（机械电子工程专业论文）海底管道修复连接器的研究.pdf

海底管道修复连接器的研究 i u 摘要 海底石油管道快速修复技术是保证海上油气正常生产的一项重要研究课题，国外已 经将这项技术成功地应用于工程实际，研制出多种型号、适用各种管道的修复连接器， 研制适合于我国海上油气生产的管道修复连接器有利于提高经济效益，促进相关海洋工 程技术的发展，具有重大的战略意义。 本文重点研究了海底石油管道修复连接器的密封原理与结构设计、优化和连接可靠 性问题。首先从接触式静密封理论出发，从理论上解决连接器密封问题，为连接器结构 优化与可靠性分析提供理论依据，并讨论了连接器实际工作时影响其密封能力的外在因 素。由管道连接时受力状态简化出其理论模型，求得管道受环形压力带问题的弹性力学 近似解。设计了适用于8 英寸海底石油管道快速修复的连接器结构，借助计算机辅助工 程( q 垣) ，利用有限元法与优化技术的结合，成功地解决了基于最佳密封性能与最小 加载力的结构优化问题，有效地提升了连接器密封能力，并大幅减小了所需的最大加载 力，获得了连接器最优结构尺寸。 本文最后研究了管道参数具有随机性时的概率可靠性问题，依据可靠性基本理论并 结合a n s y s 软件的概率设计系统，分析连接器密封能力与最大加载力对管道外径、壁 厚和材料参数变动的敏感程度，依据应力一强度干涉模型，计算连接器连接时的可靠度， 根据概率乘法计算出整条管线的可靠度。 关键词：海底管道修复连接器；密封；管道受环形压力带；多目标优化；可靠性 海底管道修复连接器的研究 a b s t r a c t s u b s e ao i lp i p e l i n ef a s tr e p a i rt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i ct oe n s u r en o r m a l p r o d u c t i o no fo f f s h o r eo i la n dg a s ，f o r e i g nc o u n t r i e sh a v es u c c e s s f u l l ya p p l i e dt h i st e c h n o l o g y t o e n g i n e e r i n g ，d e v e l o p e d av a r i e t yo fc o u p l i n g s ，w h i c hc a nb ec o m p e t e n tt ov a r i o u s p i p e l i n e sr e p a i r t h er e s e a r c hf o rc h i n a ss u b s e ao i la n dg a sp i p e l i n er e p a i rc o u p l i n g si so f g r e a ts t r a t e g i cs i g n i f i c a n c e ，w h i c h w i l lb eh e l p f u lt oi m p r o v ee n e r g ye c o n o m i ce f f i c i e n c y ，a n d p r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fr e l e v a n tm a r i n ee n g i n e e d n gt e c h n o l o g ya sw e l l t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fs u b s e ao i lp i p e l i n er e p a i rc o u p l i n g s ，i n c l u d i n gs e a l p r i n c i p l e ，s t r u c t u r a ld e s i g na n do p t i m i z a t i o n ，c o n n e c t i o nr e l i a b i l i t y ，e t c f i r s t l y ，w i t hc o n t a c t s e a lt h e o r y ，c o u p l i n g s s e a lp r o b l e mh a sb e e ns o l v e d s e a lt h e o r ya l s oi st h eb a s i so f c o n n e c t i o nr e l i a b i l i t ya n a l y s i sa n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n e x t e m a li m p a c tf a c