李翔云+畢祥軍+王剛+閻軍+湯明剛+代超+岳前進

摘要： 介紹海洋非黏結(jié)柔性管道接頭的常見密封結(jié)構(gòu)，用Abaqus對接頭的密封特性進行數(shù)值分析，研究密封圈的密封性能對不同密封結(jié)構(gòu)參數(shù)的靈敏度，得到密封結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對接頭密封結(jié)構(gòu)的密封性能和力學性能影響的一般規(guī)律.結(jié)果表明密封結(jié)構(gòu)的主要設計參數(shù)為密封圈的錐角和曲率半徑以及加載位移等.

關(guān)鍵詞： 海洋柔性管道； 接頭； 密封圈； 密封特性； 接觸； 參數(shù)靈敏度

中圖分類號： TE53； TB1151.1文獻標志碼： B

0引言

在海洋油氣的開采與運輸過程中，海洋柔性管道以其易彎曲[1]、方便鋪設和回收[2]、可設計性強等優(yōu)勢得到廣泛應用.為實現(xiàn)柔性管道的終端連接并密封管道介質(zhì)，需在管道與浮體的連接處設計接頭.接頭密封結(jié)構(gòu)要保證在內(nèi)壓波動作用下具有良好的密封性能.由于結(jié)構(gòu)形狀和實際工況的復雜性，很難得到密封性能的精確理論解，因此需要用有限元法對密封結(jié)構(gòu)進行分析校核.通過參數(shù)靈敏度分析，可以確定對系統(tǒng)密封性能影響較大的參數(shù)及參數(shù)變化對密封性能的影響規(guī)律，修正設計參數(shù).[3]

1接頭密封結(jié)構(gòu)

非黏結(jié)柔性管道接頭密封結(jié)構(gòu)見圖1[4]，其中：內(nèi)、外護套一般為高分子材料，主要起密封管道介質(zhì)的作用，是接頭密封的對象；密封圈有2個密封面，外密封面為錐面，與接頭內(nèi)套形成線面配合，內(nèi)密封面為圓弧面，與材質(zhì)較軟的內(nèi)護套配合，在密封圈的弧面壓緊作用下形成面面配合.接頭密封系統(tǒng)共有2個可能的泄漏路徑：一個是密封圈的錐面與接頭內(nèi)套相接觸的路徑1；另一個是密封圈與內(nèi)護套相接觸的路徑2.

1—法蘭；2—接頭內(nèi)套；3—接頭外套；4—抗拉鎧裝層；5—抗壓鎧裝層；6—外護套；7—內(nèi)護套；8—接頭頸部；9—絕緣環(huán)；10—抗壓鎧裝層；11—密封圈；12—carcass層

圖 1柔性管道接頭密封結(jié)構(gòu)

Fig.1Sealing structure of flexible pipe end fitting

接頭密封結(jié)構(gòu)在使用過程中對應2種載荷工況：一是預緊狀態(tài)，支撐套在初始安裝力作用下插入內(nèi)護套內(nèi)徑，密封圈在法蘭預緊載荷的作用下與接頭內(nèi)套和管道內(nèi)護套作用并產(chǎn)生初始密封接觸壓力，為保證初始密封，要求初始密封接觸壓力高于管道內(nèi)壓；二是操作狀態(tài)，密封圈在預緊載荷和管道內(nèi)壓的共同作用下發(fā)生變形產(chǎn)生工作密封接觸壓力，須保證密封圈在壓力產(chǎn)生波動時仍有良好的密封能力.[5]接頭密封結(jié)構(gòu)在使用過程中既要保證密封圈在內(nèi)壓波動的工況下始終保持彈性變形[67]，又要使2個泄漏路徑上的接觸壓力大于密封面兩側(cè)壓力差，以保證密封效果[8].

在滿足接頭密封要求的情況下，可以根據(jù)有效密封長度評價接頭密封性能.假設管道內(nèi)壓力為p0，根據(jù)密封功能準則，密封面上接觸壓力大于p0的位置才會實現(xiàn)密封，則稱密封面上接觸壓力大于p0部分的長度為有效密封長度，即圖2中的L.有效密封長度越大，接頭密封效果越好.

圖 2柔性管道接頭密封性能評價指標

Fig.2Assessment criteria on sealing performance of

flexible pipe end fitting

接頭密封結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖3，各參數(shù)值見表1.

