馮春宇，錢齊，徐明軍，楊忠武，謝齊

(1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610599；2.塔里木油田分公司克拉采油氣管理區(qū)， 新疆庫爾勒 841000；3.中電錦江信息產(chǎn)業(yè)有限公司，四川成都 610051)

Y形密封圈由于其優(yōu)異的密封性能在天然氣采集設(shè)備上被廣泛使用。地底天然氣開采出來之后壓力高達(dá)120 MPa，此時(shí)需要節(jié)流閥進(jìn)行降壓節(jié)流，因此節(jié)流閥密封使用的Y形密封圈要求能在高低溫、高壓環(huán)境下穩(wěn)定工作[1-2]。TOK等[3]研究表明，當(dāng)Y形密封圈唇形密封偏心率增大，且唇厚值增大時(shí)，摩擦力矩也隨之增大。崔凱波等[4]利用ABAQUS軟件對(duì)Y形環(huán)橡膠密封在可變液壓作用下的Mises應(yīng)力、密封環(huán)變形和接觸壓力等性能進(jìn)行仿真分析，對(duì)研究和掌握Y形密封圈的壽命規(guī)律具有一定參考價(jià)值。DONG等[5]的研究表明，封隔器橡膠的密封性能和強(qiáng)度特性受溫度的影響很大，且Yeoh模型是更適合描述封隔器管高溫材料的本構(gòu)模型。SANG等[6]的研究表明，密封件的中間接觸區(qū)存在著最大接觸應(yīng)力，隨著外界壓力的增加，最大接觸應(yīng)力和接觸寬度有明顯的增加。

但是目前國內(nèi)外針對(duì)井場(chǎng)復(fù)雜工況下密封件的研究與分析較少。本文作者對(duì)PTFE及其改性材料Y形密封圈在高壓、高低溫工況下的性能進(jìn)行了有限元分析；在ISIGHT中選用最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)對(duì)密封圈的唇前角、唇后角、寬度、基體高度、唇尖高度5個(gè)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，擬合了尺寸與目標(biāo)函數(shù)的二次響應(yīng)曲面，選擇多島遺傳算法，對(duì)Y形密封圈5個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；最后將加工的試件進(jìn)行PR2實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析結(jié)果。

1 節(jié)流閥結(jié)構(gòu)及密封材料

1.1 節(jié)流閥結(jié)構(gòu)

天然氣設(shè)備中的節(jié)流閥結(jié)構(gòu)如圖 1所示。文中研究的Y形圈密封是靜密封，主要安裝在底座和閥體之間，防止井口高壓天然氣不經(jīng)過節(jié)流直接從底座與閥體之間的間隙流入節(jié)流閥出口，保護(hù)下游管線。Y形密封圈的溫度工況選擇-46～180 ℃，壓力級(jí)別按照140 MPa(20 000 psi)設(shè)計(jì)。

1.2 密封材料

聚四氟乙烯(PTFE)是一種高分子工程塑料，化學(xué)穩(wěn)定性高，使用溫度范圍寬，摩擦因數(shù)低，且具有優(yōu)異的耐老化和耐輻射性能、極好的熱穩(wěn)定性[7]。但PTFE也存在強(qiáng)度不夠，膨脹系數(shù)過大，再加工困難等問題。因此采用高溫強(qiáng)度好、具有較高的斷裂韌性、抗疲勞性能和抗蠕變性能的碳纖維[8]，以及導(dǎo)熱性好、模量高、拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度高、斷裂伸長率低、熱穩(wěn)定性好、價(jià)格低廉的玻璃纖維[9]，對(duì)其進(jìn)行了改性。

圖1 節(jié)流閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Throttle valve internal structure

文中選擇PTFE+5%碳纖維(5C-PTFE)、PTFE+5%碳纖維+5%玻璃纖維(5C5G-PTFE)、PTFE+10%碳纖維(10C-PTFE)、PTFE+10%碳纖維+10%玻璃纖維(10C10G-PTFE)4種改性材料開展研究。

