復(fù)合管超高壓測試密封堵頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析*

潘 隆 黃賢濱 屈定榮 單廣斌 劉 艷 蔣 秀

(中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院 山東青島 266000)

復(fù)合管(RTP管)結(jié)合碳纖維、玻璃纖維纏繞增強(qiáng)，具有良好的耐腐蝕、耐高壓特性，以及強(qiáng)度、韌性較好等優(yōu)點(diǎn)，近年來成為油氣運(yùn)輸?shù)男逻x擇。管道由設(shè)計(jì)生產(chǎn)到實(shí)際應(yīng)用過程中需要經(jīng)過數(shù)道工序的檢驗(yàn)，如外部檢查、材質(zhì)檢驗(yàn)、壁厚測定、無損檢測、理化檢驗(yàn)、安全保護(hù)裝置檢驗(yàn)、耐壓強(qiáng)度校核、爆破檢驗(yàn)、泄漏檢驗(yàn)等。纖維增強(qiáng)型復(fù)合管一般分為內(nèi)襯層、纖維增強(qiáng)層以及外保護(hù)層。結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)襯層與外保護(hù)層一般以HDPE材質(zhì)為主。

圖1 纖維纏繞復(fù)合管結(jié)構(gòu)示意

由于復(fù)合管材質(zhì)強(qiáng)度與金屬管相比相差較大，在進(jìn)行爆破等實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)時(shí)，又需要施加正常工作壓力5倍以上的超高壓力，爆破壓力往往能達(dá)到100 MPa。因此，如何能在超高壓條件下實(shí)現(xiàn)復(fù)合管道的密封，使得爆破壓力穩(wěn)定維持在超高壓，滿足檢驗(yàn)要求就成為一個(gè)亟待解決的問題。

本文作者設(shè)計(jì)了一種新型高壓復(fù)合管密封堵頭結(jié)構(gòu)，并利用Solidworks以及Workbench對復(fù)合管封堵頭密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析以及氣密性分析。通過理論建模仿真的方式，對所設(shè)計(jì)的復(fù)合管密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核分析、材料選型以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為超高壓作用下復(fù)合管材爆破試驗(yàn)封堵頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 復(fù)合管超高壓密封頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文中結(jié)合現(xiàn)有管端封頭結(jié)構(gòu)，研發(fā)了一種新型的復(fù)合管金屬密封堵頭結(jié)構(gòu)(已申請專利：CN201910948898.8)，并對其進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。目前，研究人員對密封結(jié)構(gòu)尤其是O形圈結(jié)構(gòu)的力學(xué)仿真分析較為深入[1-5]，而針對金屬密封結(jié)構(gòu)的仿真分析較少。文中運(yùn)用Solidworks進(jìn)行了密封結(jié)構(gòu)物理建模，物理模型如圖2、3所示。

新型復(fù)合管超高壓密封頭結(jié)構(gòu)由壓緊螺母、內(nèi)襯壓筒、外壓緊筒、緊固螺栓、拉緊桿以及△-V形密封圈組成。如圖2所示，其工作原理為：通過拉緊桿6拉緊△-V形密封圈7，密封圈上端通過內(nèi)襯壓筒2壓緊，拉緊桿6軸向拉緊密封圈的同時(shí)，通過斜面使密封圈徑向壓緊，確保密封圈與管內(nèi)壁充分接觸；拉緊桿6通過壓緊螺母1進(jìn)行緊固，提供預(yù)緊力，使得密封圈變形密封；外壓緊筒3通過緊固螺栓4連接，確保外壓緊筒能夠鎖緊管端；同時(shí)，外壓緊筒與內(nèi)襯壓筒之間通過密封圈密封，以此實(shí)現(xiàn)二次密封。