圖 3接頭密封結(jié)構(gòu)參數(shù)

Fig.3Parameters of joint sealing structure

表 1柔性管道接頭密封結(jié)構(gòu)參數(shù)

Tab.1Sealing structure parameters of flexible pipe

end fitting接頭內(nèi)套錐角/（°）14.0密封圈錐角/（°）12.5密封圈曲率半徑/mm20加載位移/mm1設計壓力/MPa24

2接頭密封結(jié)構(gòu)分析

2.1接頭密封有限元模型

2.1.1模型的建立

結(jié)合實際海洋柔性管道接頭密封結(jié)構(gòu)，利用通用有限元分析軟件Abaqus建立接頭密封結(jié)構(gòu)有限元模型.由于是軸對稱結(jié)構(gòu)，為提高計算效率，接頭所有零件均采用二維軸對稱單元進行模擬，見圖4.

1—接頭內(nèi)套；2—內(nèi)護套；3—法蘭；4—密封圈；5—支撐套

圖 4柔性管道接頭密封結(jié)構(gòu)有限元模型

Fig.4Finite element model of sealing structure of

flexible pipe end fitting法蘭和支撐套較硬，可不考慮變形和應力情況，采用剛體；密封圈、內(nèi)護套和接頭內(nèi)套為柔性體，采用CAX4I單元.材料屬性見表2.

表 2材料屬性

Tab.2Material property部件彈性模量/GPa泊松比接頭內(nèi)套210.00.3內(nèi)護套0.80.4密封圈210.00.3

2.1.2分析步、約束和加載

在接頭零件相互作用的區(qū)域設置接觸，模擬零件之間的相互作用：采用硬接觸模擬零件之間的法向行為，采用庫倫摩擦模擬零件之間的切向行為.

該模型建立分析步模擬支撐套和密封圈的裝配過程及管道內(nèi)壓的加載過程.為使計算更容易收斂，在支撐套和密封圈裝配之前分別建立1個分析步，對支撐套和密封圈施加較小的位移，有利于各個接觸對達到初始接觸.[9]為防止內(nèi)護套與接頭內(nèi)套發(fā)生剛體位移，分別約束內(nèi)護套的y方向位移和接頭內(nèi)套的所有自由度.

載荷有2種：一種是施加在支撐套參考點上的y方向位移載荷76 mm和法蘭參考點上的位移載荷1 mm，通過加載位移載荷實現(xiàn)支撐套和密封圈的裝配，達到預緊狀態(tài)；另一種是施加在流體路徑上的管道內(nèi)壓均布載荷24.0 MPa，由于最終變形狀態(tài)未知，保守選擇可能未發(fā)生泄漏的路徑，壓力作用方向沿路徑法線方向.約束和加載見圖5.endprint

圖 5柔性管道接頭密封結(jié)構(gòu)約束和加載

Fig.5Boundary conditions and loading of seal structure of flexible pipe end fitting

2.2計算結(jié)果和分析

分析接頭密封結(jié)構(gòu)在預緊狀態(tài)和操作狀態(tài)下的應力和變形，并根據(jù)密封圈的von Mises應力結(jié)果判斷密封圈是否屈服失效，根據(jù)密封面接觸壓力判斷密封是否失效.

2.2.1密封圈von Mises應力

預緊狀態(tài)和操作狀態(tài)的von Mises應力和變形計算結(jié)果見圖6和7，可知：密封圈的von Mises應力最大值分別為710.8 MPa和705.2 MPa，操作狀態(tài)由于有管道內(nèi)壓的作用，密封圈的von Mises應力有所降低；2種工況下的最大von Mises應力都小于密封圈屈服應力785.0 MPa，密封圈沒有屈服，能適用于管道壓力有波動的工況.

圖 6在預緊狀態(tài)下接頭密封結(jié)構(gòu)的von Mises應力

云圖，MPa

Fig.6von Mises stress contour of sealing structure of

end fitting under preload state， MPa

圖 7在操作狀態(tài)下接頭密封結(jié)構(gòu)的von Mises應力

云圖，MPa

Fig.7von Mises stress contour of sealing structure of

end fitting under operating state， MPa

2.2.2密封面接觸壓力分布

路徑1和2在預緊狀態(tài)和操作狀態(tài)的接觸壓力分布對比分別見圖8和9，可知：路徑1預緊和操作狀態(tài)的接觸壓力都高于路徑2，且比管道內(nèi)壓高很多，不會發(fā)生泄漏.因此，應該主要考慮路徑2上的接觸壓力分布情況.由圖9可知：預緊狀態(tài)和操作狀態(tài)的最大接觸壓力都大于管道內(nèi)壓，沒有發(fā)生泄漏失效；管道壓力對路徑2的接觸壓力分布影響不大；相對于預緊狀態(tài)，在管道內(nèi)壓作用下，操作狀態(tài)的初始密封點后移，最大接觸壓力較大，說明密封圈有一定的自緊效應[10]，即管道壓力升高，密封面上的接觸壓力也升高.