2 Y形密封圈數(shù)值仿真

2.1 Neo-Hooke本構(gòu)模型

由單軸拉伸試驗(yàn)得到不同溫度下4種材料的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，代入有限元軟件的Evaluate模塊對(duì)4種材料進(jìn)行評(píng)估[10]。選取Neo-Hooke模型作為PTFE及其改性材料在不同溫度下的本構(gòu)模型。Neo-Hooke模型是Yeoh模型的一個(gè)簡(jiǎn)化的減縮多項(xiàng)式超彈性模型[11]，該模型應(yīng)變能表示為

W=C10(I1-3)

(1)

式中：C10為Yeoh模型系數(shù)；I1為第一應(yīng)變張量不變量。

Neo-Hooke模型在小應(yīng)變和中等應(yīng)變情況下具有良好的穩(wěn)定性，并且可用來預(yù)測(cè)其他變形方式下的曲線[12]。表1給出了3種溫度下由ABAQUS計(jì)算出的材料參數(shù)。

表1 各材料Neo-Hooke模型參數(shù)單位：MPa

2.2 Y形密封圈靜態(tài)性能模擬分析

底座處密封有限元模型如圖2所示。

圖2 底座處密封有限元模型Fig.2 Finite element model of the seal at the base

對(duì)建立的有限元模型作如下假設(shè)：

(1)將密封結(jié)構(gòu)看作理想的完全軸對(duì)稱模型；

(2)不考慮密封材料蠕變的影響，不考慮密封圈內(nèi)彈簧的影響[13]。

Y形密封圈的靜態(tài)性能模擬步驟為：

(1)模擬Y形密封圈裝配過程，對(duì)底座進(jìn)行全約束，給閥體一定的軸向位移；

(2)模擬加壓過程，在密封唇口部位施加目標(biāo)壓力140 MPa，施加壓力時(shí)選擇平滑分析步施加壓力。

圖3(a)所示是Y形密封圈加壓示意圖。彈簧蓄能密封圈的有效密封部位是Y形圈的唇口，所以文中著重討論過盈量、唇前角、唇后角的影響[14]。

Y形密封圈的網(wǎng)格單元類型為CAX4RH，如圖3(b)所示，即單元屬性是四結(jié)點(diǎn)雙線性軸對(duì)稱四邊形單元、雜交、常壓力、減縮積分及沙漏控制。

圖3 彈簧蓄能密封加壓示意(a)和Y形密封網(wǎng)格劃分(b)Fig.3 Schematic of spring energized seal pressurization(a) and grid of Y-shaped seal(b)

2.3 Y形密封圈性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

Y形密封圈在密封溝槽的間隙會(huì)產(chǎn)生剪切應(yīng)力，當(dāng)剪切應(yīng)力過大時(shí)會(huì)造成Y形密封圈的剪切破壞，引起密封失效。von Mises應(yīng)力是基于剪切應(yīng)變能的一種等效應(yīng)力[15]，可以作為評(píng)價(jià)Y形密封的抗破壞性能指標(biāo)。當(dāng)密封面接觸壓力大于其工作介質(zhì)壓力時(shí)，密封圈實(shí)現(xiàn)密封，即Y形密封圈起密封作用的條件是其最大接觸壓力值必須大于流體壓力值。文中按圖 4所示的內(nèi)唇路徑提取內(nèi)唇邊接觸應(yīng)力值。故Y形密封圈應(yīng)同時(shí)滿足von Mises應(yīng)力和內(nèi)唇邊最大接觸應(yīng)力約束條件。

圖4 內(nèi)唇取值路徑Fig.4 The value path of inner lip

2.4 過盈量對(duì)密封性能的影響

為了獲得初始密封效果，在設(shè)計(jì)Y形密封圈時(shí)，內(nèi)外唇都會(huì)設(shè)計(jì)有一定的過盈量。密封圈進(jìn)入密封溝槽后，內(nèi)外唇口與溝槽邊相擠壓，產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，達(dá)到密封的效果，Y形密封圈的唇口過盈量δ如圖 5所示。過盈量δ過小，密封唇口與接觸面預(yù)緊力小，無法滿足高壓密封；δ值過大，會(huì)導(dǎo)致密封面之間摩擦增大，縮減使用壽命。為保證該密封件的密封性能和使用壽命要求，文中分別選取過盈量δ為0.10、0.15、0.20、0.25 mm進(jìn)行有限元分析。

