油氣管道球狀雙封封堵器膠筒端面斜角優選

張 行，張仕民，王 焱

（中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京102249）①

管道帶壓開孔與封堵技術是一種安全、經濟、高效的管線維搶修技術，該技術可在不停輸的條件下完成管線維搶修施工，適用于原油、成品油、天然氣等多種介質管線的正常維修改造和突發事故的搶修［1］。油氣管道球狀雙封封堵器是用于不停輸帶壓封堵工藝下封堵管道的封堵器［2］。管道不停輸封堵作業時，在液壓缸提供的軸向壓縮載荷作用下，壓縮式密封膠筒在軸向壓縮變形的同時徑向膨脹變形，膠筒外表面與管道內壁接觸，從而封隔封堵器與管道之間的環空，以實現封堵管道的功能。膠筒的幾何參數對膠筒系統的密封性能影響很大。在膠筒實際壓縮過程中，端面斜角處最容易出現橡膠畸變及壓潰的情況，直接影響膠筒的密封質量［3］。

封堵器的密封性能與膠筒和管道之間的接觸壓力狀態密切相關，可以通過密封膠筒與管道的最大接觸壓力的大小及接觸壓力大于管道內壓的有效接觸區域長度的大小來評價。密封膠筒的最大接觸壓力越大，膠筒系統所能承受的封堵壓差越高。有效接觸區域長度越長，膠筒系統的密封穩定性越高。因此，封堵器的工作狀態決定著封堵作業的成功與否。作為封堵器中重要的部件，密封膠筒的性能決定著封堵器的質量，損壞與否則決定著封隔器能否安全工作［4］。因此，有必要分析封隔器膠筒參數的變化對膠筒性能的影響，并優選出最優參數。

本文采用ABAQUS有限元分析軟件，通過改變膠筒的端面斜角數值，建立不同幾何參數的有限元模型，施加相同的載荷與相同的邊界條件；最后得到膠筒端面角度變化的膠筒接觸壓力云圖。選取膠筒膨脹后與管壁接觸的接觸路徑，繪出真實接觸路徑與膠筒和管道接觸壓力曲線圖，得到膠筒與管道的密封最大接觸壓力值；繪制膠筒最大接觸壓力和膠筒與管道的密封峰值接觸壓力值曲線，得出膠筒端面斜角參數對密封性能的影響規律，從而對膠筒形狀進行優化［5］。

1 有限元計算

1.1 建模

球狀雙封封堵器為球狀一體化設計（如圖1所示），在球形中部放置有2個通過液壓缸壓縮的密封膠筒，通過壓縮密封膠筒使膠筒產生徑向膨脹，與管壁產生接觸壓力，以達到主動封堵的目的。

圖1 球狀雙封封堵器結構

驅動液壓缸、封堵器前蓋、封堵器殼體與前密封膠筒、后密封膠筒及隔離環組成了球狀雙封封堵器的封堵結構，如圖2所示。

圖2 封堵結構

由于密封膠筒的幾何形狀和約束情況均近似為空間軸對稱結構，故可以簡化為截面問題。為了更直觀、真實地反應分析過程及結果，選取1個密封膠筒作為分析對象。封堵機構模型如圖3所示。封堵結構模型各零件的尺寸如表1所示。

圖3 封堵結構簡化模型

表1 模型各零件尺寸

1.2 材料屬性

球狀雙封封堵器密封膠筒的材料為丁腈橡膠。丁腈橡膠具有強度高、彈性好、耐撕裂性高、耐油防腐蝕能力強、密封性好等特點。目前，對橡膠材料的有限元分析廣泛采用的是3參數Mooney－Revlin本構模型［6］。本分析采用邵氏硬度為90 HD的膠筒，膠筒的彈性模量為17.330 MPa。

另外，封堵器殼體、封堵器球蓋和隔離環的材料為低碳鋼或合金鋼，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。模型力學參數如表2所示。

表2 模型力學參數

1.3 邊界條件與載荷

膠筒和封堵器殼體、隔離環、封堵器球蓋間存在摩擦，摩擦因數取0.5。封堵器殼體與隔離環為鋼對鋼接觸，摩擦因數取0.3。

在隔離環上施加y負方向20 MPa的表面載荷，擠壓前后密封膠筒。固定封堵器殼體與管壁，約束封堵器球蓋與隔離環x方向的位移。如圖3b所示。

2 計算結果及討論

圖4為封堵機構的應力云圖，在表面載荷20 MPa的情況下，驅動液壓缸壓縮膠筒所產生的應力均勻分布在封堵器殼體上，其中最大應力為115.2 MPa，出現在隔離環承壓面上，但遠小于封堵器殼體材料的屈服強度。密封膠筒經過壓縮后并沒有出現較大的畸變［7－8］。應力主要分布在與隔離環及封堵器殼體的接觸面附近。為了查看管壁與膠筒的接觸壓力狀態，在管壁上選取一條接觸路徑，如圖5所示。