t o r sw h i c h a f f e c tc o u p l i n g s s e a lc a p a c i t yi np r a c t i c ea l s oi sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h ea p p r o x i m a t e e l a s t i c i t y s o l u t i o no fp i p e l i n ew i t hp r e s s u r e r i n gi so b t a i n e du s i n ga x i s y m m e t r i ce l a s t i c i t y t h e o r y 8 - i n c hs u b s e ao i lp i p e l i n er e p a i rc o u p l i n gs t r u c t u r ei sd e s i g n e da n do p t i m i z e dw i t h c a e ，t h eb e s tc o u p l i n g s s e a lc a p a c i t ya n dm i n i m u mp r e s sf o r c ea r eo b t a i n e ds u c c e s s f u l l yb y c h a n g i n gs t r u c t u r ed i m e n s i o n f i n a l l y ，t h ep r o b a b i l i t yo fr e l i a b i l i t yi sr e s e a r c h e db e c a u s eo ft h er a n d o m n e s so fp i p e l i n e b a s e do nt h e o r yo f r e l i a b i l i t y ，t h es e a lc a p a c i t ya n d m a x i m u mp r e s sf o r c e ss e n s i t i v i t yt op i p e d i a m e t e r , w a l lt h i c k n e s sa n dm a t e r i a ly i e l ds t r e s si sc a l c u l a t e du s i n gp r o b a b i l i t yd e s i g n s y s t e mi na n s y s t h ec o u p l i n g s r e l i a b i l i t yi so b t a i n e dw i t hs t r e s s - s t r e n g t hi n t e r f e r e n c e t h e o r y ，a sw e l la st h er e l i a b i l i t yo fe n t i r eo i lp i p e l i n e k e yw o r d s ：s u b s e ap i p e l i n er e p a i rc o u p l i n g ；s e a l ；p r e s sr i n go np i p e ；m u l t i o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n ；r e l i a b i l i t y 第1 苹绪论 第1 章绪论 1 1 引言 海底石油管道作为海上油气开采的输送设备，其安全性是关系到海洋石油开采系统 正常运行的重要问题，与陆上管道相比，海底管道运行风险更大，失效概率更高，这主 要与其工作环境条件恶劣密切相关p 1 。海底石油管道发生失效的主要原因包括腐蚀、波 流冲刷、机械破坏或第三方活动、海床运动、结冰等，特别是处在恶劣环境下工作的海 底石油管道，高压、高温、高频振动和化学腐蚀等因素的存在都会使海底石油管道的使 用寿命大幅减小，一旦发生海底石油管道的失效，不仅会造成海上油气田停产、原油污 染海洋环境，而且还会影响油气被供应方的正常生产和生活。因此，在发生海底石油管 道失效时要实现快速修复连接，尽量减少因管道泄漏造成的损失。 海底石油管道的及时修复技术是海上油气田生产的一项重要研究课题，目前国内对 于海底管道修复连接器的研究还处于起步阶段，真正能用于实际作业的修复连接器还没 有研制出来，而在国外海底石油管道修复已经成为一个比较成熟的产业，国际上许多著 名的海洋工程公司和潜水作业公司都开展了海底管道维修工作，有着丰富的经验，并且 成功地实现了深水管道的遥控修复h ，其管道修复技术达到很高的水平，能够应用于多 种复杂海底环境、多种类型管道的修复连接，并且能够生产不同型号、多种系列的管道 修复连接器。