2. 潍柴重机股份有限公司零部件分公司
2. Parts Branch of Weichai Heavy Machinery Co., Ltd
0 引言
由于大陆架上的石油天然气资源逐渐枯竭，石油和天然气资源的开发走向海洋必将成为主流趋势[1-3]。海底油气管道是油气资源开发的关键设施[4]，高效可靠的管道连接方法是海底采油系统建设的关键所在，其中密封技术在管道连接中发挥着至关重要的作用[5-8]。传统螺栓法兰式连接器操作比较复杂，而且连接前的管道对中比较困难[9]。相较于传统法兰，卡箍式快速连接器是金属与金属硬密封结构，具有体积小、强度大、韧性高、方便拆装、易于维护和适用范围广等优点[10]，因此在工程上得到了广泛应用。
国外金属密封环在结构设计、材料选择、加工精度、公差范围和安装压缩量等方面领先于国内[11]。自1952年问世以来，美国GRAYLOC快速连接器得到了欧美主要石油公司的认可，被大量应用于条件苛刻的工作环境中。经过60余年的快速发展，技术已日臻成熟。国内关于快速连接器金属密封环的研究较少。曾嵘等[12]基于弹性模型对密封环的各参数进行了优化设计。徐国贤等[13]对密封环密封界面的接触问题做了理论研究。
综上所述，关于快速连接器金属密封环密封性能的相关仿真和分析还不够完善。为此，本文基于弹塑性本构模型，利用ABAQUS软件建立了管道快速连接器关键密封结构的二维轴对称有限元模型，分析了其密封建立过程，以及材料屈服强度和几何参数对金属密封环密封性能的影响，所得结果可为海洋管道快速连接器金属密封环的选用和设计提供理论依据。
1 技术分析 1.1 快速连接器工作原理以GRAYLOC经典产品为例。一套GRAYLOC卡兰由2个套节、1个密封环、1对卡箍、4个螺栓以及8个螺母构成(见图 1)。密封环是GRAYLOC的核心，也是本文研究的重点。通过对密封环的几何参数以及套节与密封环之间的相对移动进行分析，研究其密封性能。该结构通过4组螺栓将卡箍、套节、金属密封环依次压紧，套节与金属密封环之间形成金属密封，即卡箍式快速连接密封。
|
| 1—螺栓；2—密封环；3—套节；4—卡箍。 图 1 GRAYLOC成品结构图 Fig.1 GRAYLOC product structure |
卡箍式快速连接器是一种自紧式密封结构，依靠套节斜面挤压金属密封环锥体斜面进行密封。当金属密封环、套节和卡箍安装完成后，金属密封环与两个套节斜面之间形成紧密接触。在预紧工况下，通过紧固螺栓收紧促使套节合拢，双套节向金属密封环移动一定距离，以消除密封环和套节间隙，实现完全接触。在预紧状态下，金属密封环锥体与套节斜面之间形成紧密接触。
为建立良好的初始密封状态，锥体处产生的密封比压要达到金属密封环预紧所需比压。对于低碳钢或低合金钢，我国现行容器标准推荐为线密封比压q=200~300 N/mm[14]。在在位工况下，管道内有流体介质通过，密封环内壁受到内压作用，密封环与套节间的压力进一步增加，实现自紧式密封。与传统法兰密封所不同的是，该密封结构主要承载元件为套节，而非螺栓。这种设计可使金属密封环在360°方向均匀受力。
1.2 金属密封结构的几何参数金属密封结构如图 2所示。金属密封环的锥体斜面倾角为α，套节斜面倾角为β，α小于β。
|
| 图 2 金属密封结构示意图 Fig.2 Structural schematic of the metal seal |
锥体的末端为圆弧，金属密封环的厚度S定义为密封环内壁到圆弧圆心的距离。金属密封环、套节以及卡箍装配好后，忽略重力影响，两个套节底面并未与金属密封环的翼板接触，它们之间存在着微小间隙δ。
1.3 金属密封环和套节的材料属性材料的弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3。参考ABAQUS有限元分析实例详解给出的钢的塑性材料参数[15]，材料塑性属性如表 1所示。
| 塑性应力/MPa | 塑性应变 |
| 418 | 0.000 |
| 500 | 0.016 |
| 695 | 0.056 |
| 829 | 0.150 |
| 908 | 0.350 |
| 932 | 0.550 |
| 988 | 0.750 |
| 1 044 | 0.850 |
1.4 快速连接器结构参数选择
针对直径152.4 mm(6 in)的柔性管道，参照国外相关公司的产品设计，确定快速连接器的结构参数。拟定密封环的厚度、锥体的斜面倾角、套节的斜面倾角以及套节与翼板间的间隙等4个参数，分别为S、α、β以及δ。
斜面倾角α及β直接影响到金属密封环的密封性能和强度。当α和β的差值较小时，金属密封环所受应力水平低，受力状况良好，但是在低压力条件下，密封起始时可靠性低。当α和β的差值较大时，金属密封环所受应力水平高，受力状况较差，但是相比前一种情况，密封的可靠性大大提高。参考CANDU重水反应堆蝶形金属密封环，其中锥面从16°±0.5°逐渐过渡到19°±0.5°[16]，初步拟定α=16°、β=18°作为角度以及角度差值的研究基准。
金属密封环的厚度S会影响密封环在预紧工况下的线密封比压、接触力大小以及应力水平。通过试算，取厚度分别为2.0、2.5、3.0及3.5 mm。由分析可知，当间隙和斜面倾角固定，随着厚度的增大，线密封比压以及Von Mises应力都呈增大趋势。为了使整个结构具有可靠的初始密封性能，要求预紧状态下的线密封比压在规定范围内，初步拟定金属密封环的厚度为2.0 mm。
金属密封环的翼板与上下套节的间隙也会影响密封环的应力水平以及预紧时的线密封比压。间隙增大可以使连接装置的预紧密封可靠性提高，但是安装不便。间隙减小会使预紧时的线密封比压变小，可能导致金属密封环与套节之间没有完全接触，线性密封不完整，即整个密封装置在预紧工况下不能形成有效密封。经过综合考虑，拟定间隙δ=0.3 mm作为初步模型的基准尺寸。
