深海管道連接器密封特性分析與同步控制研究

王茁，王志軍，張建勇，王寧

(1.吉林化工學院，吉林吉林132022;2.哈爾濱工程大學機電學院，黑龍江哈爾濱150001;3.中海油能源發展股份有限公司油田建設工程分公司，天津300452)

自20世紀60年代以來，隨著世界各海洋大國的水下工程技術迅速發展，作為其中一個分支的水下回接技術也不例外，國外公司已形成水深近3 000 m、惡劣海況和復雜海底地貌及地質情況下的設計技術［1］，開發了一系列水下回接的施工技術方法，各項技術在國外均已形成系列，配套產品均有出售。作為水下回接機具之一的水平管道連接器是深海油氣管道系統應用廣泛的一種快速連接裝置，該機具所工作的環境通常是深水，工作環境惡劣，不確定因素多，人工無法作業，因此，它由ROV輔助實施作業，能夠快速、準確地進行兩個管道的連接。它的主要工作過程按次序由:垂直粗對準、旋轉水平精對準、對接密封、鎖緊固定、輔助對準裝置回收5個環節組成。其中，對接密封環節是非常關鍵的步驟，必須要做到兩連接管道法蘭在對接后有效密封，沒有泄漏的現象。以下將圍繞水平管道法蘭連接密封問題進行研究，分析密封特性，采取液壓同步方式控制法蘭的精確位移，實現水下無人操作。

1 水平管道連接器的結構設計

水平管道連接器的機械本體結構是連接器最重要的組成部分，其他的液壓控制系統是以機械本體為執行元件完成各種功能的，它是整個產品功能的具體實現者。水平管道連接器的本體結構三維設計如圖1所示，主要由固定支板1、連接液壓缸2、推進液壓缸3、對接配管4、上對準錐5、下對準槽6、連接板7、卡爪8、上法蘭9、下法蘭10、驅動環11、固定套筒12、推進筒13等部件組成。水平管道連接器中兩法蘭的連接形式與普通法蘭螺栓連接不同，兩法蘭由推進液壓缸推動卡爪進行連接，在上法蘭與下法蘭中間安裝有金屬密封圈。在連接過程中，上法蘭面首先受到推進液壓缸的作用，水平向前運動到待連接位置，然后下法蘭面即下密封面與密封圈接觸擠壓，直到密封位置。

圖1 水平管道連接器本體結構圖

2 密封圈密封特性分析

密封圈的選擇參考美標HG20612-97標準，采用橢圓型金屬密封圈型號R58，選擇材料為316L(相當于00Cr17Ni14Mo2)，最高工作溫度600℃，抗拉強度σb=480 MPa，條件屈服極限σs≥177 MPa，最大硬度值160 HB。由于金屬密封圈允許的壓縮量小，因此，有必要對此金屬密封圈做非線性接觸分析，主要分析在其有效密封性能內，金屬密封圈所能達到的最大壓縮量，這對法蘭的密封槽的強度、密封圈的強度、密封效果以及液壓缸有效行程的確定具有指導意義。

密封圈在內壓作用下引起的總軸向力有下式［2］:

式中:DG為法蘭中心圓直徑，m;p為管道內壓，MPa。

預緊狀態最小墊片壓緊力為:

式中:b為密封圈有效寬度，m;