圖4 封堵結構應力分布云圖

圖5 管壁與膠筒的接觸路徑

3 膠筒端面角度的影響

在膠筒厚度l＝80 mm、高度h＝110 mm、與管道內壁間隙s＝10 mm的情況下，將膠筒端面斜角θ作為變量，分析膠筒端面角度的變化對膠筒密封性能的影響。對膠筒端面斜角θ分別為0°、5°、10°、15°、20°時的5種情況進行分析，分別建立這5種情況的有限元模型，添加相同的邊界條件與約束，并施加相同的載荷。

待分析完畢后，分別查看各參數模型管壁與膠筒的接觸壓力曲線，如圖6所示。由于待封堵管道的運行壓力為10 MPa，主要從密封膠筒與管道的最大接觸壓力的大小及接觸應力大于11 MPa的有效接觸區域長度的大小這2方面來衡量膠筒的密封質量。

圖6 θ＝0～20°時膠筒壓縮后管壁接觸路徑與接觸壓力關系曲線

由圖6可知：在相同載荷下，θ＝0°時膠筒與管壁接觸區域的最大接觸應力達到13.5 MPa，在曲線兩側存在接觸壓力突然增大的現象，這是由于橡膠出現了畸變；θ＝5°時，最大接觸應力下降到12.1 MPa；θ＝10°時，最大接觸應力略微增大到12.4 MPa；θ＝15°時，最 大 接 觸 應 力 穩 定 在12.4 MPa；θ＝20°時，最 大 接 觸 應 力 減 少 到11.5 MPa。在θ＝5°～15°，最大接觸壓力相對穩定在12 MPa以上。

密封膠筒與管道的最大接觸壓力曲線如圖7所示。在相同載荷下，當θ＝0～20°，隨著膠筒端面角度的增加，膠筒徑向膨脹與管道內壁的接觸壓力大于10 MPa的有效接觸區域總體呈現增大的趨勢；但大于11 MPa與大于12 MPa的接觸區域，長度卻是先下降后上升再下降，如圖8所示。綜合這3種情況，在θ＝10～15°，11 MPa以上有效接觸區域長度呈現穩定的趨勢。故將分析范圍縮小到10°～15°。對比每種情況下接觸壓力分別大于10、11、12 MPa的有效接觸區域長度。

圖7 膠筒端面角度與最大接觸壓力關系曲線

圖8 θ＝0～20°時膠筒端面角度與有效接觸區域關系曲線

當θ＝11°～14°時，膠管壓縮后與管壁的接觸路徑與接觸壓力關系如圖9所示。

圖9 θ＝11°～14°時膠筒壓縮后與管壁的接觸路徑與接觸壓力關系曲線

由圖9可知：

1） 當θ＝11°時，最大接觸應力為12.4 MPa，10 MPa以上有效接觸區域為95 mm；11 MPa以上有效接觸區域為80 mm；12 MPa以上有效接觸區域為23 mm。

2） 當θ＝12°時，最大接觸應力為12.4 MPa，10 MPa以上有效接觸區域為99 mm；11 MPa以上有效接觸區域為83 mm；12 MPa以上有效接觸區域為22 mm。

3） 當θ＝13°時，最大接觸應力為12.3 MPa，10 MPa以上有效接觸區域為97 mm；11 MPa以上有效接觸區域為84 mm；12 MPa以上有效接觸區域為19 mm。

4） 當θ＝14°時，最大接觸應力為12.3 MPa，10 MPa以上有效接觸區域為99 mm；11 MPa以上有效接觸區域為85 mm；12 MPa以上有效接觸區域為16 mm。

由上述結果可得到θ＝11～14°時，膠筒端面各角度與最大接觸應力及有效接觸區域長度的關系，如圖10～11所示。

圖10 θ＝11～14°時膠筒端面角度與最大接觸壓力關系曲線

圖11 θ＝11～14°時膠筒端面角度與有效接觸區域的關系曲線

由圖10可得：在θ＝11～14°，最大接觸壓力相差0.1 MPa，由此可知在θ＝10°～15°，膠筒端面角度θ的變化對最大接觸壓力影響不大。由圖11可得：曲線整體呈上升趨勢，隨著膠筒端面角度θ的增加，有效接觸區域的長度也在增加。

綜上可得，膠筒端面角度選擇θ＝15°較合適。

4 結論

1） 在球狀雙封封堵器密封膠筒的其他參數取定值的情況下，膠筒與管道密封峰值接觸壓力隨著膠筒端面斜角的增大而呈現出上升趨勢。

2） 密封膠筒與管道內壁的接觸路徑上，大于10 MPa的有效接觸區域總體呈上升趨勢，而在接觸壓力大于11 MPa和12 MPa的接觸區域只在10～15°之間更為穩定。

3） 進一步分析10～15°的模型后，得到接觸壓力曲線整體呈較平穩上升趨勢，即膠筒端面角度值在0～20°存在最優值，最優值的選取對密封膠筒密封性能的優化起到了較為重要的作用。

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［2］ 中國石油大學（北京）.一種球狀雙封封堵器：中國，CN201310224528.2［P］.2013－09－04.

［3］ 伍開松，翟志茂，古劍飛，等.封隔器膠筒幾何參數優選［J］.石油礦場機械，2008，37（10）：68－71.

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