水下柔性連接器的O形圈球面密封性能分析*

陳宏舉 運(yùn)飛宏 侯廣信 劉 冬 安維崢 矯克豐 吳 露 王立權(quán)

(1.中海石油(中國(guó))有限公司北京研究中心 北京 100028；2.哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150001)

水下連接器作為連接水下生產(chǎn)系統(tǒng)各部分的關(guān)鍵裝備，主要應(yīng)用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的跨接管連接[1-3]。在水下管道連接中，會(huì)因?yàn)榘惭b誤差出現(xiàn)連接管道對(duì)中性差等問(wèn)題，而球形結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)角度補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)完美地解決了這一問(wèn)題。球形結(jié)構(gòu)作為一種柔性結(jié)構(gòu)，球面之間的相互配合可以使相連接的兩部分實(shí)現(xiàn)角度的調(diào)節(jié)，近些年被廣泛應(yīng)用于水下連接器的設(shè)計(jì)中。在高壓環(huán)境下其密封結(jié)構(gòu)是否能夠正常工作是球形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

橡膠材料擁有優(yōu)良彈性性能和抗壓變性能，可以有效阻止壓力介質(zhì)的泄漏。由橡膠制成的O形密封圈廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空航天、機(jī)械及流體傳動(dòng)機(jī)械等領(lǐng)域[4-5]。但O形圈在球形結(jié)構(gòu)中能否與法蘭結(jié)構(gòu)之間保持良好的密封性能仍有待于研究。

SONG等[6]和HOU等[7]均對(duì)球形結(jié)構(gòu)的密封進(jìn)行了研究，但只探討了O形圈的密封性能，未對(duì)包括O形圈的整個(gè)球面密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)與研究。此外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)連接器球面密封的研究也比較少。為此，本文作者從O形圈材料參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算、壓力對(duì)O形圈密封的影響等方面對(duì)連接器的O形圈球面密封結(jié)構(gòu)及密封性能展開(kāi)研究，為連接器球面密封的設(shè)計(jì)提供了思路。

1 密封結(jié)構(gòu)模型及參數(shù)

文中研究的O形圈球面密封結(jié)構(gòu)來(lái)源于球形法蘭連接器的一部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該球形法蘭連接器采用螺栓法蘭的連接方式，利用O形圈壓縮變形來(lái)實(shí)現(xiàn)密封；其應(yīng)用兩道O形密封圈作為主密封結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)球形結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)連接器的安裝角度。

圖1 球形法蘭連接器結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of spherical flange connector

O形圈球面密封的密封原理為：通過(guò)螺栓連接使連接法蘭、定位法蘭與球形結(jié)構(gòu)相互擠壓實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的鎖緊；O形密封圈經(jīng)過(guò)物理擠壓產(chǎn)生一定的預(yù)壓縮量并被密封溝槽固定位置，O形圈與法蘭的接觸面產(chǎn)生接觸應(yīng)力，在連接器內(nèi)部被介質(zhì)充滿后，流體介質(zhì)壓力會(huì)進(jìn)一步擠壓O形圈，O形圈與法蘭面的接觸壓力將始終大于腔內(nèi)的流體介質(zhì)壓力，從而實(shí)現(xiàn)了O形圈結(jié)構(gòu)的球面密封。

研究的球面密封結(jié)構(gòu)采用O形圈作為主密封圈，文中根據(jù)非線性理論，確定其Mooney-Rivlin本構(gòu)方程。O形圈的材料通常選用橡膠等超彈性材料，文中采用了應(yīng)用最為廣泛的丁腈橡膠作為O形圈材料，其密度為1 100 kg/m3，泊松比為0.499。橡膠作為一種超彈性材料，其力學(xué)性能有以下3個(gè)特點(diǎn)[8]：