y為密封比壓，MPa。

將兩法蘭與密封圈建模，建模如圖2所示。根據安裝標準，在初始凸凹法蘭對接時，兩法蘭面間距為5 mm，將模型簡化，并對模型進行網格劃分如圖3所示。

圖2 法蘭密封接觸受力分析模型圖

圖3 模型網格劃分

在模型中按法蘭的連接過程可以看做上下法蘭一起運動，運動的形式相同，但方向相反，對模型進行對稱接觸分析［3］。

對模型建立接觸副，分別是:密封圈的上表面與上法蘭的密封槽側面建立一對接觸副，密封圈的下表面與下法蘭的密封槽側面建立一對接觸副。在建立接觸副過程中，最重要的是設置接觸剛度，在ANSYS中，接觸剛度的設定，關系著分析的真實性，原則上來說，兩個表面之間滲透量的大小取決了接觸剛度。通常來說，接觸分析的物體不允許有滲透量，兩物體通過接觸發生變形，在仿真分析中，兩物體接觸不僅產生變形，也引起滲透。一般來說，應該選取足夠大的接觸剛度以保證接觸滲透小到可以接受，但同時又應該讓接觸剛度足夠小以使不會引起總剛矩陣的病態問題而保證收斂性。通常能夠用實常數FKN來為接觸剛度指定一個比例因子或指定一個真正的值，比例因子一般在0.01～10之間，當避免過多的迭代次數時，應該盡量使滲透到達極小值［4］。經過幾次從小到大的實驗后，本次分析采用的接觸剛度為0.1，既能保證接觸分析不受影響，也能夠接近實際情況。

對兩對接觸副進行接觸分析，通過對兩法蘭模型的上表面進行不同程度的位移加載，分析接觸副間的位移變化及應力變化，從而得出合理的密封圈壓縮量以及實現該壓縮量的液壓缸的有效行程的范圍。

第一次加載，使上下法蘭對密封圈分別產生0.5 mm的位移，分析結果如圖4所示。如圖可知，兩法蘭向密封圈壓緊，各前進0.5 mm，密封圈等效位移矢量和為0，說明法蘭密封槽的斜面與密封圈的弧面間還沒有接觸，還沒有使密封圈受壓，需要繼續加載。

圖4 0.5 mm位移時等效位移矢量和

第二次加載，首先將兩法蘭的受力清空，使其回到初始狀態，使上下法蘭對密封圈分別產生1 mm位移，分析結果如圖5所示。由圖可知，當兩法蘭相對密封圈的運動位移達到1 mm時，法蘭與密封圈已經開始接觸，并發生摩擦，圖中受力顯示，從顯示條左端開始隨著受力的加大，顏色向右移動，也就是說，受到的等效應力最大處發生在摩擦副接觸點，其值為67.35 MPa，小于材料的屈服極限，說明密封圈還具有可壓縮量，可以進行第三次加載。

圖5 1 mm位移時等效應力圖

進行第三次加載，加載位移為1.5 mm，同理可分析，當相對運動位移達到1.5 mm時，法蘭與密封圈接觸面加大，變形加劇，密封圈的滲透量也同時加大，從而法蘭和密封圈受到的相互壓力也劇增，最大達到200 MPa，已經超過材料的屈服點，此時，摩擦副處于臨界狀態，法蘭以及密封圈在彈性變形之外，仍屬于塑性變形，沒有壓潰。

對密封副進行最后一次加載，將法蘭恢復到初始狀態后，對其加載z方向位移矢量2 mm，分析密封副的受力如圖6所示。很明顯，當加載2 mm位移矢量時，接觸副受到最大的壓力為444.44 MPa，密封副已經完全壓潰，法蘭以及密封圈都被破壞，說明密封此時已經失效。

圖6 位移2 mm時的等效應力圖

由上面分析可得出，金屬密封圈允許的壓縮量較小，最大壓縮量小于等于2 mm。這就要求推動法蘭運動的液壓缸活塞的位移需要精確的控制，同時，在一個法蘭面上固定的4個液壓缸必須保證同步運動，使得密封圈受力均勻一致，否則會導致密封圈局部有間隙，不能有效密封，引起泄漏。因此，需要進行液壓缸同步位移控制的研究。