圖5 唇口結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.5 Lip structure parameters

圖6示出了不同唇口過盈量下Y形密封圈的von Mises應(yīng)力分布?？芍?，同一溫度相同材料的最小von Mises應(yīng)力隨δ的增大而減小，表明采用較大過盈量有利于降低von Mises應(yīng)力；同一過盈量相同溫度下，von Mises應(yīng)力值隨碳纖維的含量增加而增加，即PTFE、5C-PTFE及10C-PTFE材料的von Mises應(yīng)力依次增加，在添加與碳纖維相同比例的玻璃纖維后，最大Mises應(yīng)力值有所下降。

圖6 不同唇口過盈量下Y形密封圈的von Mises應(yīng)力Fig.6 Von Mises stress of Y-rings at different lip interference：(a)normal temperature；(b)-46 ℃；(c)180 ℃

圖 7示出了不同唇口過盈量下Y形密封圈內(nèi)唇最大接觸應(yīng)力分布?？芍?，內(nèi)唇最大接觸應(yīng)力隨過盈量的增加而增大，這是因?yàn)榇娇谶^盈量越大，唇口產(chǎn)生的過盈力越大，在相同壓力下產(chǎn)生的接觸應(yīng)力就越大。工作介質(zhì)壓力為140 MPa，因此當(dāng)過盈量δ為0.20、0.25 mm時(shí)，能同時(shí)滿足3種溫度下的密封材料是5C-PTFE、10C-PTFE。

圖7 不同唇口過盈量下Y形密封圈的內(nèi)唇最大接觸應(yīng)力Fig.7 Maximum contact stress of the inner lip of Y-rings at different lip interference：(a)normal temperature；(b)-46 ℃；(c)180 ℃

在滿足密封要求的前提下，各材料密封件在受140 MPa壓力后，密封件的最大Mises應(yīng)力均比相應(yīng)材料的拉斷應(yīng)力小，滿足強(qiáng)度要求。因唇口過盈量δ值過大時(shí)密封圈安裝不易，在受壓時(shí)唇口不易撐開；另外，初始過盈量過大將導(dǎo)致密封唇口與活動(dòng)接觸面間的摩擦力增大，唇口部位易磨損，導(dǎo)致密封圈使用壽命縮短，故在選擇唇口過盈量時(shí)優(yōu)先選擇δ=0.20 mm。

2.5 唇前角對(duì)密封性能的影響

Y形密封圈油側(cè)角b又稱唇前角，是密封圈和天然氣相連通的部分與軸之間的夾角；空氣側(cè)角a又稱唇后角，是密封圈和空氣側(cè)相連通的部分與軸之間的夾角，如圖 5所示。

在保證過盈量δ=0.20 mm和唇后角不變的前提下，選取不同唇前角進(jìn)行數(shù)值分析。其中唇前角取b=71°～79°，增量取2°。

圖8和圖9分別示出了不同唇前角下Y形密封圈的von Mises應(yīng)力和內(nèi)唇最大接觸應(yīng)力?？梢?，PTFE及其改性材料密封件von Mises應(yīng)力和內(nèi)唇最大接觸應(yīng)力均隨唇前角b的增大先增大后減小。當(dāng)b=75°時(shí)，內(nèi)唇最大接觸應(yīng)力最大，此時(shí)能同時(shí)滿足抗破壞性能要求和密封性能要求的密封材料是10C-PTFE。

圖8 不同唇前角下Y形密封圈的von Mises應(yīng)力Fig.8 Von Mises stress of Y-rings under different lip angles：(a)normal temperature；(b)-46 ℃；(c)180 ℃

圖9 不同唇前角下Y形密封圈的內(nèi)唇最大接觸應(yīng)力Fig.9 Maximum contact stress of the inner lip of Y-rings with different lip angles：(a)normal temperature；(b)-46 ℃；(c)180 ℃