拟定金属密封环和上下套节的关键几何参数如下：金属密封环内径67.5 mm，厚度2 mm，斜面倾角16°；套节斜面倾角18°，密封环的翼板与上下套节的间隙为0.3 mm。
2 有限元分析 2.1 接触设定及网格划分在金属密封环与套节相互接触过程中，接触面存在相对滑移和正压力，因此必须考虑摩擦力的影响[17-18]。将罚函数中的滑动摩擦因数设为0.15[19]，通过罚函数将非线性的接触问题变成非线性的材料问题，从而描述相互接触面的切向行为。接触间的法向行为则用拉格朗日法描述。设定套节斜面为主面，金属密封环斜面为从面，则网格与接触模型效果如图 3所示。
|
| 图 3 网格与接触模型效果图 Fig.3 Grid and contact model |
金属密封环和上下套节均采用准确性较高的四边形网格进行划分，其高质高效的特性能有效缩短计算时间。依据收敛分析，上下套节斜面的单元网格边长为0.1 mm，其他表面的单元网格边长为1 mm。由于金属密封环是本文的重点研究对象，所以取其全部表面上的单元网格边长为0.1 mm。
2.2 边界条件与载荷快速连接器的密封形成包括两个模拟过程，分别是预紧工况和在位工况，因此需要设定两个分析步。在预紧工况下，通过紧固螺栓使卡箍推动套节挤压密封环形成密封。在在位工况下，由于柔性管道内有流体介质流通，所以会给金属密封环内壁施加一个内压。在以往研究中，通过对金属密封环上下锥面尖点施加正压力模拟密封环预紧过程，忽略了螺栓拧紧过程中的正压力变化，与之相比，本文采用的模拟方法更具真实性。因此，在第一个分析步中用位移模拟螺栓的拧紧过程，在第二个分析步中在金属密封环的内壁上施加一个内压为15 MPa的压力载荷，模拟在位工况。快速连接器的边界条件与载荷施加情况如图 4所示。
|
| 图 4 快速连接器边界条件与载荷施加情况 Fig.4 The boundary conditions and loads of the quick connector |
2.3 计算结果分析
图 5是金属密封环和套节在预紧工况和在位工况下的Von Mises应力云图。套节和金属密封环相互挤压，使接触表面发生变形，产生微小的泄漏通道。从图 5可知，密封环与套节整体应力水平处在屈服极限以下，但是密封环尖角处会发生应力集中，产生塑性形变，此处的塑性变形可以填满微小间隙，最终形成有效密封面[20]。
|
| 图 5 不同工况下Von Mises应力云图 Fig.5 Von Mises stress distribution under different working conditions |
金属密封环接触正压力随载荷步的变化曲线如图 6所示。从图 6可见，在预紧工况下金属密封环的接触正压力呈现近似线性增加的趋势，可认为金属密封环和套节接触形式是线接触；在在位工况下，在内部介质的压力作用下，金属密封环与套节的接触更加紧密，因此，金属密封环受到的正压力持续增大，符合自紧式密封的形式。
|
| 图 6 金属密封环接触正压力随载荷步的变化曲线 Fig.6 Effect of load step on the metal seal ring contact positive pressure |
3 金属密封环密封特性分析 3.1 金属密封环密封特性随屈服强度的变化
金属密封环线密封比压随屈服强度的变化曲线如图 7所示。由图 7可知，随着屈服强度的增大，金属密封环的线密封比压先逐渐增大后基本保持不变。当金属密封环的几何参数确定，密封环材料的屈服强度达到一定值以后，屈服强度将不再对其所受线密封比压产生显著影响。
|
| 图 7 金属密封环线密封比压随屈服强度的变化曲线 Fig.7 Effect of yield strength on the line seal specific pressure of the metal seal ring |
线密封比压决定了密封的可靠性，而接触宽度决定了微泄漏通道的长度，介质泄漏量随密封面接触宽度的增加而减小，介质发生泄漏的难度加大[21]。金属密封环接触宽度随屈服强度的变化情况如图 8所示。金属密封环在套节的挤压下发生塑性形变，而发生变形的材料可以填充两个接触面之间的微小泄漏通道，最终形成有效密封面。金属密封环的有效接触宽度就是接触表面发生塑性变形的范围宽度[22]，即应力云图中灰色区域部分。由图 8可知，随着材料屈服强度的增大，接触宽度会越来越小。当屈服强度过小时，密封环大面积出现塑性屈服，这对密封的建立不利；当屈服强度过大时，塑性变形区域会变小，同时会导致有效接触宽度减小。因此，应在工况要求的合理范围内，选择屈服强度合适的材料。
|
| 图 8 金属密封环接触宽度随屈服强度的变化规律 Fig.8 Effect of yield strength on the contact width of metal sealing ring |
3.2 金属密封环密封性能随几何参数的变化
令其他参数不变，改变金属密封环的厚度S、套节斜面与密封环锥体斜面间的角度差(β-α)、密封环翼板和套节之间的间隙，线密封比压随这3个参数的变化规律如图 9所示。金属密封环接触宽度随厚度、角度差及间隙的变化规律如图 10~图 12所示。
|
| 图 9 金属密封环线密封比压随厚度、角度差及间隙的变化规律 Fig.9 Effect of thickness, angle difference and gap on the line seal specific pressure of the metal seal ring |
|
| 图 10 金属密封环接触宽度随厚度的变化规律 Fig.10 Effect of thickness on the contact width of the metal sealing ring |
