水下柔性連接器的O形圈球面密封性能分析*

陳宏舉 運飛宏 侯廣信 劉 冬 安維崢 矯克豐 吳 露 王立權

(1.中海石油(中國)有限公司北京研究中心 北京 100028；2.哈爾濱工程大學機電工程學院 黑龍江哈爾濱 150001)

水下連接器作為連接水下生產系統各部分的關鍵裝備，主要應用于水下生產系統中的跨接管連接[1-3]。在水下管道連接中，會因為安裝誤差出現連接管道對中性差等問題，而球形結構可以實現角度補償的優點完美地解決了這一問題。球形結構作為一種柔性結構，球面之間的相互配合可以使相連接的兩部分實現角度的調節，近些年被廣泛應用于水下連接器的設計中。在高壓環境下其密封結構是否能夠正常工作是球形結構設計的關鍵。

橡膠材料擁有優良彈性性能和抗壓變性能，可以有效阻止壓力介質的泄漏。由橡膠制成的O形密封圈廣泛應用于汽車、航空航天、機械及流體傳動機械等領域[4-5]。但O形圈在球形結構中能否與法蘭結構之間保持良好的密封性能仍有待于研究。

SONG等[6]和HOU等[7]均對球形結構的密封進行了研究，但只探討了O形圈的密封性能，未對包括O形圈的整個球面密封結構進行整體設計與研究。此外，國內外學者對連接器球面密封的研究也比較少。為此，本文作者從O形圈材料參數的設計計算、壓力對O形圈密封的影響等方面對連接器的O形圈球面密封結構及密封性能展開研究，為連接器球面密封的設計提供了思路。

1 密封結構模型及參數

文中研究的O形圈球面密封結構來源于球形法蘭連接器的一部分，其結構如圖1所示。該球形法蘭連接器采用螺栓法蘭的連接方式，利用O形圈壓縮變形來實現密封；其應用兩道O形密封圈作為主密封結構，可以通過轉動球形結構來調節連接器的安裝角度。

圖1 球形法蘭連接器結構Fig.1 The structure of spherical flange connector

O形圈球面密封的密封原理為：通過螺栓連接使連接法蘭、定位法蘭與球形結構相互擠壓實現整個結構的鎖緊；O形密封圈經過物理擠壓產生一定的預壓縮量并被密封溝槽固定位置，O形圈與法蘭的接觸面產生接觸應力，在連接器內部被介質充滿后，流體介質壓力會進一步擠壓O形圈，O形圈與法蘭面的接觸壓力將始終大于腔內的流體介質壓力，從而實現了O形圈結構的球面密封。

研究的球面密封結構采用O形圈作為主密封圈，文中根據非線性理論，確定其Mooney-Rivlin本構方程。O形圈的材料通常選用橡膠等超彈性材料，文中采用了應用最為廣泛的丁腈橡膠作為O形圈材料，其密度為1 100 kg/m3，泊松比為0.499。橡膠作為一種超彈性材料，其力學性能有以下3個特點[8]：

(1)不可壓縮性：橡膠材料的泊松比一般在0.45～0.499 9范圍內變化，接近于液體的泊松比0.5，因此橡膠可以看作是一種體積近似不可壓縮的材料。

(2)大變形特性：橡膠高分子材料變形很大，橡膠材料的變形范圍一般在200%～500%，甚至能夠達到1 000%，而很多金屬材料的變形則不足0.5%。

(3)非線性：橡膠材料具有三重非線性，即幾何非線性、材料非線性和邊界非線性。

基于上述分析，在ANSYS Workbench有限元軟件上構建O形密封圈橡膠材料模型，需要考慮橡膠的超彈性特性和不可壓縮性。基于非線性理論，應用Mooney-Rivlin應變能函數[9-11]構建的橡膠材料模型，其本構關系如式(1)(2)所示[12]。

(1)

(2)

式中：U為應變能密度；N為函數的階級；Cij為材料常數；I1、I2、I3為應變不變量；Di為材料常數；J為體積比；λ1、λ2、λ3為主伸張率。

采用Mooney-Rivlin二常數模型，故N取1，模型本構關系如式(3)所示。

(3)

式中：C10、C01為試驗得到的材料參數；D1為材料參數，與材料的壓縮性有關。

O形圈的型號需要根據其硬度和尺寸來選擇，因采用O形圈作為連接器的主密封結構，故選用直徑為7 mm，硬度為85～90HA的O形圈。關于材料硬度，將在下文通過計算得到。

橡膠材料彈性模量E0與剪切模量G有如下關系[13-14]：

(4)

由橡膠的不可壓縮性確定其泊松比μ=0.49，于是E0=3G[15]。

G、E0與C10、C01的關系如下：

(5)

橡膠材料IRHD硬度Hr與橡膠彈性模量E0有如下關系：

lgE0=0.019 8Hr-0.543 2

(6)

由式(5)、式(6)可知，材料參數C10、C01的值取決于IRHD硬度，在數值上近似于國內使用的邵氏硬度。

文中選用邵氏硬度85～90HA的丁腈橡膠O形密封圈作為主密封圈，參考文獻[16]對O形密封圈的Mooney-Rivlin參數進行研究，確定Mooney-Rivlin二常數模型的2個參數如下：