2.6 唇后角對(duì)密封性能的影響

當(dāng)δ=0.20 mm和唇前角b=75°時(shí)，選取不同唇后角進(jìn)行數(shù)值分析。其中唇后角取a=8°～16°，增量取2°。

圖10和圖11分別示出了不同唇后角下Y形密封圈的von Mises應(yīng)力和內(nèi)唇最大接觸應(yīng)力。可知，各材料最大Mises應(yīng)力隨密封件唇后角a增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，內(nèi)唇的最大接觸應(yīng)力均隨唇后角的增大而增大，當(dāng)a=14°和a=16°時(shí)，除PTFE外其余改性材料密封件均能夠在3種溫度下同時(shí)滿足抗破壞性能要求和密封性能要求。

圖10 不同唇后角下Y形密封圈的von Mises應(yīng)力Fig.10 Von Mises stress of Y-rings under different lip back angles：(a)normal temperature；(b)-46 ℃；(c)180 ℃

圖11 不同唇后角下Y形密封圈的內(nèi)唇最大接觸應(yīng)力Fig.11 Maximum contact stress of the inner lip of Y-rings at different lip back angles：(a)normal temperature；(b)-46 ℃；(c)180 ℃

3 Y形密封圈靈敏度分析及尺寸優(yōu)化

3.1 Y形密封圈性能優(yōu)化建模

圖12所示是Y形密封圈參數(shù)化建模過程中的參數(shù)化模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)首先需要確定Y形密封的設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖12 Y形圈參數(shù)化模型Fig.12 Parametric model of Y-ring

根據(jù)Y形密封結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封性能影響的分析，確定Y形密封主唇部分的相關(guān)幾何尺寸是設(shè)計(jì)變量。根據(jù)盡量增大主唇口的接觸壓力、盡量保證唇形密封圈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的原則下，選取唇前角b，唇后角a，寬度w以及基體高度ha和唇尖高度hc5個(gè)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。因此，用于Y形密封圈的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型表述如下。

(1)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)：

表2給出了5個(gè)參數(shù)的取值。將Y形密封圈的結(jié)構(gòu)變量尺寸用向量表示為

X=[a，b，w，ha，hc]T

(2)

(2)約束條件

Y形密封圈最大von Mises應(yīng)力是25.82 MPa，內(nèi)唇接觸區(qū)接觸應(yīng)力均要大于140 MPa，因此約束條件需要滿足式(3)。

(3)

式中：σmax為最大von Mises應(yīng)力；pc為內(nèi)唇的最大接觸應(yīng)力。

表2 Y形密封圈設(shè)計(jì)變量參數(shù)

(3)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

在約束條件下，Y形密封圈的結(jié)構(gòu)尺寸，達(dá)到Y(jié)形密封圈密封140 MPa(20 000 psi)的設(shè)計(jì)要求，得到優(yōu)化結(jié)果。因此，Y形密封圈的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

(4)

3.2 密封圈靈敏度分析

通過靈敏度分析，首先確定對(duì)密封結(jié)構(gòu)影響較大的幾何參數(shù)，然后對(duì)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，從而進(jìn)一步提高結(jié)果質(zhì)量。分析靈敏度r的定義如下：

(5)

將1 500個(gè)試驗(yàn)樣本進(jìn)行計(jì)算可以得到不同設(shè)計(jì)變量對(duì)密封性能指標(biāo)參數(shù)的影響程度。計(jì)算結(jié)果中，有977組樣本不能完成Y形密封圈的建模，523組樣本能夠完成整個(gè)流程的計(jì)算。

圖13示出了Y形密封圈最大von Mises應(yīng)力主效應(yīng)。可見，Y形密封圈的寬度對(duì)靜密封時(shí)的最大von Mises應(yīng)力影響最大，寬度由低水平到高水平過程中最大Mises應(yīng)力呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)；其余4個(gè)設(shè)計(jì)變量由低水平到高水平過程中最大Mises應(yīng)力值變化幅度不大，對(duì)最大Mises應(yīng)力影響較小。

圖13 Y形密封圈最大von Mises應(yīng)力主效應(yīng)(1代表 低水平，2代表高水平)Fig.13 Maximum von Mises stress main effect of Y-rings (1 for low level，2 for high level)

