深海高壓環(huán)境下的密封材料變形特性分析

周 博 陳家旺 顧臨怡

浙江大學(xué)流體傳動(dòng)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州,310027

0 引言

深海技術(shù)裝備如深海沉積物保真取樣器[1]、深海熱液保真取樣器[2]、深海原位探測(cè)器[3]、深海生物幼體保真取樣器、ROV(remote operated vehicle)和 AUV(autonomous underwater vehicles)等水下運(yùn)載器,由于考慮海水低黏度(約為礦物油的1/40～1/50)、海水水壓(0～100MPa)、海水腐蝕、海水導(dǎo)電及樣品污染等原因,密封結(jié)構(gòu)形式一般采用高強(qiáng)度耐壓型,或采用帶補(bǔ)償油或純凈水的內(nèi)外壓平衡型。在水深1000m之內(nèi),常規(guī)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),而在深海高壓環(huán)境下,密封件采用具有自密封作用和耐腐蝕的O形橡膠圈作為密封圈[4],密封件自身形體受到周?chē)邏寒a(chǎn)生的變形會(huì)對(duì)系統(tǒng)密封性能和可靠性產(chǎn)生影響,如果密封材料及設(shè)計(jì)尺寸考慮不足將嚴(yán)重影響系統(tǒng)工作,如漏水致使高壓艙內(nèi)電路板燒毀。另外,保真取樣器在深海高壓環(huán)境下完成取樣動(dòng)作的同時(shí)就建立起了系統(tǒng)密封,系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)沉積物、生物等對(duì)象進(jìn)行原位保真取樣,要求密封件在水下高壓環(huán)境下必須具有一定量的初始預(yù)壓縮量,最終能不能保持原位壓力取決于密封件與剛性體(如高強(qiáng)度筒體)間的接觸應(yīng)力是否大于海水環(huán)境壓力。

本文研究密封材料在深海高壓環(huán)境下自身形體產(chǎn)生的體積壓縮特性。通過(guò)本研究確認(rèn)常規(guī)密封結(jié)構(gòu)形式是否會(huì)由于密封體的預(yù)壓縮量不夠而使系統(tǒng)無(wú)法獲得采樣點(diǎn)的原位壓力。

1 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)儀器

采用WDW-200微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)來(lái)施加壓力。該試驗(yàn)機(jī)最大試驗(yàn)力為200kN,試驗(yàn)力分辨率為1/100 000。橡膠的軸向壓縮量由YYU-5010型電子引伸計(jì)來(lái)測(cè)量,其測(cè)量精度為1μm。試驗(yàn)測(cè)量范圍為 0～200MPa,該范圍足以包括地球海水水深產(chǎn)生的水壓范圍。測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示,試驗(yàn)裝置由主套筒、輔助套筒、施壓軸、支撐軸、內(nèi)六角螺釘組成。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用的3種不同密封膠棒規(guī)格見(jiàn)表1。測(cè)試時(shí)橡膠試樣放在主套筒內(nèi),由主套筒限制橡膠試樣的徑向變形;支撐軸放置在主套筒內(nèi)部,橡膠試樣的下方;施壓軸放置在橡膠試樣的上方,用來(lái)傳遞電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)施壓梁施加的壓力;輔助套筒通過(guò)內(nèi)六角螺釘壓緊在施壓軸的上端;電子引伸計(jì)的兩只腳分別固定在輔助套筒和主套筒的外壁,主套筒和輔助套筒的外徑相同,以減小電子引伸計(jì)的測(cè)量誤差。

表1 密封膠棒規(guī)格

2 壓縮率的測(cè)量依據(jù)

假設(shè)橡膠試樣初始長(zhǎng)度為l0,半徑為r0,那么其在大氣壓下的體積為V0=l0。在理想狀態(tài)下,主套筒的內(nèi)徑為2r0,橡膠試樣的徑向變形為0。在壓強(qiáng)p下,橡膠試樣的長(zhǎng)度為l p,半徑仍為r0,體積為Vp=l p,則等溫體積壓縮率為

這里,l0-l p可以由電子引伸計(jì)直接測(cè)得。

3 壓縮量的理論計(jì)算

式(1)建立在假定主套筒受內(nèi)力時(shí)其內(nèi)徑恒定不變的基礎(chǔ)上,但事實(shí)上,在高壓下橡膠試樣的軸向?qū)a(chǎn)生變形,同時(shí)沿著徑向也產(chǎn)生變形,其徑向變形將壓力傳到主套筒的內(nèi)壁,主套筒徑向產(chǎn)生變形。但是,使得主套筒在徑向的變形取決于其幾何形狀和材料,如果設(shè)計(jì)合理,主套筒徑向的變形是可以控制在不影響試驗(yàn)結(jié)果的范圍內(nèi)的。