C10=1.946 1 MPa，C01=0.461 9 MPa

通過計算式(5)、式(6)，可以得到在該參數下的橡膠O形密封圈的硬度為86HA左右。

2 密封結構有限元數值分析

2.1 數值分析方法

為了研究O形圈球面密封結構的密封性能，文中主要探究了作用在O形圈上的壓力大小、O形圈的預壓縮量2個因素對其密封的影響。對柔性連接器的O形圈球面密封結構建立有限元模型，因O形圈密封結構為回轉體結構，為減少網格數量，導入的模型結構采用2D 軸對稱模型。在三維軟件上建立平面結構，導入ANSYS workbench，法蘭與球面結構材料選用F22合金材料，O形圈材料選擇硬度為85HA的超彈性材料。

設計的連接器密封結構共有2個O形密封圈且密封圈位置對稱，因文中主要是對O形密封圈的密封性能進行分析，故只對球面結構上方O形密封圈進行有限元仿真分析。對法蘭和密封圈均采用四邊形、三角形復合網格進行劃分，并對O形密封圈及其接觸法蘭面做了網格加密處理，整個模型總共劃分6 965個單元、21 950個節點，如圖2所示。在靜態分析中，設置O形圈與法蘭、球形結構的接觸均為摩擦接觸，且摩擦因數為0.25；法蘭與球形結構的接觸也為摩擦接觸，摩擦因數為0.15；接觸界面的設置均為調整接觸，因橡膠材料的大變形、非線性特性，Large Deflection、Newton-Raphson option設置為Unsymmetric。分2個載荷步施加載荷，第一個載荷步對法蘭施加位移，使法蘭壓縮O形圈達到O形圈的預壓縮量；第二個載荷步對O形圈與流體介質接觸部分施加壓力，進一步增大O形圈與法蘭的接觸應力pseal，使其大于介質壓力pw，達到O形圈的密封要求。

圖2 O形圈密封結構網格劃分Fig.2 Grid of O-ring sealing structure

2.2 數值分析結果及討論

O形圈密封結構作為一種擠壓型自密封結構，只有當密封圈產生了初始變形并具有初始預應力pseal后，密封結構才能不產生泄漏。連接器的上法蘭與球面體結構相互擠壓O形圈使其變形，產生一定預應力，O形圈受到物理擠壓后產生內部預應力，并與法蘭接觸面產生接觸壓力。單獨對模型法蘭施加位移壓縮O形圈，不施加壓力，可以得到如圖3所示的O形圈von Mises應力云圖，以及圖4所示O形圈的接觸壓力分布圖。

圖3 無壓力下O形圈von Mises應力云圖Fig.3 Nephogram of von Mises stress of O-ring under no pressure

在O形圈產生預壓縮量之后，在O形圈上部分施加壓力后，O形密封圈進一步壓縮。在O形圈與介質接觸表面施加工作壓力52 MPa，可以得到如圖5所示的O形圈von Mises應力云圖，以及圖6所示O形圈的接觸壓力分布圖。

圖5 52 MPa壓力下O形圈von Mises應力云圖Fig.5 Nephogram of von Mises stress of O-ring under working pressure of 52 MPa

圖6 52 MPa壓力下O形圈的接觸壓力分布云圖Fig.6 Nephogram of contact pressure distribution of O-ring under working pressure of 52 MPa

為探究流體介質壓力對球面上O形圈密封結構密封性能的影響，對已經預壓縮后的O形圈單側施加不同大小的流體壓力，對比O形圈內部最大等效應力、與壓縮面的接觸壓力的大小。表1給出了不同壓力下最大等效應力與最大接觸壓力的數值。仿真結果顯示，當連接器內部的介質壓力為52 MPa時，密封圈的接觸壓力最大將達到59.261 MPa，因此O形圈球面密封結構的密封性能在52 MPa的流體壓力下是可靠的。

表1 不同介質壓力下最大等效應力和最大接觸壓力Table 1 Maximum equivalent stress and maximum contact pressure under different medium pressures

從表1可以看出，隨著流體壓力的增大，O形圈內部等效應力剛開始增長速度較快，這是由于O形圈作為超彈性結構，在介質的高壓作用下會發生大變形，O形圈進一步被壓縮，導致內部等效應力增大；當其內部等效應力增長到一定程度后，O形圈的變形量會越來越小，所以其內部等效應力也會逐漸穩定，如表1中壓力達到15 MPa以后，O形圈等效應力增長速度逐漸平緩。從表1還可看出，O形圈與法蘭和球面體的接觸面壓力隨作用在O形圈表面的流體壓力增大而增大，并且兩者有呈線性的趨勢。因此，在壓力允許的范圍內，接觸壓力pseal將會一直大于流體壓力pw。

