大溫差對(duì)油氣管道卡壓式連接器O形圈密封性能的影響模擬

摘 "要""研究大溫差對(duì)油氣管道卡壓式連接器O形圈密封性能的影響。設(shè)計(jì)包含試驗(yàn)缸與傳感器的O形圈密封性能試驗(yàn)臺(tái)，利用試驗(yàn)臺(tái)模擬試驗(yàn)環(huán)境，研究待測(cè)O形圈在大溫差條件下的泄漏率、應(yīng)力松弛和抗?jié)B性。模擬結(jié)果顯示：溫度在-60～0 ℃時(shí)，O形圈泄漏率控制在0.009%以下；溫度在30～120 ℃時(shí)，O形圈泄漏率最高可達(dá)0.039%，說(shuō)明低溫條件下O形圈泄漏風(fēng)險(xiǎn)低于高溫，即低溫條件下的密封性能優(yōu)于高溫條件。當(dāng)溫度為-60 ℃時(shí)，O形圈應(yīng)力松弛速度較低；當(dāng)溫度提升至室溫（18 ℃）再提升至120 ℃時(shí)，O形圈應(yīng)力松弛速度呈現(xiàn)一定程度的提升，說(shuō)明溫度提升將導(dǎo)致O形圈最終應(yīng)力下降，造成O形圈泄漏率提升，密封性能下降。溫度在-60～0 ℃時(shí)，O形圈封裝內(nèi)部油質(zhì)液體pH值不變；當(dāng)溫度達(dá)到120 ℃時(shí)，油質(zhì)液體pH值顯著下降，說(shuō)明溫度越高，O形圈抗?jié)B性越差，密封性能越差。

關(guān)鍵詞""油氣管道 "O形圈 "大溫差 "密封性能 "泄漏率 "應(yīng)力松弛" " "DOI：10.20031/j.cnki.0254-6094.202406004

中圖分類號(hào)""TQ055.8+1""""""""""""""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼 "A""""""""""""""""""文章編號(hào) "0254-6094（2024）06-0000-00

油氣管道是輸送重要能源的關(guān)鍵設(shè)施，其安全性與可靠性至關(guān)重要[1]。連接器O形圈作為油氣管道中的關(guān)鍵密封部件，其密封性能的可靠性直接影響著管道的安全運(yùn)行。O形圈通常由橡膠或塑料制成，但由于油氣管道通常面對(duì)復(fù)雜的氣候條件，例如氣候寒冷地區(qū)或高海拔地區(qū)，大溫差是常見(jiàn)現(xiàn)象，會(huì)影響連接器的密封性能[2，3]，極易導(dǎo)致能源泄漏，不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響[4]。因此，為了確保管道在極端條件下正常運(yùn)行，研究大溫差對(duì)連接器和O形圈密封性能的影響具有重要意義。

郭金柱等利用有限元軟件模擬分析了O形圈密封結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)模型，結(jié)果顯示，所構(gòu)建的模型能夠有效構(gòu)建O形圈老化狀態(tài)和固有頻率間的相關(guān)性[5]，但在采用該方法模擬O形圈密封結(jié)構(gòu)時(shí)，若材料力學(xué)特性在不同溫度下發(fā)生重大變化，則使用單一力學(xué)特性參數(shù)來(lái)代表整個(gè)溫度范圍內(nèi)的材料性能可能會(huì)帶來(lái)不精確的結(jié)果。許澤華等研究了O形圈的力學(xué)與熱穩(wěn)定性能，結(jié)果顯示，高溫環(huán)境下O形圈的拉伸強(qiáng)度由室溫條件下的12.6"MPa提升至17.3"MPa[6]，但由于O形圈會(huì)經(jīng)歷多種不同溫度條件下的循環(huán)加載，因此該方法可能無(wú)法全面評(píng)估O形圈在實(shí)際工況中的行為。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者研究大溫差對(duì)油氣管道卡壓式連接器O形圈（以下簡(jiǎn)稱O形圈）密封性能的影響，了解其在高、低溫環(huán)境下的性能表現(xiàn)以及可能存在的問(wèn)題，以避免連接器O形圈的密封性能失效，保障油氣管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 "O形圈密封性能模擬方法

1.1""模擬試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

為了能夠在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中準(zhǔn)確、可控地模擬和評(píng)估O形圈在實(shí)際工作條件下的密封性能，設(shè)計(jì)O形圈密封性能試驗(yàn)臺(tái)，主要包含試驗(yàn)缸、動(dòng)力模塊、拉壓力傳感器、位移傳感器及控制柜等。

