2. 南阳二机石油装备(集团)股份有限公司
2. RG Petro-Machinery (Group) Co., Ltd
0 引言
水下连接器是深水油气开采的重要装备，其密封性能直接影响着水下生产系统的稳定性与可靠性，分析并获得连接器真实的密封特性可为其安全应用提供参考。目前，人们主要通过理论计算[1]或者试验分析[2-3]的方式对预紧和生产工况下金属密封件接触应力随载荷变化的趋势进行分析，并通过有限元仿真软件对分析结果进行验证[4]。为提高水下连接器密封特性分析结果的准确性，文献[5]充分考虑预紧、生产、完井和修井工况下连接器的工况特点，对相应工况下的连接器密封特性进行了分析，以提高密封分析条件与实际工况的吻合度。为进一步提高连接器的密封性能，文献[6]和文献[7]分析了连接器密封性能指标随密封结构参数变化的趋势，并使用不同的优化设计方法对密封结构进行优化。但是，当前针对连接器密封性能的分析工作通常将油气压力作为静态载荷，没有考虑实际工况下管道内油气压力随机波动的特点，导致连接器密封性能分析结果与实际工况存在一定差距。同时，分析过程往往是针对单一类型连接器进行的，没有对具有不同类型密封结构的连接器进行对比分析，不利于实际工程中连接器的合理应用。
笔者充分考虑油气压力随机波动对水下连接器密封性能的影响，以具有典型透镜式密封结构和VX钢圈密封结构的连接器为研究对象，建立了油气压力的随机波动模型，以密封面接触应力、有效接触宽度和密封件回弹量为密封性能指标，采用有限元方法开展了随机载荷下水下连接器密封特性的对比分析，获得了具有统计意义的连接器密封特性分析结果。所得结论可为水下生产连接器的优化设计及现场应用提供参考。
1 水下连接器密封结构水下连接器密封结构通过封堵油气管道间的间隙，不但能够防止管道内部的高压油气泄漏，而且可以避免海水进入管道内部。目前，水下连接器密封结构主要包括透镜式密封结构和VX钢圈密封结构2种[7-8]。
笔者以适应直径304.8 mm管道的两种密封结构为分析对象，其模型结构和密封件结构参数分别如图 1和图 2所示。
|
| 1—上毂座；2—卡爪；3—透镜垫；4—下毂座；5—VX钢圈。 图 1 水下连接器密封结构 Fig.1 Subsea connector sealing structure |
|
| 图 2 连接器密封件结构参数 Fig.2 Structural parameters of the connector seals |
安装预紧阶段，金属密封件与密封槽为过盈配合，在预紧力作用下，过盈量使得金属密封件发生径向压缩，产生的回弹力使得密封圈与密封槽紧密贴合，形成有效密封。工作阶段，管内高压油气在密封件上产生径向作用力，进一步增大密封面上的压紧力，密封圈材料发生塑性变形，最终形成自紧式密封。
2 油气压力随机波动模型由于水下生产系统生产情况较为复杂，导致连接器密封件在工作条件下的压力存在较为明显的波动，进而在一定程度上导致连接器密封性能发生变化[9]。若以一静态压力为工况开展连接器密封性能的分析计算，将影响最终的分析结果。为考虑油气压力的随机性，笔者假设管道内油气压力p为随机变量，且服从均值μ=34.5 MPa、变异系数cv=0.05的正态分布。基于3σ准则，进一步确定其服从截断型正态分布，且上、下限分别为29.325和39.675 MPa。最终，获得油气压力随机波动模型，其具体载荷形式如式(1)所示，具体分布如图 3所示。图 3中的f(p)表示概率密度函数，F(p)表示分布函数。
|
| 图 3 油气压力随机波动模型 Fig.3 Oil and gas pressure random fluctuation model |
|
(1) |
水下连接器是典型的周期对称结构，其预紧是通过在卡爪顶部施加法向载荷实现的。为了减少有限元模型的接触分析计算量，以模型整体结构环向的1/12作为有限元分析对象。建模过程中，为避免轴向应力分布对连接结构应力分布的影响，根据圣维南原理，上、下毂座连接的管道长度为
根据连接器实际工况，分析过程中限制连接器底部所有节点的轴向位移，并在其轴向对称面设置对称载荷[11-12]。在预紧工况下，轴向预紧力W作用在管口上，根据卡爪面积可以计算得到透镜垫密封结构和VX钢圈密封结构的预紧压力分别为5.584和3.289 MPa；工作工况下，在上毂座、下毂座和密封件内表面施加均匀分布的满足式(1)的随机载荷，设置密封圈与密封槽间的摩擦因数为0.15。
在Abaqus有限元软件中使用C3DR模块进行网格划分，并施加相应的边界条件，最终获得如图 4所示的有限元模型。
|
| 图 4 2种密封结构有限元模型 Fig.4 Finite element models of two kinds of sealing structure |
当工质载荷为35.4 MPa时，使用构建的有限元模型，计算获得连接器密封面接触应力分布云图，结果如图 5所示。由图 5a可以看出，当工质载荷为35.4 MPa时，透镜式密封垫密封面接触应力最大值为431.1 MPa，而VX钢圈密封面的接触应力最大值为386.2 MPa。
|
| 图 5 密封面接触应力分布云图 Fig.5 Contact stress distribution of the sealing surface |
4 随机载荷下连接器密封性能分析
为获得具有统计意义的连接器密封特性分析结果，基于式(1)构建的油气压力随机波动模型，采用随机抽样方法获得100个油气压力值，并将之加载到连接器有限元模型的上、下毂座和密封件内表面，以密封面最大接触应力值、有效接触宽度和径向回弹量为密封特性指标，通过统计分析获得2种类型连接器的密封性能。
