海洋非黏結柔性管道接頭密封結構分析

李翔云+畢祥軍+王剛+閻軍+湯明剛+代超+岳前進

摘要： 介紹海洋非黏結柔性管道接頭的常見密封結構，用Abaqus對接頭的密封特性進行數值分析，研究密封圈的密封性能對不同密封結構參數的靈敏度，得到密封結構參數變化對接頭密封結構的密封性能和力學性能影響的一般規律.結果表明密封結構的主要設計參數為密封圈的錐角和曲率半徑以及加載位移等.

關鍵詞： 海洋柔性管道； 接頭； 密封圈； 密封特性； 接觸； 參數靈敏度

中圖分類號： TE53； TB1151.1文獻標志碼： B

0引言

在海洋油氣的開采與運輸過程中，海洋柔性管道以其易彎曲[1]、方便鋪設和回收[2]、可設計性強等優勢得到廣泛應用.為實現柔性管道的終端連接并密封管道介質，需在管道與浮體的連接處設計接頭.接頭密封結構要保證在內壓波動作用下具有良好的密封性能.由于結構形狀和實際工況的復雜性，很難得到密封性能的精確理論解，因此需要用有限元法對密封結構進行分析校核.通過參數靈敏度分析，可以確定對系統密封性能影響較大的參數及參數變化對密封性能的影響規律，修正設計參數.[3]

1接頭密封結構

非黏結柔性管道接頭密封結構見圖1[4]，其中：內、外護套一般為高分子材料，主要起密封管道介質的作用，是接頭密封的對象；密封圈有2個密封面，外密封面為錐面，與接頭內套形成線面配合，內密封面為圓弧面，與材質較軟的內護套配合，在密封圈的弧面壓緊作用下形成面面配合.接頭密封系統共有2個可能的泄漏路徑：一個是密封圈的錐面與接頭內套相接觸的路徑1；另一個是密封圈與內護套相接觸的路徑2.

1—法蘭；2—接頭內套；3—接頭外套；4—抗拉鎧裝層；5—抗壓鎧裝層；6—外護套；7—內護套；8—接頭頸部；9—絕緣環；10—抗壓鎧裝層；11—密封圈；12—carcass層

圖 1柔性管道接頭密封結構

Fig.1Sealing structure of flexible pipe end fitting

接頭密封結構在使用過程中對應2種載荷工況：一是預緊狀態，支撐套在初始安裝力作用下插入內護套內徑，密封圈在法蘭預緊載荷的作用下與接頭內套和管道內護套作用并產生初始密封接觸壓力，為保證初始密封，要求初始密封接觸壓力高于管道內壓；二是操作狀態，密封圈在預緊載荷和管道內壓的共同作用下發生變形產生工作密封接觸壓力，須保證密封圈在壓力產生波動時仍有良好的密封能力.[5]接頭密封結構在使用過程中既要保證密封圈在內壓波動的工況下始終保持彈性變形[67]，又要使2個泄漏路徑上的接觸壓力大于密封面兩側壓力差，以保證密封效果[8].

在滿足接頭密封要求的情況下，可以根據有效密封長度評價接頭密封性能.假設管道內壓力為p0，根據密封功能準則，密封面上接觸壓力大于p0的位置才會實現密封，則稱密封面上接觸壓力大于p0部分的長度為有效密封長度，即圖2中的L.有效密封長度越大，接頭密封效果越好.

圖 2柔性管道接頭密封性能評價指標

Fig.2Assessment criteria on sealing performance of

flexible pipe end fitting

接頭密封結構參數見圖3，各參數值見表1.

圖 3接頭密封結構參數

Fig.3Parameters of joint sealing structure

表 1柔性管道接頭密封結構參數

Tab.1Sealing structure parameters of flexible pipe

end fitting接頭內套錐角/（°）14.0密封圈錐角/（°）12.5密封圈曲率半徑/mm20加載位移/mm1設計壓力/MPa24

2接頭密封結構分析

2.1接頭密封有限元模型

2.1.1模型的建立

結合實際海洋柔性管道接頭密封結構，利用通用有限元分析軟件Abaqus建立接頭密封結構有限元模型.由于是軸對稱結構，為提高計算效率，接頭所有零件均采用二維軸對稱單元進行模擬，見圖4.