|
| 图 11 金属密封环接触宽度随角度差的变化规律 Fig.11 Effect of angle difference on the contact width of the metal sealing ring |
|
| 图 12 金属密封环接触宽度随间隙的变化规律 Fig.12 Effect of gap on the contact width of the metal sealing ring |
由图 9可知：随着密封环厚度、角度差和间隙的增大，Von Mises应力逐渐增大，且其值均在460~540 MPa之间，其中套节斜面与密封环锥体斜面间的角度差对Von Mises应力的影响最大，因此可以选择合适的角度差来控制金属密封环的整体应力水平；随着金属密封环厚度、角度差和间隙的增大，线密封比压也逐渐增大。这是因为密封环受到套节的挤压，接触正压力变大。但是在近似相等的应力水平下，随着金属密封环厚度和角度差的增加，线密封比压逐渐增大，变化趋势较小，而随着密封环与套节之间间隙的增大，线密封比压急剧增大，说明安装间隙对密封性能影响较大。因此，可以选择合理的预紧间隙来控制金属密封环的线密封比压。
由图 10可知，随着金属密封环厚度的增加，接触宽度没有明显的变化，密封环的整体受力情况也基本不变，说明厚度对金属密封环的密封性能影响很小。由图 11可知，随着金属密封环锥体斜面倾角与套节斜面倾角间角度差的增大，接触宽度逐渐变大，变化较为缓慢。由图 12可知，随着密封环与套节之间间隙的逐渐增大，接触宽度明显增大，密封环的整体应力水平提高。因此改变预紧间隙可以控制密封环接触宽度，从而达到良好的密封效果。
4 结论本文对海洋管道快速连接器的密封性能进行了有限元模拟分析，研究了金属密封、套节材料屈服强度和几何参数对密封性能的作用机理，得到如下结论。
(1) 金属密封环的接触正压力随着载荷的增加呈双线性增加，密封区域由线性密封过渡到面密封。
(2) 金属密封环线密封比压随屈服强度的提高而增加，当屈服强度达到一定值后，屈服强度将不再对线密封比压产生显著影响。
(3) 密封接触宽度随屈服强度的增大而减小，当屈服强度过小时，密封环大面积处于塑性屈服状态，使密封失效；当屈服强度过大时，密封接触宽度变小，也会导致密封失效，因此要选择屈服强度合适的金属材料。
(4) 随着金属密封环厚度、角度差和间隙的增加，线密封比压逐渐增大，金属密封环的翼板与上下套节间的距离对金属密封环性能影响最大。密封环的厚度对接触宽度影响较小，但随着预紧间隙的增加，密封接触宽度将显著增大，金属密封环的整体应力水平也将发生明显变化。因此，可通过调节安装间隙来控制密封环的整体应力水平，使其达到良好的密封状态。
| [1] |
牟永春, 李志彪, 袁玉堂, 等. 关于深海工程技术研究几个问题的探讨[J]. 石油工程建设, 2008, 34(6): 26-29. MOU Y C, LI Z B, YUAN Y T, et al. Discussion on several issues of deep sea engineering technology research[J]. Petroleum Engineering Construction, 2008, 34(6): 26-29. DOI:10.3969/j.issn.1001-2206.2008.06.008 |
| [2] |
赵金洲, 周守为, 张烈辉, 等. 世界首个海洋天然气水合物固态流化开采大型物理模拟实验系统[J]. 天然气工业, 2017, 37(9): 15-22. ZHAO J Z, ZHOU S W, ZHANG L H, et al. The first global physical simulation experimental systems for the exploitation of marine natural gas hydrates through solid fluidization[J]. Natural Gas Industry, 2017, 37(9): 15-22. |
| [3] |
魏纳, 赵金洲, 孙万通, 等. 固态流化采掘海洋天然气水合物藏的多相非平衡管流特征[J]. 天然气工业, 2018, 38(10): 90-99. WEI N, ZHAO J Z, SUN W T, et al. Non-equilibrium multiphase wellbore flow characteristics in solid fluidization exploitation of marine gas hydrate reservoirs[J]. Natural Gas Industry, 2018, 38(10): 90-99. DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2018.10.013 |
| [4] |
张媛.水下卡箍式连接器样机设计及密封性能研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2014. ZHANG Y. Research on the machine design and sealing performance of underwater clamp connector[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2014. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10217-1017245834.htm |
| [5] |