圖2 新型復(fù)合管超高壓密封頭結(jié)構(gòu)剖視圖

圖3 新型復(fù)合管超高壓密封頭結(jié)構(gòu)整體視圖

2 超高壓下不同材質(zhì)密封圈自密封性能分析

根據(jù)充填式密封圈密封壓力分布規(guī)律可知，如圖4所示，壓緊表面為固體接觸，其密封作用70%是靠壓緊端蓋附近的密封圈提供，磨損較大，壽命較短。故對首先與拉桿接觸的最下部△-V形密封圈組合中的上部V形部分進(jìn)行分析。對于三組密封圈來說，最下層密封圈為與管內(nèi)壓力直接接觸的第一層密封，需要達(dá)到的密封條件最為嚴(yán)苛。

圖4 填充式密封壓力分布

密封結(jié)構(gòu)需要在滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)要求的情況下，同時(shí)滿足氣密性要求。若要滿足氣密性要求，需要保證密封圈具有較大的變形量，理論上與管內(nèi)壁作用產(chǎn)生的最大應(yīng)力需要大于被密封環(huán)境內(nèi)的最大壓力。另外，在實(shí)際應(yīng)用中，在保證理論密封的條件下，還要滿足密封氣密性安全系數(shù)的要求。

綜上，在選擇密封圈材料時(shí)，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)力學(xué)與氣密性2個(gè)要求。保證密封圈在不至于受力破損的條件下，具有盡可能大的變形量，與管道內(nèi)壁充分接觸，形成良好的密封。在超高壓的條件下，無論是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度還是氣密性對密封圈來說都是一個(gè)巨大的考驗(yàn)。根據(jù)強(qiáng)度條件選擇的材料往往不能夠?qū)崿F(xiàn)大變形，無法滿足氣密性要求；根據(jù)氣密性條件選擇的材料，又因?yàn)樽冃瘟吭诔邏簵l件下過大，而導(dǎo)致變形嚴(yán)重，材料破損。由此可見，在超高壓條件下密封圈材料的選擇尤為重要。

下面針對不同材料的密封圈進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)與氣密性分析。通過對常用的密封圈的材質(zhì)[6-11]進(jìn)行分析后可知，以往的非金屬密封圈不能滿足超高壓密封的要求，超高壓密封一般采用金屬材料的密封圈，如鑄鐵、銅、碳鋼、鎳基硬合金、鈷基硬合金以及其他合金等。故選取金屬密封圈對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封。

將Solidworks的建模導(dǎo)入Workbench軟件中，材料設(shè)定如表1所示，分別將密封圈材料設(shè)定為結(jié)構(gòu)鋼、灰鑄鐵、銅合金以及鎂合金來進(jìn)行力學(xué)分析。由于氣密性主要與最下部△-V形密封圈組合中的上部V形結(jié)構(gòu)有關(guān)，故僅對模型中關(guān)鍵部位進(jìn)行仿真，并對其余部位隱藏處理。對其進(jìn)行重新劃分網(wǎng)格處理，并對密封件關(guān)鍵部位調(diào)整為較密的網(wǎng)格密度，如圖5所示。

表1 密封結(jié)構(gòu)仿真材料

圖5 最下部△-V形密封圈組合網(wǎng)格劃分

對與最下部△-V形密封圈組合接觸的上一層密封圈的△部位進(jìn)行保留，并施加固定約束，對拉緊桿底部施加100 MPa壓力模擬管道內(nèi)壓。如圖6所示，并對其進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖6 邊界條件設(shè)定

由于在實(shí)際密封中，密封圈外圈與管內(nèi)壁接觸部分為判定氣密性的關(guān)鍵，故對仿真計(jì)算出的von Mises應(yīng)力結(jié)果，如圖7所示，在內(nèi)壁交界處進(jìn)行路徑添加，僅對邊界部分壓力分配做分析。如圖8所示。

圖7 密封組合中上部V形結(jié)構(gòu)von Mises應(yīng)力云圖

圖8 內(nèi)壁接觸邊緣路徑von Mises應(yīng)力分布

將最下部△-V形密封圈組合中的上部V形結(jié)構(gòu)材料改成灰鑄鐵材料，其他部分材料保持為結(jié)構(gòu)鋼材料，對其進(jìn)行重新仿真計(jì)算，判斷灰鑄鐵材料密封圈的特性。