1—接頭內套；2—內護套；3—法蘭；4—密封圈；5—支撐套

圖 4柔性管道接頭密封結構有限元模型

Fig.4Finite element model of sealing structure of

flexible pipe end fitting法蘭和支撐套較硬，可不考慮變形和應力情況，采用剛體；密封圈、內護套和接頭內套為柔性體，采用CAX4I單元.材料屬性見表2.

表 2材料屬性

Tab.2Material property部件彈性模量/GPa泊松比接頭內套210.00.3內護套0.80.4密封圈210.00.3

2.1.2分析步、約束和加載

在接頭零件相互作用的區域設置接觸，模擬零件之間的相互作用：采用硬接觸模擬零件之間的法向行為，采用庫倫摩擦模擬零件之間的切向行為.

該模型建立分析步模擬支撐套和密封圈的裝配過程及管道內壓的加載過程.為使計算更容易收斂，在支撐套和密封圈裝配之前分別建立1個分析步，對支撐套和密封圈施加較小的位移，有利于各個接觸對達到初始接觸.[9]為防止內護套與接頭內套發生剛體位移，分別約束內護套的y方向位移和接頭內套的所有自由度.

載荷有2種：一種是施加在支撐套參考點上的y方向位移載荷76 mm和法蘭參考點上的位移載荷1 mm，通過加載位移載荷實現支撐套和密封圈的裝配，達到預緊狀態；另一種是施加在流體路徑上的管道內壓均布載荷24.0 MPa，由于最終變形狀態未知，保守選擇可能未發生泄漏的路徑，壓力作用方向沿路徑法線方向.約束和加載見圖5.endprint

圖 5柔性管道接頭密封結構約束和加載

Fig.5Boundary conditions and loading of seal structure of flexible pipe end fitting

2.2計算結果和分析

分析接頭密封結構在預緊狀態和操作狀態下的應力和變形，并根據密封圈的von Mises應力結果判斷密封圈是否屈服失效，根據密封面接觸壓力判斷密封是否失效.

2.2.1密封圈von Mises應力

預緊狀態和操作狀態的von Mises應力和變形計算結果見圖6和7，可知：密封圈的von Mises應力最大值分別為710.8 MPa和705.2 MPa，操作狀態由于有管道內壓的作用，密封圈的von Mises應力有所降低；2種工況下的最大von Mises應力都小于密封圈屈服應力785.0 MPa，密封圈沒有屈服，能適用于管道壓力有波動的工況.

圖 6在預緊狀態下接頭密封結構的von Mises應力

云圖，MPa

Fig.6von Mises stress contour of sealing structure of

end fitting under preload state， MPa

圖 7在操作狀態下接頭密封結構的von Mises應力

云圖，MPa

Fig.7von Mises stress contour of sealing structure of

end fitting under operating state， MPa

2.2.2密封面接觸壓力分布

路徑1和2在預緊狀態和操作狀態的接觸壓力分布對比分別見圖8和9，可知：路徑1預緊和操作狀態的接觸壓力都高于路徑2，且比管道內壓高很多，不會發生泄漏.因此，應該主要考慮路徑2上的接觸壓力分布情況.由圖9可知：預緊狀態和操作狀態的最大接觸壓力都大于管道內壓，沒有發生泄漏失效；管道壓力對路徑2的接觸壓力分布影響不大；相對于預緊狀態，在管道內壓作用下，操作狀態的初始密封點后移，最大接觸壓力較大，說明密封圈有一定的自緊效應[10]，即管道壓力升高，密封面上的接觸壓力也升高.