圖14示出了閥桿靜止時(shí)Y形密封圈內(nèi)唇邊最大接觸應(yīng)力主效應(yīng)?？梢姡琘形密封圈的寬度對(duì)靜密封內(nèi)唇邊最大接觸應(yīng)力影響最大，寬度由低水平到高水平過程中內(nèi)唇邊最大接觸應(yīng)力呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；唇后角由低水平到高水平過程中內(nèi)唇邊最大接觸應(yīng)力呈現(xiàn)線性增加的趨勢(shì)；基體高度由低水平到高水平過程中內(nèi)唇邊最大接觸應(yīng)力呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；唇前角和唇尖高度由低水平到高水平過程中內(nèi)唇邊最大接觸應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，但變化不大。

圖14 閥桿靜止時(shí)Y形密封圈內(nèi)唇邊最大接觸應(yīng)力主效應(yīng)Fig.14 Main effect of the maximum contact stress on the inner lip of the Y-ring when the stem is stationary

圖15示出了密封圈最大von Mises應(yīng)力靈敏度，藍(lán)色代表靈敏度為正，表示目標(biāo)函數(shù)值隨優(yōu)化尺寸增大而增大；紅色靈敏度為負(fù)，表示目標(biāo)函數(shù)值隨優(yōu)化尺寸增大而減小。可知，各優(yōu)化尺寸對(duì)于靜密封時(shí)最大Mises應(yīng)力的影響順序?yàn)椋簑>hc>a>b>ha。

圖15 密封圈最大von Mises應(yīng)力靈敏度(藍(lán)色表示 正效應(yīng)，紅色表示負(fù)效應(yīng))

圖16示出了密封圈內(nèi)唇邊最大接觸應(yīng)力靈敏度。可看出，各優(yōu)化尺寸對(duì)于靜密封時(shí)最大接觸應(yīng)力的影響順序?yàn)椋簑>a>ha>hc>b。

綜上，在設(shè)計(jì)Y形密封圈時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)考慮密封圈基體寬度w、基體高度ha和唇尖高度hc的尺寸對(duì)密封圈性能的影響。

基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用響應(yīng)面模型函數(shù)可以分析建立這些變量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，從而進(jìn)一步預(yù)測(cè)性能。文中選取二階響應(yīng)面模型來擬合Y形密封圈的近似模型，如式(6)所示。二階響應(yīng)面模型需要[(N+1)(N+2)]/2次精確分析，根據(jù)輸入樣本點(diǎn)去擬合a0、bi、cij、di。

(6)

結(jié)合圖15和圖16的結(jié)論可以得到，對(duì)Y形密封圈最大Mises應(yīng)力及內(nèi)唇接觸應(yīng)力貢獻(xiàn)度最大的是寬度w及基體高度ha的尺寸。圖 17、圖 18所示是這2個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)的響應(yīng)面。

圖16 密封圈內(nèi)唇邊最大接觸應(yīng)力靈敏度(藍(lán)色 表示正效應(yīng)，紅色表示負(fù)效應(yīng))Fig.16 Maximum contact stress sensitivity of the maximum contact stress of the inner lip of sealing ring(blue represents positive effects，red represents negative effects)

圖17 密封圈寬度及基體高度對(duì)von Mises應(yīng)力響應(yīng)面Fig.17 Response surface of sealing ring width and substrate height to the maximum von Mises stress

圖18 密封圈寬度及基體高度對(duì)內(nèi)唇邊最大接觸應(yīng)力響應(yīng)面Fig.18 Response surface of sealing ring width and substrate height to the maximum contact stress on the inner lip

3.3 基于多島遺傳算法的尺寸優(yōu)化

遺傳算法是一種參考自然界的遺傳機(jī)制和自然選擇特點(diǎn)而構(gòu)造出的隨機(jī)化搜索方法[17]。遺傳算法尋找最優(yōu)解時(shí)，優(yōu)化問題的解被稱之為“個(gè)體”，一定數(shù)目的“個(gè)體”可以組成一個(gè)“種群”。在進(jìn)行優(yōu)化解算時(shí)，種群里的每一個(gè)個(gè)體都會(huì)被系統(tǒng)評(píng)價(jià)，并通過計(jì)算適應(yīng)度函數(shù)得到一定的適應(yīng)度值，種群中的個(gè)體按照適應(yīng)度值排序，適應(yīng)度值高的排在前面。

