水下机械式三通密封性能分析

李亨涛，张仕民，赵丽爽，陈迎春，张 行，梅旭涛

（1．中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京 102249；2．河北石油职业技术学院，河北 廊坊 065000）

水下机械式三通密封性能分析

李亨涛1，张仕民1，赵丽爽2，陈迎春1，张 行1，梅旭涛1

（1．中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京 102249；2．河北石油职业技术学院，河北 廊坊 065000）

水下管道不停输封堵维抢修技术由于其特有优势，目前已广泛应用于解决海底管道日益加剧的安全问题。介绍了一种用于水下不停输封堵作业的新型水下机械式三通，该新型三通避免了传统焊接式三通安装时可能存在的安全问题，且操作简单，作业时间短。利用有限元模型对该三通的橡胶密封性能进行计算，结果显示其密封圈完全满足10 MPa的密封要求；对橡胶的压缩角度进行优化，并选择10°压缩角作为最终设计。

水下三通；橡胶；密封性能；管道维修

为了解决上述问题，设计了一种适用于浅海水域的水下机械式三通，无需进行水下焊接，完全依靠机械式连接就能完成三通的安装和密封，安装过程安全可靠。在不停输管道中，油气输送压力较大（设计工作压力为10 MPa），需要进行密封设计，机械式三通的密封是通过密封圈的挤压变形完成的。为了使密封安全可靠，本文利用有限元软件对三通橡胶密封圈进行了数值模拟研究，为三通的密封设计提供了可靠的依据。

1 技术分析

水下机械式三通主要由上下部外壳、卡瓦锁紧结构、橡胶密封圈、液压开合机构和连接法兰等零部件组成，结构如图1所示。

图1 水下机械式三通结构

其工作原理为：水下机械式三通上部外壳首先坐落于管道上部，通过液压开合机构，下部外壳和上部外壳闭合，通过两侧螺栓完成上下外壳的连接；外壳连接完成后，拧紧三通两端的进给螺钉，向内推动卡瓦，卡瓦下部卡齿和管道外管壁抱紧锁死，防止三通左右窜动和翻转；挤压卡瓦的同时，橡胶密封圈也受到挤压，橡胶发生压缩变形，与管道形成挤压，完成橡胶圈的密封动作；完成上述操作后，进行压力测试，检验密封性能；检验合格后进行开孔作业。

2 有限元分析

2．1 模型建立

本文以水下机械式三通的周向密封圈为研究对象，该橡胶圈为对称结构，所以建立二维轴对称集合模型。在正确施加边界条件和载荷后，其受力、位移与整体分析相吻合，橡胶密封圈有限元模型如图2。

图2 橡胶有限元模型

2．2 材料属性设置

分析中选用的橡胶密封圈材料为三元乙丙橡胶，由于橡胶的性能非常复杂，描述橡胶本构关系的方法有很多种，其中Mooney-Rivlin材料模型［5-6］可以描述橡胶材料的高弹性。

在理想不可压缩、恒温的条件下，Rivlin提出的两参数本构模型［7］可以表示为

企业文化自20世纪80年代起逐渐经历了引进、启蒙、质问、裂变到整合、本土化的不平凡发展历程。但时至今日，大多数企业仍未形成成熟的企业文化，往往只注重企业文化的形式，而忽略企业文化的内涵；不能将企业文化精神贯穿于企业经营的过程中，企业行为、员工行为与企业文化严重脱节。

式中：C10、C01分别为橡胶材料参数；W为应变密度；I1、I2为第1、第2应变不变量。

利用Mooney-Rivlin两参数模型进行超弹性分析，橡胶材料参数为C10＝0．7 MPa，C01＝0．035 MPa；钢的密度为7 850 kg·m－3；弹性模量为210 GPa；泊松比为0．3。

2．3 网格划分

超弹性分析属于材料和接触非线性，对于网格具有严格的要求，网格的质量直接影响计算结果和计算精度，不合理的网格划分可能造成结果的不收敛。本文主要研究橡胶和管壁的接触压力的分布规律，对橡胶采用CAX4RH，这种网格适用于橡胶的计算，能够控制橡胶变形中的沙漏现象［8］。对橡胶的尖角位置进行网格细化，橡胶网格划分如图3所示。

