含腐蝕缺陷的水下連接器密封圈性能分析

劉國恒，張春暉，王瑩瑩 ，劉軍鵬，劉云迪

(1. 中海油研究總院有限責任公司,北京 100027; 2. 中國石油大學(北京) 安全與海洋工程學院,北京 102249)

由于能源需求不斷增加，新勘探到的陸上和淺海重大油氣數量逐漸變少，深海油氣田開發逐漸受到更多關注[1]。傳統的深海平臺式開采具有較高的應用局限性[2]。水下生產系統由于具有建造成本較低，建成周期短等優點，逐漸由淺水應用階段過渡到深水應用階段，是深水油氣開發的重要模式之一[3]。如圖1所示[4]，水下生產系統一般包括水下井口、水下采油樹、水下管匯、跨接管、水下控制系統、水下處理系統、臍帶纜、海底管線、水下連接器等生產設施。本文主要研究水下連接器的密封性能。

圖1 水下油氣生產系統

1 水下連接器研究進展

深水卡爪式連接器結構如圖2所示[5]， 安裝工具結構如圖3[5]所示。安裝連接器的工具上的驅動液壓缸促使鋼制驅動環板下移，與此同時驅動環板將帶動連接器上的驅動環運動。驅動環促使卡爪收攏，卡爪將上轂座和下轂座鎖緊。深水卡爪式連接器上轂座通過焊接的方式連接跨接管端部，下轂座坐落在采油樹等水下生產設施上，兩部分對接后通過上下轂座擠壓密封圈，形成金屬密封，從而實現跨接管和采油樹之間的連通和密封。

圖2 水下連接器結構示意

圖3 連接器安裝工具結構示意

程子云等[6]分析了用于連接采油樹和井口的鎖塊式連接器連接性能，發現鎖塊是整個連接器設計最容易失效的部件；史建東[7]分析了現場使用的連接器失效的原因，并根據原因介紹了其預防措施；李志剛等[8]設計了一種金屬-橡膠雙重密封環，并驗證了其密封性能的優越性。曹偉楓[9]建立了深水井口連接器的簡化力學模型，推導了驅動力計算公式；趙三軍[10]等人分析了連接器的驅動環、卡爪和轂座，利用圖像法得出摩擦因數與機械效益正相關的關系。張康[11]等人采用風險矩陣法對水下連接器安裝失敗事件的風險進行了分析，得出結論：壓縮量對接觸載荷影響最敏感，中徑高次之，密封接觸面傾斜角最不敏感；黃小光[12]等用ABAQUS有限元軟件對VX密封鋼圈進行了接觸特性方面的研究。

密封形式分為金屬密封和非金屬密封，卡爪式連接器的屬于金屬密封連接器。金屬對金屬密封成功地應用于連接器，使連接器密封性能更高，應用范圍更廣。因此,金屬密封研究對連接器主密封，乃至水下生產系統都有著重要意義[13]。

當前，腐蝕對密封圈性能影響的研究很少，為了研究無缺陷密封圈的性能，多數研究學者采用二維軸對稱模型進行有限元仿真。但是，二維軸對稱模型存在局限性，不能很好地反應連接器密封圈的實際受力，結果與真實情況存在較大誤差；另外，由于密封圈腐蝕缺陷不具有軸對稱特性，所以二維軸對稱模型無法分析腐蝕缺陷對密封圈性能的影響。

2 有限元建模

針對如上不足，本文建立了三維仿真模型進行分析，研究深水連接器在不同工況下的密封圈密封性能，以及密封圈在腐蝕情況下的密封性能。

2.1 三維模型

為提高計算效率，忽略卡爪、驅動環等部件。在SolidWorks中將上、下轂座和密封圈分別建模，然后完成裝配，如圖4所示。將SolidWorks格式保存為parasolid(*.x_t)，導入到Abaqus有限元軟件中。連接器上、下轂座的主要尺寸如圖5所示，密封圈主要尺寸如圖6所示。

圖4 水下連接器結構簡化模型

圖5 連接器上、下轂座尺寸

圖6 連接器密封圈尺寸

Inconel625的應力應變關系如圖7所示[14]。

圖7 Inconel625的塑性形變和應力關系

上、下轂座和密封圈的材料參數如表1。

表1 零件材料屬性

2.2 邊界條件

水下連接器的實際工作條件比較復雜，同時也面臨著海流、循環內壓等環境載荷。本文建模的邊界條件為：連接器上轂座上部承受預緊力，上下轂座和密封圈內部承受介質壓力，下轂座外側承受海水壓力作用，海水壓力為15 MPa，下轂座底部固定約束。通過改變預緊力和內部介質壓力來模擬連接器不同的工作狀態。當連接器處于預緊狀態時，連接器承受介質壓力為0；當連接器處于工作狀態時，內部分別施加14、35、52 MPa壓力，模擬不同工況的介質內壓。

2.3 分析步及網格劃分

分析步設置采用ABAQUS靜力分析步，打開幾何非線性。相互作用設置：法向為“硬接觸”(Hard Contact)；切向為罰摩擦公式(Penalty)，摩擦因數為0.15。共有兩對相互作用，密封圈上表面與上轂座接觸，密封圈下表面與下轂座接觸，接觸形式為有限滑移接觸。選擇C3D8R(八節點六面體線性縮減積分單元)單元進行網格劃分。上轂座劃分為141 96個網格，下轂座劃分為13 747個網格，密封圈劃分為62 792個網格。由于密封圈的受力情況是判斷密封性能的重要依據，所以對密封圈網格的劃分比對轂座網格的劃分更加細致。