圖 8路徑1密封圈接觸壓力分布

Fig.8Contact pressure distribution of seal ring in path 1

圖 9路徑2密封圈接觸壓力分布

Fig.9Contact pressure distribution of sealing ring in path 2

3參數(shù)靈敏度分析

接頭密封的關(guān)鍵是泄漏路徑上的接觸壓力和有效密封長度L，而加載位移、密封圈與接頭內(nèi)套錐角差、密封圈弧度共同決定密封面上的接觸壓力分布和L的大小.本文主要分析密封結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對密封圈路徑2上接觸壓力分布的影響.

3.1加載位移

根據(jù)接頭密封結(jié)構(gòu)的錐面配合幾何特征，對接頭內(nèi)套錐角為14.0°，密封圈錐角為12.5°時的加載位移范圍為0.6～1.2 mm中的幾個位移進行分析，密封圈路徑2上接觸壓力分布計算結(jié)果見圖10，密封圈von Mises應力計算結(jié)果見表3.

圖 10加載位移對密封圈路徑2上接觸壓力分布的影響

Fig.10Effect of loading displacement on contact pressure distribution of sealing ring in path 2表 3密封圈加載位移計算結(jié)果

Tab.3Calculation results of loading displacement of

sealing ring加載位移/mm0.60.81.01.2密封圈von Mises應力/MPa386.7635.9731.8842

由圖10可知：隨著加載位移的增大，最大接觸壓力增大，密封面上的初始密封點前移，L增大.綜合圖10和表3的結(jié)果，確定加載位移為0.8～1.0 mm時密封圈有較好的密封性能，并且沒有發(fā)生屈服.

3.2密封圈錐角

取接頭內(nèi)套錐角為14.0°，分析密封圈錐角θ為11.0，12.0，12.5，13.0和13.5°時路徑2上的接觸壓力分布情況，結(jié)果見圖11，密封圈von Mises應力計算結(jié)果見表4.由圖11和表4可以看出：θ越大，最大接觸壓力越大，L越大，密封效果越好.結(jié)合管道設計內(nèi)壓24.0 MPa和密封準則，θ的合理范圍應為12.5～13.5°.

圖 11密封圈錐角θ對密封圈路徑2上接觸壓力分布的影響

Fig.11Effect of cone angle θ of sealing ring on contact pressure distribution of sealing ring in path 2

表 4密封圈von Mises應力計算結(jié)果

Tab.4Calculation results of von Mises stress of sealing ring錐角/（°）11.012.012.513.013.5密封圈von Mises應力/MPa845.9844.0724.4701.9710.4

3.3密封圈曲率半徑

分析密封圈曲率半徑R在15～30 mm范圍內(nèi)變化對接頭密封性能的影響.密封圈曲率半徑R計算結(jié)果見表5，R對接觸壓力分布的影響見圖12.由表5和圖12可知：R越小，最大接觸壓力越高，L越大，密封效果越好.結(jié)合管道設計內(nèi)壓24.0 MPa和密封準則，R的合理范圍應為20～25 mm.endprint

表 5密封圈曲率半徑R計算結(jié)果

Tab.5Calculation results of curvature radius R of seal ring曲率半徑/mm15202530密封圈von Mises應力/MPa884.8725.6689.7678.2圖 12密封圈曲率半徑R對接觸壓力分布的影響

Fig.12Effect of curvature radius R on contact pressure distribution of sealing ring

4結(jié)論

對應用于某海域的柔性管道接頭進行結(jié)構(gòu)分析，研究接頭的密封性能在不同加載位移、密封圈錐角、密封圈弧面曲率半徑下的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1）在密封圈的2個密封面中，密封圈與接頭內(nèi)套相接觸的密封面是線面接觸的錐面密封，接觸壓力較高；密封圈與內(nèi)護套相接觸的密封面是面面密封，接觸壓力相對較低，是密封分析的重點.

2）操作狀態(tài)比預緊狀態(tài)的接觸壓力高，密封圈有一定的自緊效應.

3）密封圈的錐角、弧度和加載位移是影響密封性能的主要設計參數(shù).

4）加載位移越大，最大接觸壓力越大，密封面上的初始密封點前移，有效密封長度增大.加載位移合理范圍為0.8～1.0 mm.

5）接頭內(nèi)套錐角為14.0°時，密封圈錐角越大，最大接觸壓力越大，有效密封長度越長，密封效果越好.密封圈錐角的合理范圍為12.5～13.5°.