從圖9—12所示的路徑應(yīng)力曲線可以看出，在內(nèi)部壓力為100 MPa時(shí)，鎂合金材質(zhì)密封圈在與管內(nèi)壁接觸部分平均壓緊應(yīng)力約為30 MPa，比其他材質(zhì)的密封圈性能較為優(yōu)越；但是其最高壓緊應(yīng)力也只為48.47 MPa，且密封圈最下端僅能夠提供6 MPa的壓緊應(yīng)力。故理論上不能依靠管內(nèi)高壓實(shí)現(xiàn)自密封，需要通過外部施加外夾緊應(yīng)力，以及拉桿上端拉緊應(yīng)力，與內(nèi)壓共同作用實(shí)現(xiàn)密封。理論上，施加的拉桿上端拉緊應(yīng)力越大，對密封環(huán)作用力越大，密封效果就越好。

圖9 結(jié)構(gòu)鋼密封圈路徑應(yīng)力曲線

圖10 灰鑄鐵密封圈路徑應(yīng)力曲線

圖11 銅合金密封圈路徑應(yīng)力曲線

圖12 鎂合金密封圈路徑應(yīng)力曲線

螺栓或螺釘作為緊固件時(shí)，其螺紋連接可靠程度對機(jī)械整體質(zhì)量具有重要的影響[12]。由于上端拉緊結(jié)構(gòu)是通過螺栓結(jié)構(gòu)與螺母配合的方式提供上端拉緊應(yīng)力，過高的預(yù)緊力，如若控制不當(dāng)或者偶然過載，會導(dǎo)致連接失效，所以需要對拉緊應(yīng)力進(jìn)行限制。由于預(yù)緊力并不能直接測量，故一般通過測量擰緊力矩來間接檢測軸向預(yù)緊力[13]，螺紋連接質(zhì)量可靠性的實(shí)質(zhì)是要將軸向預(yù)緊力控制在適當(dāng)范圍內(nèi)。此處選擇碳素鋼螺栓進(jìn)行計(jì)算，預(yù)緊力大小[14]為

F′=0.65σsAs≈0.65Fp

(1)

式中:σs為螺栓材料的屈服應(yīng)力，Pa；As為螺栓公稱應(yīng)力截面積，m2；Fp為螺栓的保證載荷，N。

依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊經(jīng)驗(yàn)公式[15]如下:

T=KFd

(2)

式中:T為擰緊力矩，N·m；K為擰緊力矩系數(shù)，量綱為一；d為螺紋公稱直徑，m；F為預(yù)緊力，N。

根據(jù)模型尺寸選擇8.8級GB/T 5783M12螺栓為例，使用條件為一般加工表面，裝配時(shí)無潤滑劑，其保證載荷Fp=48 900 N。根據(jù)式(1)可得出F′=31 785 N，則其可提供的最大預(yù)緊應(yīng)力σ=F′/A=281.2 MPa。取安全系數(shù)為1.8，則設(shè)計(jì)的拉緊應(yīng)力為150 MPa。又依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊取K=0.195，d=12 mm，則根據(jù)式(2)可得出T=KdσA=39.67 N·m。

綜上，在安裝壓緊螺母時(shí)，施加的擰緊力矩需控制在40 N·m，所提供的拉緊應(yīng)力為150 MPa比較合適。

3 多種壓力條件作用下密封結(jié)構(gòu)性能分析

由于管道為復(fù)合管材，材質(zhì)為非金屬材質(zhì)，其屈服應(yīng)力與金屬管材相比差距較大，故在保證密封壓緊力滿足需要的基礎(chǔ)上，還要保證外部施加的壓力盡可能地小，盡量減少對管材外壁的損害。故需要對加上外部夾緊力后的密封模型進(jìn)行仿真分析。

如圖13所示，密封環(huán)材料選擇為鎂合金，對拉緊桿下部施加100 MPa模擬管內(nèi)壓力；拉緊桿上部施加150 MPa拉應(yīng)力，模擬壓緊螺母提供的預(yù)緊力；在管外壁首先施加20 MPa外夾緊應(yīng)力；對與最下部△-V形密封圈組合接觸的上一層密封圈的△部位施加固定約束，并設(shè)定接觸邊緣路徑進(jìn)行仿真分析。