4.1 密封面最大接触应力图 6为油气压力随机波动下连接器密封面最大接触应力的统计分析结果。从图 6a的箱线图可知，透镜式密封结构和VX钢圈密封结构密封面最大接触应力均值分别为379.50和349.22 MPa，对应的方差分别为17.682和15.832。这表明在同等工况下，透镜式密封结构连接器的密封能力较强，而且其具有更强的最大接触应力稳定性。
|
| 图 6 最大接触应力统计分析结果 Fig.6 Statistical analysis results of the maximum contact stress |
为了进一步获得密封性能随油气压力变化的趋势，对100组分析结果进行排序、统计，获得连接器密封最大接触应力值随连接器内油气压力变化的趋势，如图 6b所示。由图 6b可知：最大接触应力值随油气压力的增大而持续增大，但是当油气压力值达到36 MPa后，接触应力值的增大速率下降。这是因为随着油气压力的增大，密封件塑性变形更加明显，接触面积进一步增加，导致密封面接触应力下降。
4.2 有效接触宽度密封件有效接触宽度是指在接触压力的作用下材料发生塑性形变的带状区域宽度，其边界条件为接触应力值等于材料屈服强度，该带状区域内不会出现油气泄漏的情况。因此，选择有效接触宽度作为连接器密封特性指标之一。图 7是通过100次计算获得的连接器密封面接触宽度统计分析结果。
|
| 图 7 有效接触宽度统计分析结果 Fig.7 Statistical analysis results of the effective contact width |
从图 7a的箱线图可知，透镜式密封结构和VX钢圈密封结构密封面接触宽度均值分别为7.52和5.51 mm，对应的方差分别为0.118 02和0.081 52。这表明在同等工况下，透镜式密封结构连接器的密封能力更优，但是VX钢圈密封接触宽度的变化较小，即其具有更高的密封接触宽度指标稳定性。
从图 7b中接触宽度随连接器内油气压力变化的趋势可知，随着油气压力的增加，密封面有效接触宽度不断下降，透镜式密封结构的变化趋势与VX钢圈密封结构的变化趋势基本一致。
4.3 密封件回弹量连接器密封件的回弹性是指在油气压力减小之后密封件压缩厚度的回弹量，能够体现金属密封件在工作工况阶段，油气压力变化导致的接触面分离的密封补偿能力，因此，本文选择密封回弹量作为连接器密封特性指标。图 8是通过100次计算获得的连接器密封件回弹量的统计分析结果。
|
| 图 8 密封件回弹量统计分析结果 Fig.8 Statistical analysis results of the seals resilience |
从图 8a的箱线图可知，透镜式密封结构和VX钢圈密封结构密封件回弹量均值分别为0.897和0.719 mm，对应的方差分别为0.0192和0.0152。这表明在同等工况下，透镜式密封结构连接器的密封补偿能力更优，能够更好地适应具有不同油气压力工况，但是VX钢圈回弹量的变化波动较小，即其具有更高的密封件回弹量稳定性。
从图 8b中密封件回弹量随连接器内油气的压力变化趋势可知，随着油气压力增大，密封件回弹量不断下降。这是因为28~40 MPa的压力区间属于连接器的生产工况阶段，随着油气压力增大，密封件内部压力增大，对应的接触应力下降，导致密封件的回弹量下降。
5 结论(1) 随着管道内油气压力增大，两种连接器的最大接触应力均增大，且当油气压力达到36 MPa以后，接触应力最大值增加速率下降，而对应的密封面接触宽度和回弹量则均随油气压力的增大而下降。
(2) 在考虑油气压力随机波动时，透镜式密封结构的最大接触应力、接触宽度和回弹量的均值及方差均高于VX钢圈密封结构的对应值。
(3) 在油气压力随机波动下，透镜式密封结构密封性能优于VX钢圈密封结构。但是，VX钢圈密封结构在密封面有效接触宽度和密封件回弹量指标方面具有更好的统计稳定性。
| [1] |
陈晓芳, 赵宏林, 罗晓兰, 等. 水下卧式采油树井口连接器VX钢圈力学特性研究[J]. 石油机械, 2014, 42(8): 62-67. CHEN X F, ZHAO H L, LUO X L, et al. Study on mechanical properties of the VX gasket of subsea horizontal christmas tree wellhead connector[J]. China Petroleum Machinery, 2014, 42(8): 62-67. DOI:10.3969/j.issn.1001-4578.2014.08.015 |
| [2] |
KONDO K, TSUBAKI S, SAWA T, et al. FEM stress analysis and the sealing performance evaluation in bolted flange connections with ring joint gasket subjected to internal pressure: effect of scatter in bolt preloads[C]//Proceedings of the ASME 2012 Pressure Vessels and Piping Conference. Volume 2: Computer Technology and Bolted Joints, July 15-19, 2012, Ontario, Canada.