(1)不可壓縮性：橡膠材料的泊松比一般在0.45～0.499 9范圍內(nèi)變化，接近于液體的泊松比0.5，因此橡膠可以看作是一種體積近似不可壓縮的材料。

(2)大變形特性：橡膠高分子材料變形很大，橡膠材料的變形范圍一般在200%～500%，甚至能夠達(dá)到1 000%，而很多金屬材料的變形則不足0.5%。

(3)非線性：橡膠材料具有三重非線性，即幾何非線性、材料非線性和邊界非線性。

基于上述分析，在ANSYS Workbench有限元軟件上構(gòu)建O形密封圈橡膠材料模型，需要考慮橡膠的超彈性特性和不可壓縮性?；诜蔷€性理論，應(yīng)用Mooney-Rivlin應(yīng)變能函數(shù)[9-11]構(gòu)建的橡膠材料模型，其本構(gòu)關(guān)系如式(1)(2)所示[12]。

(1)

(2)

式中：U為應(yīng)變能密度；N為函數(shù)的階級(jí)；Cij為材料常數(shù)；I1、I2、I3為應(yīng)變不變量；Di為材料常數(shù)；J為體積比；λ1、λ2、λ3為主伸張率。

采用Mooney-Rivlin二常數(shù)模型，故N取1，模型本構(gòu)關(guān)系如式(3)所示。

(3)

式中：C10、C01為試驗(yàn)得到的材料參數(shù)；D1為材料參數(shù)，與材料的壓縮性有關(guān)。

O形圈的型號(hào)需要根據(jù)其硬度和尺寸來(lái)選擇，因采用O形圈作為連接器的主密封結(jié)構(gòu)，故選用直徑為7 mm，硬度為85～90HA的O形圈。關(guān)于材料硬度，將在下文通過(guò)計(jì)算得到。

橡膠材料彈性模量E0與剪切模量G有如下關(guān)系[13-14]：

(4)

由橡膠的不可壓縮性確定其泊松比μ=0.49，于是E0=3G[15]。

G、E0與C10、C01的關(guān)系如下：

(5)

橡膠材料IRHD硬度Hr與橡膠彈性模量E0有如下關(guān)系：

lgE0=0.019 8Hr-0.543 2

(6)

由式(5)、式(6)可知，材料參數(shù)C10、C01的值取決于IRHD硬度，在數(shù)值上近似于國(guó)內(nèi)使用的邵氏硬度。

文中選用邵氏硬度85～90HA的丁腈橡膠O形密封圈作為主密封圈，參考文獻(xiàn)[16]對(duì)O形密封圈的Mooney-Rivlin參數(shù)進(jìn)行研究，確定Mooney-Rivlin二常數(shù)模型的2個(gè)參數(shù)如下：

C10=1.946 1 MPa，C01=0.461 9 MPa

通過(guò)計(jì)算式(5)、式(6)，可以得到在該參數(shù)下的橡膠O形密封圈的硬度為86HA左右。

2 密封結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值分析

2.1 數(shù)值分析方法

為了研究O形圈球面密封結(jié)構(gòu)的密封性能，文中主要探究了作用在O形圈上的壓力大小、O形圈的預(yù)壓縮量2個(gè)因素對(duì)其密封的影響。對(duì)柔性連接器的O形圈球面密封結(jié)構(gòu)建立有限元模型，因O形圈密封結(jié)構(gòu)為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，為減少網(wǎng)格數(shù)量，導(dǎo)入的模型結(jié)構(gòu)采用2D 軸對(duì)稱模型。在三維軟件上建立平面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)入ANSYS workbench，法蘭與球面結(jié)構(gòu)材料選用F22合金材料，O形圈材料選擇硬度為85HA的超彈性材料。