試驗(yàn)缸（圖1）作為試驗(yàn)臺(tái)中最主要的組成部分，用于容納和操縱待測(cè)試的O形圈。試驗(yàn)缸主要包含一套配對(duì)的油氣入口、出口和兩個(gè)泄漏口。密封腔主要包含一對(duì)活塞環(huán)與研究用O形圈，其中活塞環(huán)具有完全對(duì)稱性[7]，將其和活塞傳動(dòng)軸相結(jié)合，能夠提升O形圈更換的靈活性。通過(guò)在試驗(yàn)缸內(nèi)施加外部載荷和壓力，可以模擬實(shí)際工作條件下O形圈所承受的應(yīng)力狀態(tài)，以檢測(cè)O形圈的密封性能。

動(dòng)力模塊中的電動(dòng)缸主要為試驗(yàn)臺(tái)提供恒定的或動(dòng)態(tài)的加載條件，如拉伸、壓縮、擠壓等，由此實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)缸內(nèi)O形圈的運(yùn)動(dòng)。在模擬過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速功能，選用ELA802Z-120-00型電動(dòng)缸。

拉壓力傳感器用于測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中施加在O形圈上的力。拉壓力傳感器與動(dòng)力模塊電動(dòng)缸的推桿和活塞傳動(dòng)軸直接連接，為確保連接的直線度，將直線導(dǎo)軌置于推桿和活塞傳動(dòng)軸上。在O形圈運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)拉壓力傳感器獲取活塞傳動(dòng)軸的推拉應(yīng)力值，以評(píng)估O形圈抵抗外界載荷的能力，并提供其有關(guān)力學(xué)特性的數(shù)據(jù)。

位移傳感器連接在動(dòng)力模塊的活塞傳動(dòng)軸上，用于測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中O形圈變形的情況。模擬過(guò)程中，選用GS11型位移傳感器，分辨率4 μm。

控制柜主要用于控制試驗(yàn)臺(tái)開始工作與終止工作，同時(shí)具備遠(yuǎn)程控制功能，實(shí)現(xiàn)O形圈密封性能模擬數(shù)據(jù)與變化情況的采集、記錄和存儲(chǔ)。

1.2""O形圈選取與大溫差設(shè)定

試驗(yàn)選取P305型O形圈作為待測(cè)O形圈[8]，其相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

受油氣管道中介質(zhì)溫度的影響，O形圈可能會(huì)遭受不同溫度下的應(yīng)力和變形，為此設(shè)定不同次數(shù)和持續(xù)時(shí)間的溫度循環(huán)（表2），以評(píng)估O形圈在溫度變化循環(huán)下的密封穩(wěn)定性和耐久性。

1.3""密封性參數(shù)的選擇和計(jì)算

O形圈的密封性可通過(guò)以下3個(gè)參數(shù)描述：

a. 泄漏率[9]。泄漏率越低說(shuō)明其密封性能越好。

b. 應(yīng)力松弛情況[10]。應(yīng)力下降將導(dǎo)致O形圈可靠性降低，泄漏率提升。

c. 抗?jié)B性[11]。油氣管道內(nèi)的液體通常具有一定的腐蝕性，O形圈抗?jié)B性越好，其密封性越好。

1.3.1""泄漏率計(jì)算方法設(shè)計(jì)

采用氣泡檢測(cè)法，將一定量的泄漏氣體注入O形圈內(nèi)部，O形圈置于試驗(yàn)缸內(nèi)的油質(zhì)液體內(nèi)，氣體經(jīng)由漏孔進(jìn)入附近的油質(zhì)液體內(nèi)并產(chǎn)生氣泡，依照氣泡產(chǎn)生的速度、氣泡的尺寸以及試驗(yàn)缸內(nèi)油質(zhì)液體的物理性質(zhì)[12]，即可確定O形圈的泄漏率。

設(shè)定所產(chǎn)生的氣泡形狀為球形，以n和分別表示O形圈任意區(qū)域泄漏氣泡形成的頻率和氣泡在油質(zhì)液體表層的直徑，試驗(yàn)缸內(nèi)的油質(zhì)液體表層張力越低，泄漏氣體的壓力越大[13]?？紤]油質(zhì)液體表層張力的影響，模擬過(guò)程中所產(chǎn)生的氣泡內(nèi)外存在一定壓差。若要使得O形圈在密封條件下產(chǎn)生氣泡，需滿足：

其中，表示氣泡中心到油質(zhì)液體上表層的距離，表示試驗(yàn)缸內(nèi)的壓力，表示油質(zhì)液體的密度，表示大氣壓，表示油質(zhì)液體表層張力，g表示重力加速度。