侯超, 肖文生, 刘健, 等. 水下井口系统密封技术研究和发展现状[J]. 润滑与密封, 2015, 40(1): 110-114. HOU C, XIAO W S, LIU J, et al. Review on subsea well system sealing technology research[J]. Lubrication Engineering, 2015, 40(1): 110-114. DOI:10.3969/j.issn.0254-0150.2015.01.024 |
| [6] |
高永华, 陈钦伟, 刘华伟, 等. 海上油田分层开采压力膨胀式插入密封技术[J]. 石油钻采工艺, 2018, 40(2): 205-209. GAO Y H, CHEN Q W, LIU H W, et al. Pressure expansion insert seal technology for separate zone production in offshore oilfield[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2018, 40(2): 205-209. |
| [7] |
宋正聪, 李青, 高珊珊, 等. 不压井更换光杆密封装置的研制与应用[J]. 钻采工艺, 2017, 40(1): 86-87. SONG Z C, LI Q, GAO S S, et al. Development and application of a rod sealing device demanding no well killing for replacement[J]. Drilling & Production Technology, 2017, 40(1): 86-87. DOI:10.3969/J.ISSN.1006-768X.2017.01.24 |
| [8] |
杨登波, 刘强, 陈锋, 等. 带压作业三级注脂电缆动密封技术分析研究及应用[J]. 钻采工艺, 2018, 41(4): 59-62. YANG D B, LIU Q, CHEN F, et al. Analysis of dynamic sealing of tri-stage grease injection cable in snubbing operations and application[J]. Drilling & Production Technology, 2018, 41(4): 59-62. DOI:10.3969/J.ISSN.1006-768X.2018.04.19 |
| [9] |
董衍辉, 段梦兰, 王金龙, 等. 深水水下连接器的对比与选择[J]. 石油矿场机械, 2012, 41(4): 6-12. DONG Y H, DUAN M L, WANG J L, et al. Comparison and selection of deepwater subsea connectors[J]. Oil Field Equipment, 2012, 41(4): 6-12. DOI:10.3969/j.issn.1001-3482.2012.04.002 |
| [10] |
战洪峰, 付恒, 刘磊. GRAYLOC法兰拆装技术[J]. 石油工程建设, 2014, 40(5): 50-52. ZHAN H F, FU H, LIU L. GRAYLOC flange assembly and disassembly techniques[J]. Petroleum Engineering Construction, 2014, 40(5): 50-52. DOI:10.3969/j.issn.1001-2206.2014.05.013 |
| [11] |
强彦龙, 吴建华, 李世民, 等. 国外井口密封技术现状:金属密封[J]. 石油机械, 2014, 42(1): 32-36. QIANG Y L, WU J H, LI S M, et al. Current status of foreign wellhead sealing technology:metal seal[J]. China Petroleum Machinery, 2014, 42(1): 32-36. DOI:10.3969/j.issn.1001-4578.2014.01.008 |
| [12] |
曾嵘, 罗友高, 刘刚.金属唇形密封设计与研究[C]//压力容器设计技术研究: 第七届全国压力容器设计学术会议暨第七届中国机械工程学会压力容器分会设计委员会委员会议论文集.北京: 中国机械工程学会, 2010. ZENG R, LUO Y G, LIU G. Design and research of the labiate metallic seal-ring[C]//Research on Pressure Vessel Design Technology: The 7th National Conference on Pressure Vessel Design and the Proposal of the 7th China Mechanical Engineering Society Pressure Vessel Branch Design Committee Committee Proceedings. Beijing: CMES, 2010. |
| [13] |
徐国贤, 索双富, 丁军, 等. 自紧式金属密封环密封界面接触问题研究[J]. 科技视界, 2014(4): 5-6. XU G X, SUO S F, DING J, et al. Research on contact problem of self-tightening metal seal ring sealing interface[J]. Science & Technology Vision, 2014(4): 5-6. |