目前国内海底管道修复作业也多由国外公司承担，这不仅在经济效益上产 生诸多问题，同时制约了海洋工程领域的发展，因此，迫切需要开展海底石油管道修复 技术的研究。 1 2 课题来源、目的及意义 本课题来源于中国海洋石油总公司“管道非焊接连接技术 课题，课题的研究目标 为研制具有自主知识产权的海底石油管道非焊接连接器，应用于水深5 0 米以内的海底 石油管道快速修复。 目前海底石油管道快速修复技术主要被国外公司掌握，国内尚无能够进行海底石油 管道快速修复作业的技术和装备，进行管道修复需要在外国公司的帮助下才能展开作 业，需要支付昂贵的费用，大大增加了生产成本，并且服务周期较长，不利于能源行业 的发展，进行深海管道连接器的研究具有多重意义。开展海底石油管道修复技术的研究 可以打破外国公司的技术垄断，实现管道修复连接器的国产化，不但可以在很大程度上 哈尔滨r t 程大学硕十学位论文 减少海上石油开采成本，而且可以摆脱对国外公司的依赖，推动国内海洋工程领域的发 展。同时，在海底石油管道出现故障、发生油气渗漏时能够利用国内的技术进行快速修 复，减少原油泄漏对海洋环境的污染，缩短维修周期，恢复海上油气田生产，减少损失， 保障海上油气田安全生产。 1 3 海底管道快速修复技术概述 海底管道发生泄漏就必须尽快完成修复，以减少损失或降低环境污染，由于海底作 业环境的复杂性，目前广泛应用于陆地管道修复的技术很难在水下实现，而传统的焊接、 法兰连接、螺纹连接等修复技术施工周期长且修复质量不高，工序复杂，很难实现泄漏 管道的快速、可靠的修复。海底石油管道快速修复是一项难度很高的技术，目前只为国 外少数几家公司所掌握，特别是深海海底管道的修复技术更是被国外垄断，国内开展海 底管道修复技术的研究工作还处于起步阶段，只限于浅水区域的海底管道的修复，修复 方法局限于水面焊接或者在泄漏段涂内衬，用于海底管道快速修复的连接器善没有出 现。要完成海底管道的快速修复，采用修复连接器是最快捷、方便且可靠的方法，国外 应用于海底石油管道快速修复技术普遍采取这种方法，因此，出现了能够修复各种类型、 尺寸管道的修复连接器。采用修复连接器的海底石油管道快速修复方法在工程中的成功 应用显示了它的广泛应用前景。 i i i a ) 切割泄漏管道 放入连接管道 日二二j e f 连接器一口 c ) 标记连接器连接位置 b ) 放入修复管道 亘臣二二口疽 插入连接器 d ) 插入连接器 连接器 曲连接完成 图1 1 海底管道修复过程 2 第1 章绪论 海底石油管道的快速修复一般包含几个步骤： 一、发现泄漏段，切割泄漏管道； 二、置换相同长度的管道； 三、标记连接器连接位置； 四、放置连接器； 五、安装连接器，完成修复。 1 4 国内外海底管道修复连接器的发展现状 1 4 1 国外海底管道修复连接器的发展 目前，海底管道快速修复技术主要为国外几家海洋工程公司所掌握，所研制的海底 管道修复连接器能够连接各种类型的海底管道，具有代表性的主要有墨西哥的 o c e a n e e r i n g 公司、美国的h y d r a t i g h t 公司，以及0 c s 公司。这几家公司都具有成熟的 海底管道修复技术，产品均具有成功的工程实际应用，但其产品的连接原理大都类似于 法兰连接，水下作业时安装费时，工序复杂，且体积庞大。 墨西哥的o c e a n e e r i n g 公司是一家全球性的油圈服务和海洋石油工程公司，其致力 于深海工程应用，具有代表性的海洋工程管线修复系统( p r s ) 在全球范围内为石油和 天然气海底管线提供产品服务，海洋工程能力涵盖日常和应急的管道修复和保养，以及 海底管线的铺设。o c e a n e e r i n g 公司用于海底管线修复的连接器主要有球形法兰连接器 与智能法兰连接器如图1 2 所示。 a ) b - c o n 球形法兰连接器b ) 智能法兰连接器 图1 2o c e a n e e r i n g 公司法兰连接器 b c o n 球形法兰连接器独特的设计适用于需要补偿管道偏差的管线系统。球形法 兰连接器提供紧密的金属密封性能，并且极大地减少了海底管线的修复时间，其连接性 能超越传统的焊接连接或法兰连接，当进行海底水下管道修复连接作业时，b c o n 球 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 形法兰连接器能够很好地解决管线不同轴的问题，其独特的金属密封设计允许所连接的 管道在平面内有1 0 。的角度偏差，并且在任意角度内都能够保持紧密的密封，密封性能 在任意工作压力下对外部的弯矩不敏感，在螺栓拧紧后，将法兰球锁紧，形成一个静态 的刚性密封h 。b c o n 球形法兰连接器能用于不同管径的管道修复。 智能法兰连接器使得海底管道修复更加简单、省时、可靠，目前在世界各地成功应 用于数以千计的近海石油与天然气海洋工程开发。