在內(nèi)部壓力作用下,主套筒的徑向變形可以根據(jù)拉梅公式[5]來(lái)計(jì)算：

式中,u為半徑r處的徑向變形;E、ν分別為主套筒材料的彈性模量和泊松比;K為主套筒的外徑內(nèi)徑比,K=r1/r0。

本次試驗(yàn)所用套筒材料為45鋼,其彈性模量E=216GPa,根據(jù)文獻(xiàn)[6]取ν=0.29。又 r0=5mm,r1=20mm,代入計(jì)算可得在內(nèi)部壓力p作用下,主套筒半徑r處的徑向變形為

則等溫體積壓縮率修正為

因?yàn)樯詈１Ｕ嫒釉O(shè)備的使用范圍在100MPa(水壓)以內(nèi),所以當(dāng)p=100MPa時(shí)式(4)為

此時(shí),等溫體積壓縮率測(cè)量誤差最大,隨著加載壓力p的減小,等溫體積壓縮率的測(cè)量精度將越來(lái)越高。

4 密封件有限元分析

密封件材料在較短時(shí)間內(nèi)及恒定的環(huán)境溫度下通常被處理為各向不可壓縮材料,其應(yīng)變能密度函數(shù)W是變形張量不變量I 1、I2、I3的函數(shù),即W=W(I1,I2,I3)。根據(jù)密封件的不可壓縮特性,W函數(shù)式可以用變形張量不變量的級(jí)數(shù)形式表示[7],一般廣泛采用的是 Mooney-Rivlin模型,即

式中,C1、C2為材料常數(shù),可根據(jù)單軸拉伸試驗(yàn)測(cè)得[8]。

該模型能很好地描述密封件變形在150%內(nèi)的特性[9],對(duì)于橡膠件,彈性模量E與剪切模量G有如下關(guān)系：

式中,μ為泊松比。

G或E與材料常數(shù)C1、C2的關(guān)系為

由于密封件具有軸對(duì)稱(chēng)特性,故取1/2剖面進(jìn)行有限元建模,應(yīng)用Plane182單元類(lèi)型,對(duì)其進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分,單元數(shù)為400。在密封件左右兩側(cè)加x向約束,在密封件底部加y向約束,在密封件頂部施加0～200MPa載荷。

5 試驗(yàn)結(jié)果與有限元仿真計(jì)算分析

5.1 試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3種不同材料的試驗(yàn)結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果如圖2所示。圖2中橫坐標(biāo)表示壓力加載過(guò)程,縱坐標(biāo)表示加壓過(guò)程中三種橡膠材料的自身壓縮率。可以看出,無(wú)論是試驗(yàn)曲線還是有限元仿真曲線,均呈指數(shù)函數(shù)曲線上升。

圖2 試驗(yàn)值與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比

5.2 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果分析比較

對(duì)硅橡膠、氟橡膠、丁腈橡膠3種橡膠材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室軸向壓縮試驗(yàn)以及數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)(圖2),3種材料的自身壓縮率均隨環(huán)境壓力的增大而增大。在200MPa加壓條件下,氟橡膠的壓縮率為5.2%,是3種材料中最小的;丁腈橡膠的壓縮率為7.34%;硅橡膠材料的壓縮率為8.76%,是3種材料中最大的。考慮到實(shí)際地球海水最深處馬里亞納海溝為11 521m,如果按水深每增加10m壓強(qiáng)增加1個(gè)大氣壓算,則該海溝處水深造成的壓力為115.21MPa。從圖 2可以看出,在115.21MPa的壓力下,氟橡膠的壓縮率為3.26%,丁腈橡膠的壓縮率為4.78%,硅橡膠材料的壓縮率為5.80%。對(duì)于密封結(jié)構(gòu)特別是高壓環(huán)境裝配的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),密封材料自身的壓縮率越低越好,低壓縮率帶來(lái)的好處是,在設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)時(shí)可以應(yīng)用常規(guī)密封結(jié)構(gòu)或適當(dāng)增大密封件自身尺寸以抵消因高壓造成的自身壓縮。