| [14] |
丁伯民, 黄正林. 化工设备设计全书:高压容器[M]. 北京: 化学工业出版社, 2003. DING B M, HUANG Z L. Chemical equipment design book:high pressure vessel[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2003. |
| [15] |
石亦平, 周玉蓉. ABAQUS有限元分析实例详解[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006. SHI Y P, ZHOU Y R. ABAQUS finite element detailed analysis example[M]. Beijing: Mechanical Industry Press, 2006. |
| [16] |
张春东. CANDU重水反应堆压力管GRAYLOC密封性能研究[D].杭州: 浙江工业大学, 2012. ZHANG C D. Study on the performance of GRAYLOC seals for CANDU reactor pressure tubes[D]. Hangzhou: Zhejiang University of Technology, 2012. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10337-1013146539.htm |
| [17] |
王川, 朱宏武. 螺栓连接式水下井口连接器结构性能分析[J]. 石油机械, 2013, 41(12): 48-52. WANG C, ZHU H W. Structural property of bolted connection underwater wellhead connector[J]. China Petroleum Machinery, 2013, 41(12): 48-52. |
| [18] |
王建军, 孙建华, 高进伟, 等. 拉压交变载荷下螺纹接头密封面接触压力分析[J]. 石油机械, 2018, 46(12): 111-116. WANG J J, SUN J H, GAO J W, et al. Seal-surface contact stress analysis of the connection under tension-compression alternating load[J]. China Petroleum Machinery, 2018, 46(12): 111-116. |
| [19] |
李志刚, 运飞宏, 姜瑛, 等. 水下连接器密封性能分析及实验研究[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2015, 36(3): 389-393. LI Z G, YUN F H, JIANG Y, et al. Analysis and experimental study of subsea connector's seal performance[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2015, 36(3): 389-393. |
| [20] |
付创业.卡压式机械连接器密封性能及安装技术研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2013. FU C Y.Reasearch of press-fitting type pipeline mech-anical connector sealing performance and installation techniques[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2013. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10217-1014133855.htm |
| [21] |
贾晓红, 陈华明, 励行根, 等. 金属C形环力学性能及密封特性分析[J]. 润滑与密封, 2014, 39(11): 1-5. JIA X H, CHEN H M, LI X G, et al. Analysis on the mechanical and sealing properties of metal C ring[J]. Lubrication Engineering, 2014, 39(11): 1-5. DOI:10.3969/j.issn.0254-0150.2014.011.001 |
| [22] |
安少军.深水海底管道套筒连接器密封接触特性研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2012. AN S J. Research on sealing and contact characteristics of deepwater subsea pipepline collet connector[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2012. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10217-1012517661.htm |