图3 橡胶有限元网格划分

2．4 设立接触对

根据橡胶压缩过程，橡胶与管壁、压缩块和固定块采用面-面接触，橡胶面作为从面，钢面作为主面，接触面对的静摩擦因数均设为0．5。

2．5 约束和载荷施加

1） 添加约束 本分析采用二维轴对称进行分析，为了使模型的分析更加贴近实际情况，在模型的对称面添加轴对称约束，管道和固定块采用完全轴对称固定。

2） 施加载荷 载荷采用表面压强载荷，在橡胶压缩块的上表面施加15 MPa压力载荷。

2．6 结果分析

橡胶变形有限元分析的整体等效应力云图和管壁接触压力的曲线如图4～5所示。对于橡胶的密封能力，主要是根据接触压力和接触面积判断。由图5可以看出：橡胶变形后和管道的最大接触压力为13．34 MPa；橡胶和管壁接触的位置大约有35 mm，而接触压力在10 MPa以上的接触部分大约有30 mm；完全能够满足密封圈的密封要求。

图4 二维应力云图

图5 管壁接触压力曲线

其位移云图如图6所示，可以看出：橡胶的变形主要集中在橡胶的前上部，而橡胶的后下部变形量几乎为零。为了提高橡胶的变形效果和密封性能，应对橡胶的压缩角进行优化，针对0°、5°、10°、15°和20°的橡胶压缩角度进行了分析，得到管壁接触压力曲线，如图7所示。

图6 位移云图

由图7可以看出：不同的橡胶压缩角度对密封性能有一定的影响，在压缩角度为10°时，表面接触曲线是最平滑的一条曲线，没有大的接触面突变点；而其他压缩角度的橡胶在35～40 mm处的接触压力出现大的变化，特别是压缩角为0°时，最大突变压力为18 MPa。由图7还可以看出：这些突变点位于管道和压缩块的接触缝隙，压力的突变主要是由于分析中的橡胶被压缩块再次挤压，因而增大了橡胶和管壁接触压力，这种压力的突然增大容易使密封圈发生破坏，在设计中应避免这种现象的发生，所以在橡胶密封圈的设计中压缩角采用10°。

图7 不同压缩角度管壁接触压力曲线

3 结论

1） 水下机械式三通采用机械式安装和密封设计，克服了传统水下三通进行水下焊接时存在的安全问题。通过使用该三通可以降低水下开孔机的安装难度，使不停输封堵作业更加快捷、安全，大幅提高海底管道维抢修作业技术水平。

2） 通过有限元分析证明了水下机械式三通的密封圈能够在10 MPa压力下进行有效的密封，可以满足作业要求。

3） 通过对橡胶采取不同的压缩角进行计算对比，得出在10°压缩角时橡胶的密封性能为最优，对最终的设计具有重要指导意义。

［1］柯吕雄，崔嵘，熊永功，等．软管和智能连接器结构及在海底管道维修中应用［J］．石油矿场机械，2013，42（6）：87-90．

［2］陈家庆，焦向东，周灿丰，等．水下破损管道维修技术及其相关问题［J］．石油矿场机械，2004，33（1）：33-37．

［3］喻开安，陈应华，赵宏林，等．用于海底管道维修的组合式机械三通研制［J］．石油机械，2006，35（2）：26-28．

［4］赵兵杰，赵宏林，张宏，等．全自动海底油气管道开孔机的设计［J］．石油矿场机械，2009，36（7）：34-38．

［5］李晓芳，杨晓翔．橡胶材料的超弹性本构模型［J］．弹性体，2005，15（1）：50-58．

［6］Wagner D A，Morman K N，Gur Jr Y，et al．Nonlinear analysis ofautomotive door weatherstrip seals［J］．Finite Elements in Analysis and Design，1997，28：33-50．

［7］Rivlin R S．The elasticity of rubber［J］．Rubber Chem and Technol，1992，65（3）：51-67．

［8］石亦平，周玉蓉．ABAQUS有限元分析实例祥解［M］．北京：机械工业出版社，2008．

The Sealing Performance Analysis of Underwater Tap Clamp

LI Heng-tao1，ZHANG Shi-min1，ZHAO Li-shuang2，CHEN Ying-chun1，ZHANG Hang1，MEI Xu-tao1
（1．College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2．Hebei Technical College of Petroleum Profession，Langfang 065000，China）

Due to its unique advantages，underwater pipeline on-line repair technology has been widely used to solve the problem of subsea pipeline security problems．This paper introduces a new mechanical clamp for hot tapping which can avoid security issues occurred during the installation of the traditional welded clamp，and operation for this new clamp is simple and quick．As rubber seal directly determines the mechanical clamp seal performance at work，this paper utilize the finite element method to calculate its performance which show the sealing ring can completely meet the sealing request under the pressure of 10 MPa．Finally，rubber compression Angle is optimized，and 10 degrees compression Angle is selected as the final design．

underwater tap clamp；rubber；sealing property；pipeline repair

TE973．9

A

1001-3482（2014）01-0011-03

2013-07-11

李亨涛（1989-），男，陕西西安人，硕士研究生，主要从事水下管道维抢修研究，E-mail：422077157＠qq．com。