對管道進(jìn)行簡化，如圖14所示。

在內(nèi)壁交界處進(jìn)行路徑添加，僅對邊界部分壓力分配做分析。如圖15所示。

圖13 壓力條件設(shè)定 圖14 模型簡化 圖15 加壓后邊緣路徑等效應(yīng)力分布

在拉緊桿下部施加了100 MPa壓力，拉緊桿上部施加150 MPa拉力的前提下，在管外壁施加不同的外夾緊力時(shí)路徑應(yīng)力曲線如圖16所示。

圖16 外夾緊壓力作用下路徑應(yīng)力曲線

從圖16可以看出，當(dāng)管外壁施加的外夾緊力處在60～80 MPa時(shí)，最下部△-V形密封圈與管壁接觸邊緣路徑的最小壓緊力處于100 MPa左右，且其平均壓緊力在250～350 MPa之間，邊緣路徑兩端的安全系數(shù)可以達(dá)到4.5～5.5。由此可證明，在該條件下的密封模型理論上能夠滿足密封條件。

另外，在外夾緊力80 MPa的條件下，需要對其最大變形量以及安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。在Workbench中Solution模塊添加Total Deformation以及Stress Tool，分析得出結(jié)果如圖17、18所示。

圖17 外夾緊力80 MPa下變形量云圖

圖18 外夾緊力80 MPa下安全系數(shù)分布云圖

從圖17中可以看出，整體結(jié)構(gòu)最大變形出現(xiàn)在管壁外側(cè)，且最大變形量為0.2 mm，變形量很小。從圖18中可以看出，由于管壁材料設(shè)置為非金屬材料，安全系數(shù)較小，為1左右；密封圈處由于需要受力變形提供密封，安全系數(shù)較小，為1～1.5。除此之外，安全系數(shù)整體處在3～5。另外，密封結(jié)構(gòu)的外夾緊力需要外接管夾具來提供，管夾具模型參考圖19所示，管夾具需夾在與密封圈對稱的外管壁位置。綜上所述，該密封結(jié)構(gòu)仿真分析表明能夠滿足超高壓管壓試驗(yàn)條件。

圖19 管夾具模型

4 結(jié)論

利用Solidworks以及Workbench對所設(shè)計(jì)的復(fù)合管封堵頭密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析以及氣密性分析。結(jié)果表明：

(1)在內(nèi)部壓力為100 MPa的前提下，分別設(shè)定密封圈材質(zhì)為結(jié)構(gòu)鋼、灰鑄鐵、銅合金以及鎂合金材料。其中，鎂合金材質(zhì)密封圈在與管內(nèi)壁接觸部分平均壓緊力約為30 MPa，性能較為優(yōu)越。但是其最高壓緊力較小，理論上不能夠依靠管內(nèi)高壓實(shí)現(xiàn)自密封，需要通過外部施加外夾緊力，以及拉桿上端拉緊力，與內(nèi)壓共同作用實(shí)現(xiàn)密封。

(2)在拉緊桿下部施加100 MPa壓力，拉緊桿上部施加150 MPa拉力的前提下，當(dāng)管外壁施加的外夾緊力處在60～80 MPa時(shí)，最下部△-V形密封圈與管壁接觸邊緣路徑的最小壓緊力處于100 MPa左右；且其平均壓緊力在250～350 MPa之間，邊緣路徑兩端的安全系數(shù)可以達(dá)到4.5～5.5，密封模型理論上能夠滿足密封條件。

(3)在超高內(nèi)壓100 MPa的情況下，內(nèi)徑100 mm厚度11 mm的HDPE基體復(fù)合管，運(yùn)用改良后的封堵頭結(jié)構(gòu)以及選定的材料，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)密封；且材料靜力學(xué)安全系數(shù)可保證在3～5，密封性安全系數(shù)可保證在2.5～3.5。研究結(jié)果為超高壓作用下復(fù)合管材高壓試驗(yàn)封堵頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供理論依據(jù)。