3 金屬密封性能判定

3.1 金屬-金屬密封原理

由于制造精度的原因，加工后的金屬表面一定不是純平面，表面會有凸起或凹陷。形成金屬密封的兩個接觸面之間通常硬度相差較大，相互擠壓使得較軟的金屬發生塑性變形和滑移，填充表面孔隙，實現密封。密封形式分為線密封和面密封，錐形密封是面密封。

3.2 金屬密封性能判定依據

金屬密封性能根據接觸應力和接觸寬度判定。關于接觸應力，在預緊工況下，接觸面應力應大于密封比壓才能實現有效密封，關于密封比壓的推導及計算可參考文獻[14]，計算結果為179.3 MPa。在生產工況下，由GB150—2010規范[15]相關規定可知，墊片系數為6.5，即生產工況下接觸應力須是介質壓力的6.5倍。關于接觸寬度，由文獻[16]可知，密封圈受壓后，產生的密封帶長度在1.5～2.0 mm時，才能保證密封性能。

4 連接器密封狀態分析

4.1 判斷連接器密封性能方法

通過ABAQUS得到連接器各個工況的仿真結果，通過后處理可以得到密封圈的接觸應力分布云圖，分別提取上下接觸面各13個節點接觸應力，根據接觸應力和接觸寬度判定連接器密封性能。

關于接觸應力，連接器鎖緊后，錐形密封圈受到上、下轂座擠壓，密封圈和轂座表面產生接觸應力。接觸應力的分布是不均勻的，密封圈與下轂座接觸位置的節點接觸應力大于與上轂座接觸處相應節點的接觸應力；錐形密封圈與上下轂座的2個接觸面的接觸應力分布規律相同，如圖8所示，節點11處的接觸應力值最大，節點11至節點1接觸應力值緩慢下降，節點11至節點13的接觸應力值急劇下降。

圖8 密封性能判定方法

關于接觸寬度，節點12至節點13接觸應力無法滿足預緊工況和生產工況，不計入接觸寬度。節點11至節點7之間的距離為2 mm，在預緊工況下，當節點7的接觸應力大于密封比壓179.3 MPa時，連接器密封合格；在生產工況下，當節點7的接觸應力大于6.5倍介質壓力時，連接器密封合格。

4.2 最小預緊力

在預緊工況下，在連接器內部介質壓力為0，通過改變預緊力數值，得到相應的密封圈接觸應力分布云圖，當節點7接觸應力大于等于密封比壓179.3 MPa時，對應的預緊力是預緊工況下保證連接器密封性能所需要的最小預緊力。

在工作工況下，在連接器內部分別施加14、35、52 MPa壓力,模擬不同工況介質內壓，不斷改變預緊力，得到密封圈接觸應力云圖，當節點7接觸應力大于等于6.5倍介質壓力時，對應的預緊力是相應生產工況下保證連接器密封性能所需要的最小預緊力。

圖9 接觸應力-預緊力

圖10 節點應變-預緊力

如圖9所示，當介質工作壓力一定時，接觸應力隨預緊力的增大而增大。由數據可得，當介質壓力分別為0、14、35、52 MPa時，為保證連接器密封性能，所需要的最小預緊力分別為444、482、615、778 kN。如圖10所示，密封圈內側6個節點應變隨預緊力增大。

5 密封圈腐蝕對水下連接器密封性能影響

密封環腐蝕是導致連接器密封失效的常見原因之一。本節通過在密封圈上預置不同半徑的腐蝕坑，探究腐蝕坑半徑對于密封性能的影響。

在密封圈內部預置半徑6、9 mm的腐蝕坑，如圖11～12所示。利用ABAQUS模擬連接器在正常工作情況下(介質內壓34 MPa)，當預緊力發生改變時，腐蝕坑半徑引起的密封性能的變化。腐蝕坑半徑增加，密封環接觸應力降低，密封性能降低，如圖13所示。腐蝕坑半徑越大，要保證連接器密封性能所需要的預緊力越大。當預緊力一定時，隨著腐蝕坑半徑增加，密封圈內側的節點應變逐漸變小，如圖14所示。

圖11 ?12 mm腐蝕坑

圖12 ?18 mm腐蝕坑

圖13 接觸應力-腐蝕坑半徑

圖14 應變-腐蝕坑半徑

6 結論

1) 通過ABAQUS對水下連接器簡化模型進行有限元分析，得到了連接器密封圈在不同工況下的應力云圖。進而可以得到連接器臨界密封失效狀態。

2) 經過仿真得出，只有當預緊力足夠大，使密封圈接觸表面產生合理的塑變，連接器才能滿足密封要求。

3) 當介質壓力分別為0、14、35、52 MPa時，為保證連接器密封性能，所需要的最小預緊力分別為444、482、615、778 kN。

4) 當介質壓力增大時，為保證連接器密封性能，所需要的最小預緊力隨之增大。

5) 連接器密封性能隨密封圈腐蝕坑直徑的增加會明顯降低。