6）密封圈曲率半徑越小，最大接觸壓力越高，有效密封長度越大，密封效果越好.密封圈曲率半徑合理范圍為20～25 mm.參考文獻：

[1]王野. 海洋非黏結(jié)柔性管道結(jié)構(gòu)設計與分析研究[D]. 大連： 大連理工大學， 2013.

[2]馮利. 懸鏈式單點系泊立管設計技術(shù)研究[D]. 大連： 大連理工大學， 2013.

[3]程耿東. 工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計基礎(chǔ)[M]. 北京： 水利電力出版社， 1984： 112.

[4]ANSI/API RP 17B—2008Recommended practice for flexible pipe[S].

[5]蔡仁良， 顧伯勤， 宋鵬云. 過程裝備密封技術(shù)[M]. 2版. 北京： 化學工業(yè)出版社， 2006： 2830.

[6]余同希， 薛璞. 工程塑性力學[M]. 2版. 北京： 高等教育出版社， 2010： 13.

[7]BUCHTER H H. 工業(yè)密封技術(shù)[M]. 化工部化工設計公司標準組， 譯. 北京： 化學工業(yè)出版社， 1988： 65.

[8]魏龍. 密封技術(shù)[M]. 2版. 北京： 化學工業(yè)出版社， 2010： 7.

[9]付平， 常德功. 密封設計手冊[M]. 北京： 化學工業(yè)出版社， 2009： 2.

[10]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析實例詳解[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2006： 164.

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表 5密封圈曲率半徑R計算結(jié)果

Tab.5Calculation results of curvature radius R of seal ring曲率半徑/mm15202530密封圈von Mises應力/MPa884.8725.6689.7678.2圖 12密封圈曲率半徑R對接觸壓力分布的影響

Fig.12Effect of curvature radius R on contact pressure distribution of sealing ring

4結(jié)論

對應用于某海域的柔性管道接頭進行結(jié)構(gòu)分析，研究接頭的密封性能在不同加載位移、密封圈錐角、密封圈弧面曲率半徑下的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1）在密封圈的2個密封面中，密封圈與接頭內(nèi)套相接觸的密封面是線面接觸的錐面密封，接觸壓力較高；密封圈與內(nèi)護套相接觸的密封面是面面密封，接觸壓力相對較低，是密封分析的重點.

2）操作狀態(tài)比預緊狀態(tài)的接觸壓力高，密封圈有一定的自緊效應.

3）密封圈的錐角、弧度和加載位移是影響密封性能的主要設計參數(shù).

4）加載位移越大，最大接觸壓力越大，密封面上的初始密封點前移，有效密封長度增大.加載位移合理范圍為0.8～1.0 mm.

5）接頭內(nèi)套錐角為14.0°時，密封圈錐角越大，最大接觸壓力越大，有效密封長度越長，密封效果越好.密封圈錐角的合理范圍為12.5～13.5°.

6）密封圈曲率半徑越小，最大接觸壓力越高，有效密封長度越大，密封效果越好.密封圈曲率半徑合理范圍為20～25 mm.參考文獻：

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表 5密封圈曲率半徑R計算結(jié)果

Tab.5Calculation results of curvature radius R of seal ring曲率半徑/mm15202530密封圈von Mises應力/MPa884.8725.6689.7678.2圖 12密封圈曲率半徑R對接觸壓力分布的影響

Fig.12Effect of curvature radius R on contact pressure distribution of sealing ring

4結(jié)論

對應用于某海域的柔性管道接頭進行結(jié)構(gòu)分析，研究接頭的密封性能在不同加載位移、密封圈錐角、密封圈弧面曲率半徑下的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1）在密封圈的2個密封面中，密封圈與接頭內(nèi)套相接觸的密封面是線面接觸的錐面密封，接觸壓力較高；密封圈與內(nèi)護套相接觸的密封面是面面密封，接觸壓力相對較低，是密封分析的重點.

2）操作狀態(tài)比預緊狀態(tài)的接觸壓力高，密封圈有一定的自緊效應.

3）密封圈的錐角、弧度和加載位移是影響密封性能的主要設計參數(shù).

4）加載位移越大，最大接觸壓力越大，密封面上的初始密封點前移，有效密封長度增大.加載位移合理范圍為0.8～1.0 mm.

5）接頭內(nèi)套錐角為14.0°時，密封圈錐角越大，最大接觸壓力越大，有效密封長度越長，密封效果越好.密封圈錐角的合理范圍為12.5～13.5°.

6）密封圈曲率半徑越小，最大接觸壓力越高，有效密封長度越大，密封效果越好.密封圈曲率半徑合理范圍為20～25 mm.參考文獻：

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[10]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析實例詳解[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2006： 164.

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