圖2中的3條仿真曲線均能較為準(zhǔn)確地模擬氟橡膠、丁腈橡膠及硅橡膠3種材料在高壓條件下的壓縮變化情況,其仿真值與實(shí)測(cè)值較為接近。通過(guò)有限元仿真可以為今后設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的密封件提供最基本的材料常數(shù)C1、C2值及壓縮率的預(yù)測(cè)結(jié)果。

6 深海高壓環(huán)境下密封可靠性評(píng)價(jià)

目前,我國(guó)海洋領(lǐng)域應(yīng)用中的大部分深海作業(yè)裝備都采用常規(guī)密封結(jié)構(gòu),未出現(xiàn)因密封圈材料自身壓縮而漏水或漏油等現(xiàn)象,很大原因在于其作業(yè)水深基本上在3000m之內(nèi),從圖2可以看出,這個(gè)壓力條件下的3種橡膠材料壓縮率都在3%之內(nèi)。對(duì)于海底熱液口附近的熱液取樣,考慮密封材料的耐熱性,基本上采用的都是氟橡膠材料。常規(guī)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,通常靜密封預(yù)壓縮量為15%～30%,動(dòng)密封預(yù)壓縮量約為9%～25%。因此,考慮到自身壓縮率的影響,其預(yù)壓縮量應(yīng)當(dāng)在常規(guī)設(shè)計(jì)規(guī)定量的基礎(chǔ)上考慮自身壓縮率影響(包括海洋水深及其他因素影響),在常規(guī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加10%的尺寸余量。另外,由于氟橡膠耐熱、耐酸堿及其他化學(xué)藥品、耐油(包括磷酸酯系列液壓油),適用于所有潤(rùn)滑油、汽油、液壓油、合成油,使用溫度為-20℃～200℃,適用于耐高溫、化學(xué)藥品、耐燃液壓油的密封[10],因此氟橡膠最適合應(yīng)用于深海高壓環(huán)境下保真取樣設(shè)備的密封。

7 應(yīng)用分析

在實(shí)際應(yīng)用中,某保真取樣設(shè)備保壓筒內(nèi)徑為1600.150 mm,端蓋直徑為1mm,密封圈溝槽深為mm,O形密封圈線徑為8mm,內(nèi)徑為mm,則根據(jù)O形密封圈預(yù)壓縮率核算公式[5]：

式中,κTmax為最大壓縮率;d0max為O形密封圈自由狀態(tài)下的最大線徑;Hmin為溝槽最小深度;Cmin為端蓋和保壓筒最小間隙。

其最大預(yù)壓縮率為

根據(jù)文獻(xiàn)[11],用于固定徑向密封的O形密封圈的預(yù)壓縮率應(yīng)達(dá)到15%～25%才能取得滿意的效果,由此,上述O形密封圈在常壓下的使用可以取得滿意的效果。但如果將該裝置置于深海高壓環(huán)境下,由于O形密封圈體積受壓縮,則可能達(dá)不到預(yù)壓縮率的要求。選用氟橡膠材料的O形密封圈則在70MPa下的體積變化率為2.07%,根據(jù)文獻(xiàn)[12]介紹的彈性體體積V壓縮量變化(ΔV)和彈性密封體當(dāng)量直徑 d 0變化(Δd 0)之間的關(guān)系可得

計(jì)算得到O形密封圈在70MPa下線徑的變化為1.00%,由此可計(jì)算其最大壓縮率為

如果選用丁腈橡膠密封圈,則根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的壓縮數(shù)據(jù)可以計(jì)算其最大壓縮率為14.77%＜15%。可見(jiàn),如果選擇氟橡膠材料密封圈,其最大壓縮率為15.72%,僅略微大于15%,而丁腈橡膠密封圈則可能失效,由此可見(jiàn)深海高壓環(huán)境對(duì)O形密封圈的使用存在著一定的影響。要避免密封圈失效,主要有三種方法：①選擇壓縮率更小的密封圈的材料;②增大O形圈直徑;③選擇合理密封結(jié)構(gòu)形式。

8 結(jié)論

(1)對(duì)于氟橡膠、丁腈橡膠以及硅橡膠三種材料,隨加載壓力的增大其壓縮量增大,相同壓力條件下氟橡膠的壓縮量最小。

(2)有限元分析可為不同類(lèi)型的密封件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基本的材料常數(shù),其預(yù)測(cè)結(jié)果較接近實(shí)測(cè)值。

(3)密封材料在高壓環(huán)境下存在自身壓縮性,在設(shè)計(jì)高壓環(huán)境下的密封結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)在常規(guī)設(shè)計(jì)的預(yù)壓縮率基礎(chǔ)上增大材料自身的壓縮率。

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