為滿足密封要求，O形圈要求有足夠的密封接觸面積(接觸寬度)，接觸寬度可作為衡量各個密封面的密封性能好壞的標準。用于球面密封的O形圈在密封時共有3個面與O形圈表面接觸，分別是法蘭與O形圈接觸面、密封槽側面與O形圈接觸面、密封槽底面與O形圈接觸面。為了進一步研究介質壓力大小對O形圈的影響，對不同壓力下的O形圈密封結構接觸寬度進行了仿真分析，結果如圖7所示。可見，O形圈的接觸寬度隨外部流體介質壓力增大而增大，但3個接觸面的接觸寬度增長幅度不同。其中法蘭接觸面的接觸寬度增長幅度最小，且其在0～5 MPa介質壓力區間內接觸寬度的增長速度明顯大于5～60 MPa介質壓力區間，這是由于法蘭接觸面是主密封面，在經過法蘭對O形圈的預壓縮之后，法蘭接觸面的接觸寬度已很大。而溝槽側面接觸面、溝槽底面接觸面作為次密封面，一開始的接觸寬度比較小，但隨著流體介質壓力的增大，兩接觸面的接觸寬度增長速度變大，其中在0～5 MPa介質壓力區間內增長速度比較小，在5～50 MPa區間內增長速度較大，在50～60 MPa區間內增長速度趨于平緩。這是由于O形圈受壓側在高壓作用下的大變形導致溝槽底部和側面接觸面上產生較大的接觸壓力，并隨著壓力的增大，O形圈內部應力的增大速度會逐漸平緩，趨近于材料的許用應力值，而溝槽側面、底面接觸面的接觸寬度與O形圈內部應力有關。

圖7 接觸寬度受介質壓力的影響Fig.7 Effect of medium pressure on contact width

綜上所述，密封圈的表面接觸壓力會隨著外部壓力的增大而增大，在連接器的1.5倍設計壓力51.7 MPa下密封圈依然能夠保持良好性能。O形圈與法蘭、密封槽底面的接觸面為主要密封面，從圖7可見主密封面的接觸寬度變化波動較小，數值較為穩定，這也從另一角度證明了密封結構的可靠性。

3 測試裝置內腔密封試驗

為了驗證柔性球法蘭連接器密封結構仿真結果的準確性，設計了包含連接器密封結構的測試裝置，用來檢測O形圈球面密封結構的密封性能。如圖8所示，O形圈球面密封結構試驗測試裝置主要由法蘭、球形結構、O形圈組成。

圖8 測試裝置模型Fig.8 Test device model

圖9所示為驗證連接器密封結構的試驗裝置。實驗過程如下：

圖9 實驗裝置Fig.9 Experimental device

(1)將液壓泵管安裝轉接頭并接入上法蘭接口中。

(2)將壓力機的移動端壓住裝置的上法蘭并施加壓力，使內部O形圈壓縮變形，達到預壓縮量，同時也抑制上下法蘭在通入壓力后上下的移動。

(3)打開液壓泵閥門，往實驗裝置內腔打壓，在達到試驗壓力后記錄數據并保壓。

試驗過程中記錄的不同試驗壓力下的壓力變化數據如表2所示。

表2 不同試驗壓力下內腔壓力的變化Table 2 Change of inner chamber pressure under different test pressure

從表2可見，球面密封結構無論在5 MPa低壓還是在52 MPa高壓環境下工作，都能保證良好的密封性能；實驗裝置在60 min的內部壓力下降最大僅為0.3 MPa，且壓降隨著試驗壓力的增大而增大，但增長幅度小。

如圖10所示，整個保壓期間實驗裝置的泄漏率在試驗壓力為25 MPa時達到最大，在25 MPa以下，泄漏率一直隨著試驗壓力的增大而增大；在試驗壓力超過25 MPa后，泄漏率波動幅度變小，在0.57%～0.67%之間。這是因為在試驗壓力為25 MPa以下時，壓力機工作載荷為1.5 MN，而在試驗壓力為25～52 MPa時，壓力機工作載荷達到了2.0 MN，因此有可能在試驗壓力為25 MPa時，在軸向力1.5 MN下并沒有完全有效地封住實驗裝置；當壓力機載荷達到2.0 MN時，實驗裝置的泄漏率趨于穩定，故可以認為實驗裝置若想達到密封壓力，施加在實驗裝置軸向上的工作載荷需要達到2.0 MN。

圖10 不同試驗壓力下保壓60 min的壓降Fig.10 Pressure drop at different test pressures for 60 min

試驗裝置的密封泄漏率最大僅為0.8%，遠遠低于API 17D標準中對水下連接器裝備的泄漏率要求。因此，文中所研究的非標準O形圈球面密封結構在水下是可靠的。

4 結論

在連接器的1.5倍設計壓力51.7 MPa下，對球面密封結構進行了有限元數值計算，并對密封結構進行試驗驗證。主要結論如下：

(1)水下柔性連接器密封結構在不同工作狀態下均能夠保持良好的密封性能，且介質壓力越大，O形圈與球形結構上的密封槽之間的接觸應力就越大，連接器密封性能有所提升。

(2)試驗證明水下柔性連接器中的法蘭、球形結構及O形圈密封結構可以較好地適應高壓環境的密封，密封泄漏率最大僅為0.8%，遠遠低于API 17D標準中對水下連接器裝備的泄漏率要求。