文中多島遺傳算法參數(shù)設(shè)置如下：種群規(guī)模設(shè)定為100，島數(shù)設(shè)定為10，進(jìn)化代數(shù)設(shè)定為20，多島遺傳的運(yùn)算總次數(shù)為三者乘積，一共為20 000次，島與島之間的交叉概率Pc=0.8，變異概率為Pm=0.01，遷徙概率設(shè)為0.01，島與島之間的遷徙間隔代數(shù)設(shè)定為5。經(jīng)過19 971次迭代計(jì)算后收斂，可以得到圖19和圖20所示目標(biāo)函數(shù)的歷史尋優(yōu)過程。歷史進(jìn)化過程圖中，黑色點(diǎn)代表Y形密封圈優(yōu)化搜索求解過程中的交叉解，藍(lán)色的點(diǎn)代表非劣質(zhì)解，紅色點(diǎn)代表劣質(zhì)解，綠色的點(diǎn)代表Y形密封圈優(yōu)化問題的最優(yōu)解。

圖19 密封圈最大von Mises應(yīng)力尋優(yōu)歷程(黑色點(diǎn)代表交叉解，藍(lán)色點(diǎn)代表非劣質(zhì)解，紅色點(diǎn)代表劣質(zhì)解，綠色點(diǎn)代表最優(yōu)解)Fig.19 Optimization process of maximum von Mises stress of the sealing ring (Black dots represent cross solutions，blue dots represent non inferior solutions，red dots represent inferior solutions，and green dots represent optimal solutions)

圖20 密封圈內(nèi)唇邊最大接觸應(yīng)力尋優(yōu)歷程(黑色點(diǎn)代表交叉解，藍(lán)色點(diǎn)代表非劣質(zhì)解，紅色點(diǎn)代表劣質(zhì)解，綠色點(diǎn)最優(yōu)解)Fig.20 Optimization process of maximum contact stress in the inner lip of the sealing ring (Black dots represent cross solutions，blue dots represent non inferior solutions，red dots represent inferior solutions，and green dots represent optimal solutions)

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后得到的設(shè)計(jì)變量最優(yōu)值如表 3所示。優(yōu)化后的Y形密封圈最大von Mises應(yīng)力值在3種溫度下均小于10C-PTFE材料的拉伸強(qiáng)度，靜密封時(shí)von Mises應(yīng)力優(yōu)化后下降了4.575 MPa；靜密封時(shí)內(nèi)唇邊最大接觸應(yīng)力值增加了0.945 MPa。優(yōu)化后密封圈的von Mises應(yīng)力值有所下降，可以一定程度上提高使用壽命，同時(shí)內(nèi)唇接觸應(yīng)力值有所提高，提高了密封能力。

4 Y形密封圈密封性能試驗(yàn)

根據(jù)前文分析的結(jié)果，采用10C-PTFE材料，按表3所示尺寸參數(shù)制備了Y形密封圈，并進(jìn)行了密封試驗(yàn)。設(shè)計(jì)的工裝如圖 21所示，進(jìn)行PR2測(cè)試的試壓工作。Y形密封圈安裝在圖 21中的位置1、2、3處。

表3 設(shè)計(jì)變量最優(yōu)值Tab.3 Optimal value of design variables

PR2性能測(cè)試除了靜壓力測(cè)試、壓力循環(huán)測(cè)試、溫度循環(huán)測(cè)試，還包括承載載荷循環(huán)測(cè)試、操作力循環(huán)測(cè)試、操作力矩循環(huán)測(cè)試等。

