大溫差對油氣管道卡壓式連接器O形圈密封性能的影響模擬

摘 "要""研究大溫差對油氣管道卡壓式連接器O形圈密封性能的影響。設計包含試驗缸與傳感器的O形圈密封性能試驗臺，利用試驗臺模擬試驗環境，研究待測O形圈在大溫差條件下的泄漏率、應力松弛和抗滲性。模擬結果顯示：溫度在-60～0 ℃時，O形圈泄漏率控制在0.009%以下；溫度在30～120 ℃時，O形圈泄漏率最高可達0.039%，說明低溫條件下O形圈泄漏風險低于高溫，即低溫條件下的密封性能優于高溫條件。當溫度為-60 ℃時，O形圈應力松弛速度較低；當溫度提升至室溫（18 ℃）再提升至120 ℃時，O形圈應力松弛速度呈現一定程度的提升，說明溫度提升將導致O形圈最終應力下降，造成O形圈泄漏率提升，密封性能下降。溫度在-60～0 ℃時，O形圈封裝內部油質液體pH值不變；當溫度達到120 ℃時，油質液體pH值顯著下降，說明溫度越高，O形圈抗滲性越差，密封性能越差。

關鍵詞""油氣管道 "O形圈 "大溫差 "密封性能 "泄漏率 "應力松弛" " "DOI：10.20031/j.cnki.0254-6094.202406004

中圖分類號""TQ055.8+1""""""""""""""""""文獻標志碼 "A""""""""""""""""""文章編號 "0254-6094（2024）06-0000-00

油氣管道是輸送重要能源的關鍵設施，其安全性與可靠性至關重要[1]。連接器O形圈作為油氣管道中的關鍵密封部件，其密封性能的可靠性直接影響著管道的安全運行。O形圈通常由橡膠或塑料制成，但由于油氣管道通常面對復雜的氣候條件，例如氣候寒冷地區或高海拔地區，大溫差是常見現象，會影響連接器的密封性能[2，3]，極易導致能源泄漏，不僅會造成資源浪費，還會對環境造成負面影響[4]。因此，為了確保管道在極端條件下正常運行，研究大溫差對連接器和O形圈密封性能的影響具有重要意義。

郭金柱等利用有限元軟件模擬分析了O形圈密封結構，構建了橡膠O形圈密封結構模型，結果顯示，所構建的模型能夠有效構建O形圈老化狀態和固有頻率間的相關性[5]，但在采用該方法模擬O形圈密封結構時，若材料力學特性在不同溫度下發生重大變化，則使用單一力學特性參數來代表整個溫度范圍內的材料性能可能會帶來不精確的結果。許澤華等研究了O形圈的力學與熱穩定性能，結果顯示，高溫環境下O形圈的拉伸強度由室溫條件下的12.6"MPa提升至17.3"MPa[6]，但由于O形圈會經歷多種不同溫度條件下的循環加載，因此該方法可能無法全面評估O形圈在實際工況中的行為。

針對上述問題，筆者研究大溫差對油氣管道卡壓式連接器O形圈（以下簡稱O形圈）密封性能的影響，了解其在高、低溫環境下的性能表現以及可能存在的問題，以避免連接器O形圈的密封性能失效，保障油氣管道的安全穩定運行。

1 "O形圈密封性能模擬方法

1.1""模擬試驗臺的設計

為了能夠在實驗室環境中準確、可控地模擬和評估O形圈在實際工作條件下的密封性能，設計O形圈密封性能試驗臺，主要包含試驗缸、動力模塊、拉壓力傳感器、位移傳感器及控制柜等。

試驗缸（圖1）作為試驗臺中最主要的組成部分，用于容納和操縱待測試的O形圈。試驗缸主要包含一套配對的油氣入口、出口和兩個泄漏口。密封腔主要包含一對活塞環與研究用O形圈，其中活塞環具有完全對稱性[7]，將其和活塞傳動軸相結合，能夠提升O形圈更換的靈活性。通過在試驗缸內施加外部載荷和壓力，可以模擬實際工作條件下O形圈所承受的應力狀態，以檢測O形圈的密封性能。

動力模塊中的電動缸主要為試驗臺提供恒定的或動態的加載條件，如拉伸、壓縮、擠壓等，由此實現試驗缸內O形圈的運動。在模擬過程中，為了實現無級調速功能，選用ELA802Z-120-00型電動缸。