|
| [3] |
TEODORIU C, BADICIOIU M. Sealing capacity of API connections-theoretical and experimental results[R]. SPE 106849-PA, 2009.
|
| [4] |
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. |
| [5] |
唐文献, 曹伟枫, 张建, 等. 水下井口连接器密封结构性能分析[J]. 石油机械, 2016, 44(3): 82-87. TANG W X, CAO W F, ZHANG J, et al. Performance analysis of subsea wellhead connector sealing structure[J]. China Petroleum Machinery, 2016, 44(3): 82-87. |
| [6] |
运飞宏, 王立权, 刘军, 等. 深水卡爪式连接器密封优化分析及试验研究[J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 2017, 45(4): 23-28, 56. YUN F H, WANG L Q, LIU J, et al. Optimization analysis and experimental research on seal of subsea collet connector[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology(Natural Science Edition), 2017, 45(4): 23-28, 56. |
| [7] |
魏宗亮, 王立权, 关雨, 等. 新型海底管道连接器密封性能的优化[J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 2017, 45(3): 40-45. WEI Z L, WANG L Q, GUAN Y, et al. Sealing performance optimization of the novel subsea pipeline connector[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology(Natural Science Edition), 2017, 45(3): 40-45. |
| [8] |
饶松海. VX钢圈密封原理探索[J]. 中国海洋平台, 1998, 13(3): 30-33. RAO S H. A study on the sealing performance of VX steel ring[J]. China Offshore Platform, 1998, 13(3): 30-33. |
| [9] |
LIAO B P, SUN B, YAN M, et al. Time-variant reliability analysis for rubber o-ring seal considering both material degradation and random load[J]. Materials, 2017, 10(10): 1-18. |
| [10] |
SAWA T, OGATA N, NISHIDA T. Stress analysis and determination of bolt preload in pipe flange connections with gaskets under internal pressure[J]. Journal of Pressure Vessel Technology, 2002, 124(4): 385-396. DOI:10.1115/1.1511736 |
| [11] |
张亮, 杨志勋, 卢青针, 等. 海洋柔性管道接头楔形环锯齿密封性能数值模拟[J]. 油气储运, 2018, 37(1): 108-115. ZHANG L, YANG Z X, LU Q Z, et al. Numerical simulation on the sealing performance of serrated teeth inside the wedgy sealing ring of end fitting of marine flexible pipeline[J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2018, 37(1): 108-115. |
| [12] |
张永强, 刘立, 陆金福, 等. 基于API圆螺纹的气密封螺纹开发及评价[J]. 天然气工业, 2017, 37(5): 68-75. ZHANG Y Q, LIU L, LU J F, et al. Development of gas-tight threads based on API round threads and its evaluation[J]. Natural Gas Industry, 2017, 37(5): 68-75. |