圖 8路徑1密封圈接觸壓力分布

Fig.8Contact pressure distribution of seal ring in path 1

圖 9路徑2密封圈接觸壓力分布

Fig.9Contact pressure distribution of sealing ring in path 2

3參數靈敏度分析

接頭密封的關鍵是泄漏路徑上的接觸壓力和有效密封長度L，而加載位移、密封圈與接頭內套錐角差、密封圈弧度共同決定密封面上的接觸壓力分布和L的大小.本文主要分析密封結構參數變化對密封圈路徑2上接觸壓力分布的影響.

3.1加載位移

根據接頭密封結構的錐面配合幾何特征，對接頭內套錐角為14.0°，密封圈錐角為12.5°時的加載位移范圍為0.6～1.2 mm中的幾個位移進行分析，密封圈路徑2上接觸壓力分布計算結果見圖10，密封圈von Mises應力計算結果見表3.

圖 10加載位移對密封圈路徑2上接觸壓力分布的影響

Fig.10Effect of loading displacement on contact pressure distribution of sealing ring in path 2表 3密封圈加載位移計算結果

Tab.3Calculation results of loading displacement of

sealing ring加載位移/mm0.60.81.01.2密封圈von Mises應力/MPa386.7635.9731.8842

由圖10可知：隨著加載位移的增大，最大接觸壓力增大，密封面上的初始密封點前移，L增大.綜合圖10和表3的結果，確定加載位移為0.8～1.0 mm時密封圈有較好的密封性能，并且沒有發生屈服.

3.2密封圈錐角

取接頭內套錐角為14.0°，分析密封圈錐角θ為11.0，12.0，12.5，13.0和13.5°時路徑2上的接觸壓力分布情況，結果見圖11，密封圈von Mises應力計算結果見表4.由圖11和表4可以看出：θ越大，最大接觸壓力越大，L越大，密封效果越好.結合管道設計內壓24.0 MPa和密封準則，θ的合理范圍應為12.5～13.5°.

圖 11密封圈錐角θ對密封圈路徑2上接觸壓力分布的影響

Fig.11Effect of cone angle θ of sealing ring on contact pressure distribution of sealing ring in path 2

表 4密封圈von Mises應力計算結果

Tab.4Calculation results of von Mises stress of sealing ring錐角/（°）11.012.012.513.013.5密封圈von Mises應力/MPa845.9844.0724.4701.9710.4

3.3密封圈曲率半徑

分析密封圈曲率半徑R在15～30 mm范圍內變化對接頭密封性能的影響.密封圈曲率半徑R計算結果見表5，R對接觸壓力分布的影響見圖12.由表5和圖12可知：R越小，最大接觸壓力越高，L越大，密封效果越好.結合管道設計內壓24.0 MPa和密封準則，R的合理范圍應為20～25 mm.endprint

表 5密封圈曲率半徑R計算結果

Tab.5Calculation results of curvature radius R of seal ring曲率半徑/mm15202530密封圈von Mises應力/MPa884.8725.6689.7678.2圖 12密封圈曲率半徑R對接觸壓力分布的影響

Fig.12Effect of curvature radius R on contact pressure distribution of sealing ring

4結論

對應用于某海域的柔性管道接頭進行結構分析，研究接頭的密封性能在不同加載位移、密封圈錐角、密封圈弧面曲率半徑下的變化規律，得到以下結論：

1）在密封圈的2個密封面中，密封圈與接頭內套相接觸的密封面是線面接觸的錐面密封，接觸壓力較高；密封圈與內護套相接觸的密封面是面面密封，接觸壓力相對較低，是密封分析的重點.

2）操作狀態比預緊狀態的接觸壓力高，密封圈有一定的自緊效應.

3）密封圈的錐角、弧度和加載位移是影響密封性能的主要設計參數.

4）加載位移越大，最大接觸壓力越大，密封面上的初始密封點前移，有效密封長度增大.加載位移合理范圍為0.8～1.0 mm.

5）接頭內套錐角為14.0°時，密封圈錐角越大，最大接觸壓力越大，有效密封長度越長，密封效果越好.密封圈錐角的合理范圍為12.5～13.5°.