由此可以得到氣泡內(nèi)的壓力為：

由于氣泡內(nèi)的壓力變化直接反映了氣體從系統(tǒng)中泄漏的速率，因此在標(biāo)準(zhǔn)條件下[14]，可以直接通過(guò)氣泡內(nèi)的壓力表示O形圈的體積泄漏率：

其中，表示標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下的熱力學(xué)溫度。

1.3.2""應(yīng)力松弛計(jì)算

在實(shí)際工作環(huán)境中，O形圈經(jīng)受長(zhǎng)期的應(yīng)力、溫度和介質(zhì)的影響，導(dǎo)致其在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生形變和松弛。因此，以應(yīng)力松弛作為模擬的參數(shù)指標(biāo)，可以更好地模擬實(shí)際工作條件下O形圈的性能。在O形圈應(yīng)變固定的條件下，描述應(yīng)力松弛影響下[15]O形圈的應(yīng)力同應(yīng)變間的相關(guān)性如下：

其中，表示應(yīng)力，表示O形圈材料的松弛函數(shù)，表示應(yīng)變系數(shù)。

1.3.3""抗?jié)B性模擬

抗?jié)B性表示O形圈能否有效阻止介質(zhì)從連接器中滲漏和泄漏。通過(guò)研究和評(píng)估O形圈的抗?jié)B性，可以確定其對(duì)不同介質(zhì)和工作條件的適應(yīng)能力以及液體或氣體泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。為模擬O形圈在油氣管道中的各種工作狀態(tài)，設(shè)定O形圈抗?jié)B性模擬過(guò)程中，壓差分別為5、10、15、20"MPa，在不同溫度條件下，對(duì)其進(jìn)行抗?jié)B性模擬測(cè)試。

2 "模擬與結(jié)果分析

2.1""試驗(yàn)環(huán)境設(shè)置

2.1.1""線性膨脹變化情況

O形圈在實(shí)際工作條件下面臨著溫度變化的影響。不同溫度下，O形圈的材料會(huì)發(fā)生膨脹或收縮。膨脹可能會(huì)導(dǎo)致O形圈與連接器接觸面的變形過(guò)大或過(guò)小，從而影響密封效果。待測(cè)O形圈在不同溫度條件下的線性膨脹變化情況如圖2所示。可以看出，在-60～90"℃條件下，待測(cè)O形圈的線性膨脹系數(shù)變化趨勢(shì)近似于線性。當(dāng)溫度為90～120"℃時(shí)，待測(cè)O形圈的線性膨脹系數(shù)表現(xiàn)出非線性大幅提升趨勢(shì)。當(dāng)待測(cè)O形圈材料的線性膨脹系數(shù)較小且截面尺寸和初始預(yù)壓縮量較大時(shí)，可以降低由于線性膨脹導(dǎo)致的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.2""泄漏率變化情況

在不同時(shí)間、溫度條件下，待測(cè)O形圈泄漏率的變化情況見(jiàn)表3?？梢钥闯觯诓煌瑫r(shí)間條件下，當(dāng)溫度為18"℃時(shí)，待測(cè)O形圈的泄漏率基本是最低的，且全部控制在0.003%以下；當(dāng)溫度較低（-60～0"℃）時(shí)，待測(cè)O形圈的泄漏率較低，且全部控制在0.009%以下；當(dāng)溫度較高（30～120"℃）時(shí)，待測(cè)O形圈的泄漏率較高，最高可達(dá)0.039%。這是因?yàn)榇郎y(cè)O形圈材料在溫度升高時(shí)，其線性尺寸會(huì)隨之膨脹，導(dǎo)致待測(cè)O形圈的壓縮量增加，密封應(yīng)力降低，從而造成泄漏率增大。

2.1.3""大溫差交變循環(huán)變化環(huán)境設(shè)置

耐寒性能是指O形圈在低溫環(huán)境下的抗凍裂、彈性恢復(fù)及密封性能等方面的表現(xiàn)。通過(guò)模擬耐寒系數(shù)，可以評(píng)估O形圈能否在低溫環(huán)境下正常工作，并確定其抵御低溫引起的形變和失效的能力。