設(shè)計(jì)的連接器密封結(jié)構(gòu)共有2個(gè)O形密封圈且密封圈位置對(duì)稱，因文中主要是對(duì)O形密封圈的密封性能進(jìn)行分析，故只對(duì)球面結(jié)構(gòu)上方O形密封圈進(jìn)行有限元仿真分析。對(duì)法蘭和密封圈均采用四邊形、三角形復(fù)合網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并對(duì)O形密封圈及其接觸法蘭面做了網(wǎng)格加密處理，整個(gè)模型總共劃分6 965個(gè)單元、21 950個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。在靜態(tài)分析中，設(shè)置O形圈與法蘭、球形結(jié)構(gòu)的接觸均為摩擦接觸，且摩擦因數(shù)為0.25；法蘭與球形結(jié)構(gòu)的接觸也為摩擦接觸，摩擦因數(shù)為0.15；接觸界面的設(shè)置均為調(diào)整接觸，因橡膠材料的大變形、非線性特性，Large Deflection、Newton-Raphson option設(shè)置為Unsymmetric。分2個(gè)載荷步施加載荷，第一個(gè)載荷步對(duì)法蘭施加位移，使法蘭壓縮O形圈達(dá)到O形圈的預(yù)壓縮量；第二個(gè)載荷步對(duì)O形圈與流體介質(zhì)接觸部分施加壓力，進(jìn)一步增大O形圈與法蘭的接觸應(yīng)力pseal，使其大于介質(zhì)壓力pw，達(dá)到O形圈的密封要求。

圖2 O形圈密封結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid of O-ring sealing structure

2.2 數(shù)值分析結(jié)果及討論

O形圈密封結(jié)構(gòu)作為一種擠壓型自密封結(jié)構(gòu)，只有當(dāng)密封圈產(chǎn)生了初始變形并具有初始預(yù)應(yīng)力pseal后，密封結(jié)構(gòu)才能不產(chǎn)生泄漏。連接器的上法蘭與球面體結(jié)構(gòu)相互擠壓O形圈使其變形，產(chǎn)生一定預(yù)應(yīng)力，O形圈受到物理擠壓后產(chǎn)生內(nèi)部預(yù)應(yīng)力，并與法蘭接觸面產(chǎn)生接觸壓力。單獨(dú)對(duì)模型法蘭施加位移壓縮O形圈，不施加壓力，可以得到如圖3所示的O形圈von Mises應(yīng)力云圖，以及圖4所示O形圈的接觸壓力分布圖。

圖3 無(wú)壓力下O形圈von Mises應(yīng)力云圖Fig.3 Nephogram of von Mises stress of O-ring under no pressure

在O形圈產(chǎn)生預(yù)壓縮量之后，在O形圈上部分施加壓力后，O形密封圈進(jìn)一步壓縮。在O形圈與介質(zhì)接觸表面施加工作壓力52 MPa，可以得到如圖5所示的O形圈von Mises應(yīng)力云圖，以及圖6所示O形圈的接觸壓力分布圖。

圖5 52 MPa壓力下O形圈von Mises應(yīng)力云圖Fig.5 Nephogram of von Mises stress of O-ring under working pressure of 52 MPa

圖6 52 MPa壓力下O形圈的接觸壓力分布云圖Fig.6 Nephogram of contact pressure distribution of O-ring under working pressure of 52 MPa

為探究流體介質(zhì)壓力對(duì)球面上O形圈密封結(jié)構(gòu)密封性能的影響，對(duì)已經(jīng)預(yù)壓縮后的O形圈單側(cè)施加不同大小的流體壓力，對(duì)比O形圈內(nèi)部最大等效應(yīng)力、與壓縮面的接觸壓力的大小。表1給出了不同壓力下最大等效應(yīng)力與最大接觸壓力的數(shù)值。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)連接器內(nèi)部的介質(zhì)壓力為52 MPa時(shí)，密封圈的接觸壓力最大將達(dá)到59.261 MPa，因此O形圈球面密封結(jié)構(gòu)的密封性能在52 MPa的流體壓力下是可靠的。

表1 不同介質(zhì)壓力下最大等效應(yīng)力和最大接觸壓力Table 1 Maximum equivalent stress and maximum contact pressure under different medium pressures

