，且最大接觸應(yīng)力均大于相應(yīng)的介質(zhì)壓力，能夠滿足密封需求。在0.1～10.0 MPa壓力內(nèi)，V型橡膠圈軸向壓縮量隨著介質(zhì)壓力的增大而迅速增加，介質(zhì)壓力大于10 MPa時，V型橡膠圈壓縮量為0.9 mm，但是介質(zhì)壓力繼續(xù)增加，V型橡膠圈的壓縮量增加緩慢。結(jié)果表明，V型密封圈的最大接觸應(yīng)力和壓縮量隨介質(zhì)壓力增加的變化規(guī)律證明了V型圈的設(shè)計能夠建立起穩(wěn)定可靠的密封。

圖7 V型圈軸向壓縮量隨軸向載荷的變化

3.3 摩擦因數(shù)對V型橡膠圈密封性能的影響

連續(xù)管旋轉(zhuǎn)接頭的多個V型橡膠圈組合受軸向壓緊力作用形成接觸密封，將產(chǎn)生摩擦磨損問題[13]。設(shè)定V型橡膠圈與中心管的摩擦因數(shù)取值為0.05～0.30，分析V型橡膠圈內(nèi)壁面最大接觸應(yīng)力與摩擦因數(shù)的關(guān)系。摩擦因數(shù)對V型橡膠圈內(nèi)壁面接觸應(yīng)力的影響如圖8所示，可以看出，中心管與V型橡膠圈摩擦系數(shù)越大，V1密封圈中靠近壓環(huán)的前半部分最大接觸應(yīng)力越大。當(dāng)摩擦因數(shù)為0.25時，V1密封圈的內(nèi)壁面最大接觸應(yīng)力值最大為117.267 MPa，說明摩擦因數(shù)增加可以提高V型橡膠圈的密封能力，但同時也增加了V型橡膠圈與中心管的摩擦力。值得關(guān)注的是，摩擦因數(shù)越小，其他V型橡膠圈的最大接觸應(yīng)力越大，除V5密封圈以外，其他V型橡膠圈的內(nèi)壁面最大接觸應(yīng)力均大于105 MPa，滿足密封要求，且V1密封圈內(nèi)壁面的最大接觸應(yīng)力明顯減小，當(dāng)摩擦因數(shù)為0.05時，V1密封圈內(nèi)壁面的最大接觸應(yīng)力為108.8 MPa。結(jié)果表明，V型橡膠圈的摩擦因數(shù)對密封性能有明顯影響，摩擦因數(shù)越小，各V型橡膠圈的接觸應(yīng)力差越小，與中心管的摩擦磨損越小，工作壽命越長。

圖8 摩擦因數(shù)對V型橡膠圈內(nèi)壁面接觸應(yīng)力的影響

3.4 V型橡膠圈材料對密封性能的影響

連續(xù)管旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)的V型橡膠圈分別采用聚氨酯與丁腈橡膠兩種材料。為了更好地了解材料對密封性能的影響，建立了4組計算方案，如表5所示，計算參數(shù)設(shè)置如表4所示。

表5 不同材料類型的V型橡膠圈組合方案

取路徑S1，研究4組不同材料組合的V型橡膠圈內(nèi)壁面接觸應(yīng)力分布，如圖9所示。結(jié)果表明4種V型橡膠圈材料組合的密封性能基本相同，說明聚氨酯和丁腈橡膠兩種材料的V型橡膠圈在硬度相同時對密封性能無明顯影響。

圖9 材料組合對V型橡膠圈內(nèi)壁面接觸應(yīng)力的影響

為了更充分地研究V型橡膠圈材料對密封性能的影響，設(shè)置不同材料和不同硬度的組合，如表6所示。

表6 不同材料硬度的V型橡膠圈組合方案

研究4組不同硬度組合的V型橡膠圈內(nèi)壁面接觸應(yīng)力分布，如圖10所示。結(jié)果表明：材料硬度越大，V型橡膠圈內(nèi)壁面最大接觸應(yīng)力越大；聚氨酯和丁腈橡膠硬度差越大，V1密封圈前端的最大接觸應(yīng)力越大，但是其他V型橡膠圈的接觸應(yīng)力相對較小；聚氨酯和丁腈橡膠硬度相同時，V1的最大接觸應(yīng)力較小，且各V型橡膠圈的接觸應(yīng)力分布相對均勻。

圖10 材料硬度對V型橡膠圈內(nèi)壁面接觸應(yīng)力的影響

4 室內(nèi)試驗(yàn)

基于本研究結(jié)果，完成了連續(xù)管旋轉(zhuǎn)接頭及其密封設(shè)計，密封采用90 HA的聚氨酯和丁腈橡膠2種材料組合的密封結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)接頭安裝在旋轉(zhuǎn)接頭試驗(yàn)臺架上，如圖11所示。

圖11 旋轉(zhuǎn)接頭密封及試驗(yàn)

滾筒以20 m/min的速度順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)進(jìn)行動密封試驗(yàn)，逐級加載工作介質(zhì)壓力，等級分別為25、70、105 MPa，每個加載壓力等級下分別保壓15、30、45、60 min，測量壓降，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7所示。依據(jù)靜壓密封保壓壓降小于5%的驗(yàn)收準(zhǔn)則，判定試驗(yàn)結(jié)果完全滿足產(chǎn)品要求。

表7 旋轉(zhuǎn)接頭密封試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

1) 聚氨酯和丁腈橡膠組合的V型橡膠圈在介質(zhì)壓力作用下能夠形成穩(wěn)定可靠的高壓密封。

2) 密封副之間的摩擦因數(shù)對V型橡膠圈的密封性能有較大的影響，摩擦因數(shù)越大，最大接觸應(yīng)力越大，密封能力越強(qiáng)，但是V型橡膠圈的摩擦磨損越嚴(yán)重。建議根據(jù)材料和加工工藝取合適的摩擦因數(shù)。

3) 聚氨酯和丁腈橡膠2種材料的組合方式對密封性能幾乎沒有影響，但是2種材料的硬度對密封性能影響較大。材料硬度越大，密封能力越強(qiáng)，但會增加首尾2個密封圈之間的接觸力差值。建議采用硬度均為85 HA或90 HA的聚氨酯和丁腈橡膠兩種材料組合的密封結(jié)構(gòu)，以增加密封圈的使用壽命。

4) V型橡膠圈密封是在介質(zhì)壓力作用下發(fā)生變形引起的，當(dāng)V型橡膠圈受到的軸向壓力為10 MPa左右時，其變形基本完成，V型橡膠圈的軸向壓縮量在0.9～1.0 mm。可為連續(xù)管旋轉(zhuǎn)接頭方案設(shè)計提供參考。