海底管線水下封堵高壓管卡的設計

傳 建，馬月聰

(天津市海王星海上工程技術股份有限公司，天津300384)

0 引言

在海底管線設計壽命內，由于腐蝕或者其他機械損傷等因素導致管線泄漏的事故時有發生，管線一旦泄漏將污染海洋環境，造成巨大經濟損失。當前國內的大量管線泄漏事故推動國內封堵技術的發展，但大多集中在壓力不超過6 MPa的情況，在設計壓力高于6 MPa的高壓管卡研制技術上還缺乏實踐經驗。因此，本文以設計壓力為14 MPa的304.8 mm(12 in)管卡為設計實例進行了高壓管卡的設計闡述，以推動國內海管搶修中高壓管卡技術的發展。

1 管卡結構設計

1.1 材料選擇

1.1.1 結構材料

本高壓管卡的設計壓力等級達到14 MPa，材料宜考慮鍛件或鑄件。吊耳、合頁等附件采用GB/T 700 Q235B材料，鑄件采用GB/T 11352 ZG200—400級材料。

1.1.2 密封材料

管卡常用的密封材料有密封膠和橡膠條。

帶壓堵漏用的密封膠產品在市場上種類比較多，封堵壓力大多能達到58 MPa以上。注膠密封形式在當前封堵搶修市場上積累了大量成功經驗。

橡膠密封是采用橡膠條，通過對橡膠條的擠壓實現密封堵漏。在以往常規管卡(不超過6 MPa)的設計中，基本上均采用了丁腈橡膠材質，無論是在打壓試驗或是安裝后均沒有出現泄漏問題，考慮到高壓管卡(不小于14 MPa)的要求，本項目采用了性能更好的氟橡膠材質。橡膠通過澆鑄模具鑄成設計的橡膠圈/條尺寸，在管卡安裝前可以提前將密封條放置在設計位置，縮減了水下安裝過程中的工藝過程。

1.1.3 緊固件

結合以往安裝經驗，采用雙頭螺柱，但強度級別和驗收標準均參照鋼結構用高強度大六角頭螺栓標準執行。

1.2 結構選型

常用的管卡結構形式主要有不帶翼緣型和帶翼緣型2種。帶翼緣型管卡如圖1所示。

圖1 帶翼緣型管卡

帶翼緣管卡的優點是結構形式簡單，易于加工制造，可以采用鑄件直接加工而成，結構重量輕，方便安裝。該結構形式的缺點是材料選擇和加工工藝單一，只能采用鑄鋼件加工。該形式管卡適用于壓力較高且對安裝重量要求較高的情況。

1.3 管卡的密封形式選型

采用橡膠條密封的管卡主要有常規密封和機械式密封2種密封形式。

常規密封結構形式簡單，重量輕，在水下安裝過程中的施工工作量相對較小。常規的橡膠條密封如圖2所示。

圖2 常規的橡膠條密封

機械式密封構造相對復雜一些，主要體現在端部徑向密封位置，需要增加頂緊法蘭，同時也增加了水下安裝過程中的施工工作量。考慮到方便潛水員水下安裝的要求，本文采用常規密封形式。

2 結構強度分析

2.1 基本參數

高壓管卡的主體部分由鑄鋼澆鑄而成，材質為GB/T 11352 ZG200，屈服強度為200 MPa。

連接用螺柱選用12.9級M36×350，彈性模量為2.1×1011N/m2，泊松比為0.3。

2.2 螺柱連接的強度分析

上下管卡靠螺柱提供的預緊力來保持密封條的緊密貼合，保證密封性。

螺柱的個數為16個，屈服強度為1 080 MPa，許用應力為360 MPa，試驗壓力為14 MPa，安全系數為3，有效面積 Ae為816.7 mm2。

管卡的內壓為14 MPa，密封圈內的最大長度為600 mm，最大寬度為357 mm。密封槽內與密封圈接觸處的面積為27 812 mm2，壓力按28 MPa計算。管卡所受的垂直凸緣法蘭面的力為:

單個螺柱的受力為:F=F總/16=236 096 N

則螺柱的應力為:σ=F/Ae=289.09 MPa

螺柱的應力小于其許用應力360MPa，因此螺柱的強度滿足要求。

2.3 管卡的強度分析

2.3.1 計算模型

由于上下管卡的模型和受力情況相同，為此選取其中1個的1/2進行強度校核。采用Solid 45單元進行模擬，對管卡進行有限元分析計算，管卡的計算模型如圖3所示。

2.3.2 載荷及約束條件

根據模型的對稱性，選取了管卡的1/4進行計算。對管卡與螺母的接觸圓環面進行3個方向自由度的約束，在對稱平面處施加對稱約束，其他位置未作約束。將管卡的內壓14 MPa施加在管卡內部對應的受力位置上。

2.3.3 計算結果

計算結果的應力云圖如圖4所示。

圖3 管卡計算模型

圖4 管卡的應力云圖

管卡的最大位移很小，僅為0.305×10-3m，發生在管卡半圓環的中心區域;凸緣法蘭與管卡圓環連接處的應力為133 MPa。

山東是黃河下游的重要省份，南北兩側分別毗鄰長三角經濟發展區和京津冀一體化發展區，東面臨近日、韓等發達國家，具備突出的地緣優勢。因此山東具有較強的產業承接能力，同時山東省有發達便利的交通網絡，所以日、韓兩國產業也能夠快速轉移到山東。