3 基于MATLAB/Simulink的雙缸同步仿真研究

3.1 水平管道連接器電液伺服系統的數學模型

水平管道連接器液壓同步控制的原理如圖7所示。該系統以缸18為基準，使缸19活塞跟隨缸18活塞運動，以保持同步［5］。工作時，位移傳感器P1和P2不斷發出兩個活塞的位置信號，將兩信號進行比較而得的偏差信號輸入放大器放大后，再輸入電液伺服閥進行控制，使缸19活塞保持與缸18活塞同步。該系統由兩個同步回路組成，控制同步位移誤差不得超過0.5 mm。

圖7 連接機構液壓回路

圖8 閥控液壓缸的方塊圖

由力反饋位移同步伺服控制液壓系統可建立系統數學模型，根據閥控液壓缸動特性的3個基本方程可得到圖8所示方塊圖。

將開環系統數學模型與閉環系統數學模型結合起來，能夠得出總液壓系統數學模型如圖9所示，得到系統傳遞函數如公式 (3)。

圖9 液壓總系統數學模型

3.2 仿真參數設定

在數學模型的基礎上，先根據設計模型確定仿真中所需的參數如下:有效體積彈性摸量 βe=800 MPa;油液密度ρ=900 kg/m3;供油壓力ps=16 MPa;負載壓力pL=15 MPa;流量系數Cd=0.62;內外泄漏系數均衡，可以忽略為0，即Cic=0，Cec=0。

總流量－壓力系數:

阻尼比:

液壓固有頻率:

反饋比例系數Ks=1。

3.3 雙缸同步線性仿真

完成水平管道連接器的電液數字伺服系統的數學模型與參數設定后，在MATLAB/Simulink軟件中，建立電液數字伺服系統的模型，進行仿真分析。分析分兩步進行:首先，進行無PID控制器的同步系統仿真，分析其性能;其次進行加入PID控制器后的仿真，分析各個環節對同步性能的影響，確定最優的PID控制器。

3.3.1 無PID控制器時的仿真分析

根據系統傳遞函數以及方框圖，在MATLAB/Simulink中建立液壓系統模型如圖10所示，將仿真參數形成m文件，進行仿真分析，分析結果如圖11所示。

圖10 電液數字伺服系統仿真模型圖

圖11 無PID控制器時兩缸的同步分析

由結果可知，在啟動0.4 s后，跟隨缸的曲線已經發散，系統無法實現同步，因此，必須加入校正環節，此處選PID控制器進行調節。

3.3.2 加入PID控制器的仿真分析

對于圖11系統模型下回路的跟隨環節，在傳遞函數前加入PID控制器，通過對PID控制器的各環節的仿真分析，得出一組最優PID值，使雙缸同步達到誤差最小［6］。依次分別調節比例、積分、微分系數得到系列仿真曲線，最后，通過綜合分析比較確定當比例系數Kp=0.55、積分系數Ki=60、微分系數Kd=0時，跟隨缸能夠在0.02 s跟上主動缸的位置，且系統沒有震動，同步效果位移誤差不得超過0.5 mm，達到了系統的控制要求，仿真結果如圖12所示。

由圖12可看出，跟隨缸約在0.02 s前與主動缸存在位移誤差，當時間大于0.02 s后，跟隨缸位移線與主動缸位移線重合，無位移偏差。

圖12 確定PID控制器后雙杠同步仿真結果

4 結論

通過對水平管道連接器法蘭密封圈允許受壓變形的接觸密封特性分析及法蘭位移同步控制研究，可以得出以下三點:(1)控制法蘭位移的最大壓縮量小于等于2 mm;(2)推動法蘭運動的液壓缸活塞的位移需要保證同步運動;(3)通過位移同步控制系統的仿真分析，設計的PID控制器能夠使兩缸位移同步精度控制在系統誤差允許范圍內，系統能夠滿足實際工程的需求。

深海作業技術近年來越來越受到各個國家的重視，文中所進行的水平管道連接器密封及其位移控制的研究能夠為實現兩個深海油氣管道的自動快速連接提供技術基礎，因此，具有一定的理論和廣泛的工程應用價值。

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