從表1可以看出，隨著流體壓力的增大，O形圈內(nèi)部等效應(yīng)力剛開(kāi)始增長(zhǎng)速度較快，這是由于O形圈作為超彈性結(jié)構(gòu)，在介質(zhì)的高壓作用下會(huì)發(fā)生大變形，O形圈進(jìn)一步被壓縮，導(dǎo)致內(nèi)部等效應(yīng)力增大；當(dāng)其內(nèi)部等效應(yīng)力增長(zhǎng)到一定程度后，O形圈的變形量會(huì)越來(lái)越小，所以其內(nèi)部等效應(yīng)力也會(huì)逐漸穩(wěn)定，如表1中壓力達(dá)到15 MPa以后，O形圈等效應(yīng)力增長(zhǎng)速度逐漸平緩。從表1還可看出，O形圈與法蘭和球面體的接觸面壓力隨作用在O形圈表面的流體壓力增大而增大，并且兩者有呈線性的趨勢(shì)。因此，在壓力允許的范圍內(nèi)，接觸壓力pseal將會(huì)一直大于流體壓力pw。

為滿足密封要求，O形圈要求有足夠的密封接觸面積(接觸寬度)，接觸寬度可作為衡量各個(gè)密封面的密封性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)。用于球面密封的O形圈在密封時(shí)共有3個(gè)面與O形圈表面接觸，分別是法蘭與O形圈接觸面、密封槽側(cè)面與O形圈接觸面、密封槽底面與O形圈接觸面。為了進(jìn)一步研究介質(zhì)壓力大小對(duì)O形圈的影響，對(duì)不同壓力下的O形圈密封結(jié)構(gòu)接觸寬度進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果如圖7所示。可見(jiàn)，O形圈的接觸寬度隨外部流體介質(zhì)壓力增大而增大，但3個(gè)接觸面的接觸寬度增長(zhǎng)幅度不同。其中法蘭接觸面的接觸寬度增長(zhǎng)幅度最小，且其在0～5 MPa介質(zhì)壓力區(qū)間內(nèi)接觸寬度的增長(zhǎng)速度明顯大于5～60 MPa介質(zhì)壓力區(qū)間，這是由于法蘭接觸面是主密封面，在經(jīng)過(guò)法蘭對(duì)O形圈的預(yù)壓縮之后，法蘭接觸面的接觸寬度已很大。而溝槽側(cè)面接觸面、溝槽底面接觸面作為次密封面，一開(kāi)始的接觸寬度比較小，但隨著流體介質(zhì)壓力的增大，兩接觸面的接觸寬度增長(zhǎng)速度變大，其中在0～5 MPa介質(zhì)壓力區(qū)間內(nèi)增長(zhǎng)速度比較小，在5～50 MPa區(qū)間內(nèi)增長(zhǎng)速度較大，在50～60 MPa區(qū)間內(nèi)增長(zhǎng)速度趨于平緩。這是由于O形圈受壓側(cè)在高壓作用下的大變形導(dǎo)致溝槽底部和側(cè)面接觸面上產(chǎn)生較大的接觸壓力，并隨著壓力的增大，O形圈內(nèi)部應(yīng)力的增大速度會(huì)逐漸平緩，趨近于材料的許用應(yīng)力值，而溝槽側(cè)面、底面接觸面的接觸寬度與O形圈內(nèi)部應(yīng)力有關(guān)。

圖7 接觸寬度受介質(zhì)壓力的影響Fig.7 Effect of medium pressure on contact width

綜上所述，密封圈的表面接觸壓力會(huì)隨著外部壓力的增大而增大，在連接器的1.5倍設(shè)計(jì)壓力51.7 MPa下密封圈依然能夠保持良好性能。O形圈與法蘭、密封槽底面的接觸面為主要密封面，從圖7可見(jiàn)主密封面的接觸寬度變化波動(dòng)較小，數(shù)值較為穩(wěn)定，這也從另一角度證明了密封結(jié)構(gòu)的可靠性。

3 測(cè)試裝置內(nèi)腔密封試驗(yàn)