節(jié)流閥先按照API6A規(guī)定進(jìn)行壓力測(cè)試：

(1)首先將壓力從0升壓至試驗(yàn)壓力207.0 MPa保壓3 min，再將閥門完全開啟使壓力降至0，升壓至試驗(yàn)壓力207.0 MP保壓3 min，在保壓期間觀測(cè)到的壓力變化應(yīng)小于3.45 MPa，且在保壓期間應(yīng)無可見滲漏。

圖21 氣密封工裝(Y形密封圈安裝在1，2，3處)Fig.21 Airtight sealing tooling(Y-ring installed in 1，2，3)

(2)閥門部分開啟，升壓至額定工作壓力138.0 MPa，保壓3 min。在保壓期間觀測(cè)到的壓力變化應(yīng)小于3.45 MPa，且在保壓期間應(yīng)無可見滲漏。

節(jié)流閥壓力測(cè)試合格后，按照API6A的試驗(yàn)方法，進(jìn)行PR2試驗(yàn)，試驗(yàn)流程如下：

(1)室溫下160次帶壓開、關(guān)循環(huán)試驗(yàn)：閥桿在額定工作壓力138.0 MPa下至少進(jìn)行160次開關(guān)循環(huán)，測(cè)量和記錄在循環(huán)開始及結(jié)束時(shí)的開啟扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩應(yīng)小于等于200 N·m。

(2)最高溫度和最低溫度下的20次帶壓開、關(guān)循環(huán)試驗(yàn)：在180～191 ℃和-57～-46 ℃下，用氣體作為試驗(yàn)介質(zhì)，重復(fù)“室溫下的開/關(guān)循環(huán)動(dòng)態(tài)壓力試驗(yàn)”的試驗(yàn)方法和要求，進(jìn)行閥桿“開-關(guān)-開”循環(huán)20次動(dòng)態(tài)循環(huán)試驗(yàn)。測(cè)量和記錄在循環(huán)開始及結(jié)束時(shí)的開啟扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩應(yīng)小于等于350 N·m。

(3)進(jìn)行氣壓試驗(yàn)，閥應(yīng)為部分開啟狀態(tài)。先在額定工作壓力138.0 MPa下保壓960 s，再在5%～10%的額定工作壓力2 MPa下保壓960 s，試驗(yàn)后不釋放壓力，在保壓期間應(yīng)無可見連續(xù)氣泡。若觀測(cè)到滲漏，則在大氣壓下觀測(cè)得到的滲漏量。在規(guī)定的保壓期間閥桿密封滲漏量應(yīng)小于60 mL/h，靜密封滲漏量應(yīng)小于(閥蓋密封、端部連接)20 mL/h。

試驗(yàn)的節(jié)流閥Y形密封圈通過了PR2試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中壓力變化曲線如圖22所示，并取得合格的檢驗(yàn)報(bào)告。

圖22 壓力變化曲線Fig.22 Pressure change curves：(a)normal temperature； (b)-46 ℃；(c)180 ℃

5 結(jié)論

(1)由PTFE及其改性材料制備的Y形密封圈，在過盈量0.10～0.25 mm范圍內(nèi)，最大von Mises應(yīng)力隨唇口過盈量增加而減?。辉诖角敖?1°～79°范圍內(nèi)，最大von Mises應(yīng)力隨唇前角的增大先增加后減小，在唇前角為75°時(shí)von Mises應(yīng)力有最大值；在唇后角8°～16°范圍內(nèi)，最大von Mises隨唇后角的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在唇后角為14°時(shí)von Mises應(yīng)力有最大值。

(2)Y形密封圈內(nèi)唇最大接觸應(yīng)力隨唇口過盈量的增加而增大，隨唇前角的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在唇前角為75°時(shí)內(nèi)唇最大接觸應(yīng)力有最大值；內(nèi)唇最大接觸應(yīng)力隨唇后角的增加而增大。制備的10C-PTFE材料能夠滿足閥桿處靜密封要求。

(3)密封圈基體寬度w、基體高度ha和唇尖高度hc的尺寸對(duì)密封圈性能的影響較大，最優(yōu)尺寸為w=3.05 mm，ha=3.55 mm，hc=1.50 mm。

(4)按照優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)制造了密封圈，并完成了節(jié)流閥的PR2試驗(yàn)。