拉壓力傳感器用于測量試驗過程中施加在O形圈上的力。拉壓力傳感器與動力模塊電動缸的推桿和活塞傳動軸直接連接，為確保連接的直線度，將直線導軌置于推桿和活塞傳動軸上。在O形圈運動過程中，通過拉壓力傳感器獲取活塞傳動軸的推拉應力值，以評估O形圈抵抗外界載荷的能力，并提供其有關力學特性的數據。

位移傳感器連接在動力模塊的活塞傳動軸上，用于測量試驗過程中O形圈變形的情況。模擬過程中，選用GS11型位移傳感器，分辨率4 μm。

控制柜主要用于控制試驗臺開始工作與終止工作，同時具備遠程控制功能，實現O形圈密封性能模擬數據與變化情況的采集、記錄和存儲。

1.2""O形圈選取與大溫差設定

試驗選取P305型O形圈作為待測O形圈[8]，其相關參數見表1。

受油氣管道中介質溫度的影響，O形圈可能會遭受不同溫度下的應力和變形，為此設定不同次數和持續時間的溫度循環（表2），以評估O形圈在溫度變化循環下的密封穩定性和耐久性。

1.3""密封性參數的選擇和計算

O形圈的密封性可通過以下3個參數描述：

a. 泄漏率[9]。泄漏率越低說明其密封性能越好。

b. 應力松弛情況[10]。應力下降將導致O形圈可靠性降低，泄漏率提升。

c. 抗滲性[11]。油氣管道內的液體通常具有一定的腐蝕性，O形圈抗滲性越好，其密封性越好。

1.3.1""泄漏率計算方法設計

采用氣泡檢測法，將一定量的泄漏氣體注入O形圈內部，O形圈置于試驗缸內的油質液體內，氣體經由漏孔進入附近的油質液體內并產生氣泡，依照氣泡產生的速度、氣泡的尺寸以及試驗缸內油質液體的物理性質[12]，即可確定O形圈的泄漏率。

設定所產生的氣泡形狀為球形，以n和分別表示O形圈任意區域泄漏氣泡形成的頻率和氣泡在油質液體表層的直徑，試驗缸內的油質液體表層張力越低，泄漏氣體的壓力越大[13]。考慮油質液體表層張力的影響，模擬過程中所產生的氣泡內外存在一定壓差。若要使得O形圈在密封條件下產生氣泡，需滿足：

其中，表示氣泡中心到油質液體上表層的距離，表示試驗缸內的壓力，表示油質液體的密度，表示大氣壓，表示油質液體表層張力，g表示重力加速度。

由此可以得到氣泡內的壓力為：

由于氣泡內的壓力變化直接反映了氣體從系統中泄漏的速率，因此在標準條件下[14]，可以直接通過氣泡內的壓力表示O形圈的體積泄漏率：

其中，表示標準大氣壓條件下的熱力學溫度。

1.3.2""應力松弛計算

在實際工作環境中，O形圈經受長期的應力、溫度和介質的影響，導致其在一定時間內發生形變和松弛。因此，以應力松弛作為模擬的參數指標，可以更好地模擬實際工作條件下O形圈的性能。在O形圈應變固定的條件下，描述應力松弛影響下[15]O形圈的應力同應變間的相關性如下：

其中，表示應力，表示O形圈材料的松弛函數，表示應變系數。

1.3.3""抗滲性模擬

抗滲性表示O形圈能否有效阻止介質從連接器中滲漏和泄漏。通過研究和評估O形圈的抗滲性，可以確定其對不同介質和工作條件的適應能力以及液體或氣體泄漏的風險。為模擬O形圈在油氣管道中的各種工作狀態，設定O形圈抗滲性模擬過程中，壓差分別為5、10、15、20"MPa，在不同溫度條件下，對其進行抗滲性模擬測試。

2 "模擬與結果分析

2.1""試驗環境設置

2.1.1""線性膨脹變化情況

O形圈在實際工作條件下面臨著溫度變化的影響。不同溫度下，O形圈的材料會發生膨脹或收縮。膨脹可能會導致O形圈與連接器接觸面的變形過大或過小，從而影響密封效果。待測O形圈在不同溫度條件下的線性膨脹變化情況如圖2所示。可以看出，在-60～90"℃條件下，待測O形圈的線性膨脹系數變化趨勢近似于線性。當溫度為90～120"℃時，待測O形圈的線性膨脹系數表現出非線性大幅提升趨勢。當待測O形圈材料的線性膨脹系數較小且截面尺寸和初始預壓縮量較大時，可以降低由于線性膨脹導致的泄漏風險。