通過計算可見，螺柱計算應力為299 MPa，管卡計算應力為133 MPa，均滿足要求。

3 密封設計校核

3.1 橡膠材料的基本數據

由于管卡密封圈是非標準件，沒有標準的規范以供查詢。鑒于其形式的特殊性，故管卡的密封圈的設計計算只能遵循標準密封圈件設計的基本要求和相關的文獻來進行。國產的氟橡膠主要分為4種:23型(1號膠)、26型(2號膠)、246型(3號膠)、四丙膠(FE2701)。綜合考慮市場因素，氟橡膠的性能受到含氟量等多個因素的影響而導致性能有所差異，本設計以密封圈廠家提供的數據作為設計計算依據，見表1。

表1 氟橡膠的機械性能

3.2 基本尺寸的選取

密封圈截面形式為矩形，長度與管卡上密封溝槽的長度一致，因此，密封圈的設計主要包括橫截面寬度和高度的確定。由于密封圈的橫截面為矩形，沒有現成的規范以供查詢，因此初步設計參考文獻［1］和文獻［2］。文獻［1］中給出了矩形橡膠密封圈設計的推薦尺寸。由于鋼管的直徑為304.8 mm，為此，確定矩形密封圈寬為12 mm，高定為6.5 mm。根據規范［3］可知鋼管的外徑存在2.5 mm的誤差，會造成密封圈的偏心，影響其密封性能。考慮以上因素的同時結合文獻［1］中密封圈的初始壓縮率8% ～14%，將密封圈的高度定為8 mm。

3.3 密封圈工作原理與失效準則

管卡中的密封圈可以起到雙向密封的作用。它由安裝時施加的初始徑向位移在密封圈與鋼管的接觸面上產生接觸壓力，使其在徑向和軸向產生初始的密封性能。這種接觸壓力，因密封介質壓力的增大而相應增強，這就產生了隨密封介質壓力而增大的總密封壓力。

根據密封圈的工作原理可知，密封圈的失效主要包括2部分:

一是密封圈在工作狀態下的最大接觸壓應力σ小于工作內壓P，導致密封介質的泄露;二是在密封溝槽槽口的轉角處存在最大剪切應力σxy，當其超過密封圈材料本身的抗剪切強度τxy時，會導致密封圈的撕裂破壞。因此，判斷密封圈的失效準則主要由式(1)和式(2)組成。

橡膠密封條是按照自密封原理進行工作的，其方程式為:

式中:σ1為接觸面的綜合壓應力;σ為最初的接觸應力;P為密封件所受的被密封介質的壓力;α為通過橡膠件傳遞到接觸面上的壓力分量常數，α=0.85 ～ 1［1］。

3.4 密封圈的有限元強度校核

3.4.1 密封圈計算模型及假設

對密封圈進行有限元分析時，鑒于其邊界條件的復雜性，故將密封圈、管卡和管道作為整體進行分析。根據密封結構的幾何形狀、材料和邊界特點，可將三維模型簡化為平面軸對稱模型。

在計算過程中做如下假設:

(1)密封圈材料具有確定的彈性模量和泊松比，密封圈材料拉伸與蠕變的性質相同。

(2)密封圈受到的縱向壓縮視為由約束邊界的指定位移引起的。

(3)密封圈的蠕變不引起體積的變化。

(4)將管卡鋼材視為剛體，其變形不影響最終的計算結果。

取密封圈泊松比為0.499，摩擦系數為0.3。橡膠單元采用超彈單元PLANE 182，接觸單元由接觸單元CONTA 172和目標單元TARGET 169組成。管卡和管道的單元采用PLANE 42，彈性模量為2.06E5，泊松比為0.3。由于橡膠為非線性材料，參考文獻［6］和文獻［7］，采用穆尼-瑞林來描述。

3.4.2 密封圈的計算結果

在施加位移(壓縮)后，密封圈會產生位移和應力。在施加位移載荷計算出結果的基礎上，在密封圈與密封介質的接觸面上施加14 MPa壓強，并計算其結果。密封圈的應力云圖如圖5所示，剪切應力云圖如圖6所示。

圖5 施加壓強后的應力云圖

圖6 施加壓強后的剪切應力云圖

經過上面的分析可知，密封圈接觸面處的最大壓應力為 35.468 MPa，大于密封介質的壓強14 MPa，滿足方程式(1)。密封圈所受的最大剪切應力為3.426 MPa，小于其抗剪切強度，滿足式(2)。因此，密封圈可以滿足密封的要求。

4 結語

本高壓管卡設計已完成制造和壓力試驗，經17.5 MPa(設計壓力14 MPa的1.25倍)試壓并保壓24 h，無明顯壓降，可見采用本設計方法的設計結果達到了預期效果。此管卡無論是在結構強度還是密封性能均滿足要求，可為后續高壓管卡設計提供參考。

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［3］ API SPEC 5L —2000，Specification for Line Pipe［S］.

［4］ 譚晶，楊衛民，等.矩形橡膠密封圈的有限元分析［J］.潤滑與密封，2007(2):36-39.

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［6］ 黃建龍，解廣娟，等.基于Mooney_Rivlin和Yeoh模型的超彈性橡膠材料有限元分析［J］.橡塑技術與裝備，2008(12):22-25.

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［8］ 劉嶺梅.氟橡膠的性能及應用概述［J］.有機氟工業，2001(2):5-7.

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