6）密封圈曲率半徑越小，最大接觸壓力越高，有效密封長度越大，密封效果越好.密封圈曲率半徑合理范圍為20～25 mm.參考文獻：

[1]王野. 海洋非黏結柔性管道結構設計與分析研究[D]. 大連： 大連理工大學， 2013.

[2]馮利. 懸鏈式單點系泊立管設計技術研究[D]. 大連： 大連理工大學， 2013.

[3]程耿東. 工程結構優化設計基礎[M]. 北京： 水利電力出版社， 1984： 112.

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[8]魏龍. 密封技術[M]. 2版. 北京： 化學工業出版社， 2010： 7.

[9]付平， 常德功. 密封設計手冊[M]. 北京： 化學工業出版社， 2009： 2.

[10]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析實例詳解[M]. 北京： 機械工業出版社， 2006： 164.

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表 5密封圈曲率半徑R計算結果

Tab.5Calculation results of curvature radius R of seal ring曲率半徑/mm15202530密封圈von Mises應力/MPa884.8725.6689.7678.2圖 12密封圈曲率半徑R對接觸壓力分布的影響

Fig.12Effect of curvature radius R on contact pressure distribution of sealing ring

4結論

對應用于某海域的柔性管道接頭進行結構分析，研究接頭的密封性能在不同加載位移、密封圈錐角、密封圈弧面曲率半徑下的變化規律，得到以下結論：

1）在密封圈的2個密封面中，密封圈與接頭內套相接觸的密封面是線面接觸的錐面密封，接觸壓力較高；密封圈與內護套相接觸的密封面是面面密封，接觸壓力相對較低，是密封分析的重點.

2）操作狀態比預緊狀態的接觸壓力高，密封圈有一定的自緊效應.

3）密封圈的錐角、弧度和加載位移是影響密封性能的主要設計參數.

4）加載位移越大，最大接觸壓力越大，密封面上的初始密封點前移，有效密封長度增大.加載位移合理范圍為0.8～1.0 mm.

5）接頭內套錐角為14.0°時，密封圈錐角越大，最大接觸壓力越大，有效密封長度越長，密封效果越好.密封圈錐角的合理范圍為12.5～13.5°.

6）密封圈曲率半徑越小，最大接觸壓力越高，有效密封長度越大，密封效果越好.密封圈曲率半徑合理范圍為20～25 mm.參考文獻：

[1]王野. 海洋非黏結柔性管道結構設計與分析研究[D]. 大連： 大連理工大學， 2013.

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表 5密封圈曲率半徑R計算結果

Tab.5Calculation results of curvature radius R of seal ring曲率半徑/mm15202530密封圈von Mises應力/MPa884.8725.6689.7678.2圖 12密封圈曲率半徑R對接觸壓力分布的影響

Fig.12Effect of curvature radius R on contact pressure distribution of sealing ring

4結論

對應用于某海域的柔性管道接頭進行結構分析，研究接頭的密封性能在不同加載位移、密封圈錐角、密封圈弧面曲率半徑下的變化規律，得到以下結論：

1）在密封圈的2個密封面中，密封圈與接頭內套相接觸的密封面是線面接觸的錐面密封，接觸壓力較高；密封圈與內護套相接觸的密封面是面面密封，接觸壓力相對較低，是密封分析的重點.

2）操作狀態比預緊狀態的接觸壓力高，密封圈有一定的自緊效應.

3）密封圈的錐角、弧度和加載位移是影響密封性能的主要設計參數.

4）加載位移越大，最大接觸壓力越大，密封面上的初始密封點前移，有效密封長度增大.加載位移合理范圍為0.8～1.0 mm.

5）接頭內套錐角為14.0°時，密封圈錐角越大，最大接觸壓力越大，有效密封長度越長，密封效果越好.密封圈錐角的合理范圍為12.5～13.5°.

6）密封圈曲率半徑越小，最大接觸壓力越高，有效密封長度越大，密封效果越好.密封圈曲率半徑合理范圍為20～25 mm.參考文獻：

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