為了驗(yàn)證柔性球法蘭連接器密封結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了包含連接器密封結(jié)構(gòu)的測(cè)試裝置，用來(lái)檢測(cè)O形圈球面密封結(jié)構(gòu)的密封性能。如圖8所示，O形圈球面密封結(jié)構(gòu)試驗(yàn)測(cè)試裝置主要由法蘭、球形結(jié)構(gòu)、O形圈組成。

圖8 測(cè)試裝置模型Fig.8 Test device model

圖9所示為驗(yàn)證連接器密封結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

圖9 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.9 Experimental device

(1)將液壓泵管安裝轉(zhuǎn)接頭并接入上法蘭接口中。

(2)將壓力機(jī)的移動(dòng)端壓住裝置的上法蘭并施加壓力，使內(nèi)部O形圈壓縮變形，達(dá)到預(yù)壓縮量，同時(shí)也抑制上下法蘭在通入壓力后上下的移動(dòng)。

(3)打開(kāi)液壓泵閥門(mén)，往實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)腔打壓，在達(dá)到試驗(yàn)壓力后記錄數(shù)據(jù)并保壓。

試驗(yàn)過(guò)程中記錄的不同試驗(yàn)壓力下的壓力變化數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同試驗(yàn)壓力下內(nèi)腔壓力的變化Table 2 Change of inner chamber pressure under different test pressure

從表2可見(jiàn)，球面密封結(jié)構(gòu)無(wú)論在5 MPa低壓還是在52 MPa高壓環(huán)境下工作，都能保證良好的密封性能；實(shí)驗(yàn)裝置在60 min的內(nèi)部壓力下降最大僅為0.3 MPa，且壓降隨著試驗(yàn)壓力的增大而增大，但增長(zhǎng)幅度小。

如圖10所示，整個(gè)保壓期間實(shí)驗(yàn)裝置的泄漏率在試驗(yàn)壓力為25 MPa時(shí)達(dá)到最大，在25 MPa以下，泄漏率一直隨著試驗(yàn)壓力的增大而增大；在試驗(yàn)壓力超過(guò)25 MPa后，泄漏率波動(dòng)幅度變小，在0.57%～0.67%之間。這是因?yàn)樵谠囼?yàn)壓力為25 MPa以下時(shí)，壓力機(jī)工作載荷為1.5 MN，而在試驗(yàn)壓力為25～52 MPa時(shí)，壓力機(jī)工作載荷達(dá)到了2.0 MN，因此有可能在試驗(yàn)壓力為25 MPa時(shí)，在軸向力1.5 MN下并沒(méi)有完全有效地封住實(shí)驗(yàn)裝置；當(dāng)壓力機(jī)載荷達(dá)到2.0 MN時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置的泄漏率趨于穩(wěn)定，故可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)裝置若想達(dá)到密封壓力，施加在實(shí)驗(yàn)裝置軸向上的工作載荷需要達(dá)到2.0 MN。

圖10 不同試驗(yàn)壓力下保壓60 min的壓降Fig.10 Pressure drop at different test pressures for 60 min

試驗(yàn)裝置的密封泄漏率最大僅為0.8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于API 17D標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)水下連接器裝備的泄漏率要求。因此，文中所研究的非標(biāo)準(zhǔn)O形圈球面密封結(jié)構(gòu)在水下是可靠的。

4 結(jié)論

在連接器的1.5倍設(shè)計(jì)壓力51.7 MPa下，對(duì)球面密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元數(shù)值計(jì)算，并對(duì)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。主要結(jié)論如下：

(1)水下柔性連接器密封結(jié)構(gòu)在不同工作狀態(tài)下均能夠保持良好的密封性能，且介質(zhì)壓力越大，O形圈與球形結(jié)構(gòu)上的密封槽之間的接觸應(yīng)力就越大，連接器密封性能有所提升。

(2)試驗(yàn)證明水下柔性連接器中的法蘭、球形結(jié)構(gòu)及O形圈密封結(jié)構(gòu)可以較好地適應(yīng)高壓環(huán)境的密封，密封泄漏率最大僅為0.8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于API 17D標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)水下連接器裝備的泄漏率要求。