2.1.2""泄漏率變化情況

在不同時間、溫度條件下，待測O形圈泄漏率的變化情況見表3。可以看出，在不同時間條件下，當溫度為18"℃時，待測O形圈的泄漏率基本是最低的，且全部控制在0.003%以下；當溫度較低（-60～0"℃）時，待測O形圈的泄漏率較低，且全部控制在0.009%以下；當溫度較高（30～120"℃）時，待測O形圈的泄漏率較高，最高可達0.039%。這是因為待測O形圈材料在溫度升高時，其線性尺寸會隨之膨脹，導致待測O形圈的壓縮量增加，密封應力降低，從而造成泄漏率增大。

2.1.3""大溫差交變循環變化環境設置

耐寒性能是指O形圈在低溫環境下的抗凍裂、彈性恢復及密封性能等方面的表現。通過模擬耐寒系數，可以評估O形圈能否在低溫環境下正常工作，并確定其抵御低溫引起的形變和失效的能力。

對待測O形圈實施120"℃×60"min→-60"℃×30"min的3次循環處理后，對其耐寒系數進行模擬，結果如圖3所示。可以看出，O形圈在經過120"℃×60"min→-60"℃×30"min的大溫差交變循環后，其耐寒系數由初始值0.13降低至0.07，這表明O形圈材料回彈性基本喪失，即大溫差交變對O形圈低溫性能產生顯著影響，導致其密封性能下降。造成這種結果的主要原因有兩個，一是O形圈材料在高溫環境下，材料持續產生老化，令其低溫性能降低；二是O形圈在低溫環境下，材料回彈性能下降，并在恢復過程中回彈性能持續發生微弱轉變，導致其低溫性能降低。

2.2""大溫差對O形圈應力松弛的影響

由于相同的力學松弛現象不僅能夠在溫度相對較高、受力時間相對較短的條件下呈現出來，還能夠在溫度相對較低、受力時間相對較長的條件下呈現。因此，通過一種描述松弛時間與溫度關系的方程體現O形圈力學行為時間與溫度之間的相關性：

其中，表示溫度位移因子，表示材料常數，表示參考溫度。

在油壓和壓縮比分別為5"MPa和15%的條件下，待測O形圈密封接觸應力受大溫差的影響如圖4、表4所示。可以看出，應力作為時間與溫度的函數，在大溫差條件下產生了明顯變化。在低溫（-60"℃）條件下，待測O形圈應力松弛速度較低；隨著溫度提升至室溫（18"℃）再提升至高溫（120"℃），待測O形圈應力松弛速度呈現一定程度的提升，同時，溫度值與待測O形圈應力松弛速率之間呈正比例相關性。溫度的提升將導致待測O形圈應力下降，由此導致待測O形圈可靠性降低，泄漏率提升，密封性能下降。

2.3""大溫差對O形圈抗滲性的影響

O形圈在工作環境中可能會接觸到不同的液體介質，其中包括酸性或堿性介質。pH值是評估液體酸堿性的指標，通過控制介質pH值，可以模擬不同酸堿環境對O形圈材料的腐蝕和損傷程度。不同壓差條件下，大溫差對待測O形圈封裝內部油質液體pH值的影響如圖5所示。可以看出，在溫度較低（-60～0"℃）的條件下，pH值固定不變，說明待測O形圈抗滲性較好；當溫度高于0"℃時，油質液體pH值開始產生下降趨勢；在溫度較高（0～90"℃）的條件下，油質液體pH值下降至9.0左右，說明待測O形圈依然具備較好的抗滲性；當溫度達到120"℃時，油質液體pH值開始顯著下降，達到7.0左右，說明待測O形圈的抗滲性顯著下降。可見，大溫差對O形圈的抗滲性產生了顯著影響，溫度越高，抗滲性越差，密封性能越差。

3 "結論

3.1 "當O形圈處于低溫條件下時，其泄漏風險低于高溫條件。

3.2 "溫度提升將導致O形圈最終應力下降，由此造成O形圈可靠性降低，泄漏率提升。

3.3 "大溫差對O形圈的抗滲性具有顯著影響，溫度越高，抗滲性越差。

3.4 "大溫差交變對O形圈低溫性能具有顯著影響，導致其密封性能下降。

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（收稿日期：2023-12-20，修回日期：2024-11-06）

作者簡介：王建峰（1976-），工程師，從事自動化控制技術的研發及應用方向的研究、安全及自動化控制技術服務工作，wangjianfeng0326@126.com。

引用本文：王建峰，葉思瑩.大溫差對油氣管道卡壓式連接器O形圈密封性能的影響模擬[J].化工機械，2024，51（6）：000-000.