對(duì)待測(cè)O形圈實(shí)施120"℃×60"min→-60"℃×30"min的3次循環(huán)處理后，對(duì)其耐寒系數(shù)進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，O形圈在經(jīng)過(guò)120"℃×60"min→-60"℃×30"min的大溫差交變循環(huán)后，其耐寒系數(shù)由初始值0.13降低至0.07，這表明O形圈材料回彈性基本喪失，即大溫差交變對(duì)O形圈低溫性能產(chǎn)生顯著影響，導(dǎo)致其密封性能下降。造成這種結(jié)果的主要原因有兩個(gè)，一是O形圈材料在高溫環(huán)境下，材料持續(xù)產(chǎn)生老化，令其低溫性能降低；二是O形圈在低溫環(huán)境下，材料回彈性能下降，并在恢復(fù)過(guò)程中回彈性能持續(xù)發(fā)生微弱轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致其低溫性能降低。

2.2""大溫差對(duì)O形圈應(yīng)力松弛的影響

由于相同的力學(xué)松弛現(xiàn)象不僅能夠在溫度相對(duì)較高、受力時(shí)間相對(duì)較短的條件下呈現(xiàn)出來(lái)，還能夠在溫度相對(duì)較低、受力時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)的條件下呈現(xiàn)。因此，通過(guò)一種描述松弛時(shí)間與溫度關(guān)系的方程體現(xiàn)O形圈力學(xué)行為時(shí)間與溫度之間的相關(guān)性：

其中，表示溫度位移因子，表示材料常數(shù)，表示參考溫度。

在油壓和壓縮比分別為5"MPa和15%的條件下，待測(cè)O形圈密封接觸應(yīng)力受大溫差的影響如圖4、表4所示?？梢钥闯觯瑧?yīng)力作為時(shí)間與溫度的函數(shù)，在大溫差條件下產(chǎn)生了明顯變化。在低溫（-60"℃）條件下，待測(cè)O形圈應(yīng)力松弛速度較低；隨著溫度提升至室溫（18"℃）再提升至高溫（120"℃），待測(cè)O形圈應(yīng)力松弛速度呈現(xiàn)一定程度的提升，同時(shí)，溫度值與待測(cè)O形圈應(yīng)力松弛速率之間呈正比例相關(guān)性。溫度的提升將導(dǎo)致待測(cè)O形圈應(yīng)力下降，由此導(dǎo)致待測(cè)O形圈可靠性降低，泄漏率提升，密封性能下降。

2.3""大溫差對(duì)O形圈抗?jié)B性的影響

O形圈在工作環(huán)境中可能會(huì)接觸到不同的液體介質(zhì)，其中包括酸性或堿性介質(zhì)。pH值是評(píng)估液體酸堿性的指標(biāo)，通過(guò)控制介質(zhì)pH值，可以模擬不同酸堿環(huán)境對(duì)O形圈材料的腐蝕和損傷程度。不同壓差條件下，大溫差對(duì)待測(cè)O形圈封裝內(nèi)部油質(zhì)液體pH值的影響如圖5所示。可以看出，在溫度較低（-60～0"℃）的條件下，pH值固定不變，說(shuō)明待測(cè)O形圈抗?jié)B性較好；當(dāng)溫度高于0"℃時(shí)，油質(zhì)液體pH值開始產(chǎn)生下降趨勢(shì)；在溫度較高（0～90"℃）的條件下，油質(zhì)液體pH值下降至9.0左右，說(shuō)明待測(cè)O形圈依然具備較好的抗?jié)B性；當(dāng)溫度達(dá)到120"℃時(shí)，油質(zhì)液體pH值開始顯著下降，達(dá)到7.0左右，說(shuō)明待測(cè)O形圈的抗?jié)B性顯著下降?？梢?jiàn)，大溫差對(duì)O形圈的抗?jié)B性產(chǎn)生了顯著影響，溫度越高，抗?jié)B性越差，密封性能越差。

3 "結(jié)論

3.1 "當(dāng)O形圈處于低溫條件下時(shí)，其泄漏風(fēng)險(xiǎn)低于高溫條件。

3.2 "溫度提升將導(dǎo)致O形圈最終應(yīng)力下降，由此造成O形圈可靠性降低，泄漏率提升。

3.3 "大溫差對(duì)O形圈的抗?jié)B性具有顯著影響，溫度越高，抗?jié)B性越差。

3.4 "大溫差交變對(duì)O形圈低溫性能具有顯著影響，導(dǎo)致其密封性能下降。

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（收稿日期：2023-12-20，修回日期：2024-11-06）

作者簡(jiǎn)介：王建峰（1976-），工程師，從事自動(dòng)化控制技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用方向的研究、安全及自動(dòng)化控制技術(shù)服務(wù)工作，wangjianfeng0326@126.com。

引用本文：王建峰，葉思瑩.大溫差對(duì)油氣管道卡壓式連接器O形圈密封性能的影響模擬[J].化工機(jī)械，2024，51（6）：000-000.