采用智能法兰连接器修复管道不需要 焊接和潜水系统，可以连接管道直径从2 英寸到2 4 英寸的管道，4 8 英寸管道连接器已 经交付使用与安装，这种型号的所有连接器都获得了法国船级社( b 的认证州。 美国的h y d r a t i g h t 公司是面向石油天然气行业及发电行业提供一系列专业化服务的 公司，其产品之一m o r g r i p 管道连接器是一种机械管道连接器，在石油和天然气以及石 化应用领域中可取代海底管道的焊接作业，被应用于海底潜水深度的管道修复。m o r g r i p 管道连接器的设计采用独特的铰接装置和金属石墨密封件，其强度和密封度方面与焊接 效果相当，不需要热加工就可实现管道修复连接，比焊接连接更加安全、简单和快速h 。 m o r g r i p 管道快速连接器是开式法兰的一种改进，在性能、灵活性和可用性设计方 面与管道连接器效果相当，主要用于中压、中等尺寸石油天然气管道的应急维修方面， 该产品适用于4 英寸到1 6 英寸的各种管道，标准压力等级为9 0 0 1 b ，还可以对连接器进 行重新配置以适用于更高压或更低压力以及非标准管道。快速连接器不需要在管道中使 用法兰，具有明显的操作优势。 图1 3m o r g d p 管道快速连接器 q c s ( q u a l i t yc o n n e c t o rs y s t e m ) 公司是致力于海底管线连接器的专业化公司，能够提 供深水和浅水管道连接与修复的解决方案，从2 0 0 3 年开始为世界范围内的海洋石油与 天然气平台提供海底管线连接器，其具有代表性的产品有锁合式机械端头连接器 g r i p l o c km a c h e n i c a le n dc o n n e c t o r 与永久密封修复卡爪p e r m a - s e a ll e a kr e p a i rc l a m p 。 4 第1 章绪论 、 图1 4q c s 公司锁合式机械端头连接器 锁合式机械端头连接器采用内置氟橡胶密封件和外置锁合装置，由螺栓拧紧提供密 封驱动，外置锁合装置紧紧卡住管道以防止管道松脱，螺栓拧紧后从密封测试端口注入 测试液，以检测密封是否可靠，同时，整个连接器可自由伸缩，方便海底安装。锁合式 机械端头连接器修复海底管道过程如图1 5 所示。 嚣= ：等：患嚣慧怒精嚣：” 嚣：警嚣0 ：落冀茹， 图1 5 锁合式机械端头连接器修复过程1 5 i 永久密封修复卡爪能够对待修复管道形成永久的密封能力，采用标准氟橡胶密封 件，由外部两个液压缸驱动卡爪合拢，通过液压驱动螺栓施加预紧力实现密封，并采用 阳极保护的措施防止对卡爪的腐蚀。 图1 6q c s 公司永久密封修复卡爪 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 1 国内海底管道修复连接器的发展 国内目前善没有用于海底管道快速修复的连接器，相关的海底管道修复技术也还处 于起步阶段，与国外成熟产品相比有很大的差距，但国外的管道修复连接器一般采用法 兰连接形式，或者由法兰形式衍生而来，其系统复杂，结构笨重，安装过程比较费时， 有时需要特殊的工具与装备。 为了克服一般的管道修复连接器的上述缺点，需要采用全新的设计理念与密封原 理，使修复连接器兼有连接可靠，结构简单，安装方便的优点，为此，哈尔滨工程大学 海洋智能机械研究所与中国海洋石油工程股份有限公司合作，研制拥有自主知识产权的 能够适用于我国海洋石油管道修复作业的新型连接器。新型石油管道修复连接器结构形 式与密封原理借鉴瑞士海尔纳公司h e a l o ks t a n d a r d 连接器，其基本结构只包含中间基体 与外挤压环，外挤压环在加载机具的作用下向中间运动，迫使基体内部两端各两道密封 压紧环咬合住管道表面，在管道表面形成局部塑性变形来形成密封，完成密封功能。 目前瑞士海尔纳公司只能提供6 英寸以下尺寸的连接器，主要应用于陆上给排水系 统的低压管道的连接，而不能用于油气输送系统，为了能够适应复杂的海洋环境，并能 够应用于石油管道的修复，在连接器结构形式上做了相应的改进，成功地应用计算机辅 助工程完成了8 英寸海底管道修复连接器的结构设计与优化，并系统地分析了连接器在 连接具有公差的石油管道时的可靠性问题，目前新型的海底石油管道修复连接器已经加 工出样机，正处于实验阶段。 图1 7 瑞士海尔纳h e a l o ks t a n d a r d 连接器【b l 6 第1 章绪论 、y 洲艾l i 图1 8 瑞士海尔纳公司连接器安装原理州 8 英寸海底管道修复连接器主要结构包括外挤压环和中间基体，以及橡胶密封圈和 防水填充材料。与瑞士海尔纳连接器相比，自主设计的连接器增加了摹体两端的内螺纹 段，由此承受由于海床运动或者洋流、第三方活动所造成的管道轴向力，使管道不至于 从连接器中拔出，内螺纹段还有一定的抵抗管道扭转的功能，而密封压紧环也能承受一 定的管道轴向力，内置橡胶密封圈可以阻止输送介质与密封压紧环的接触，防止对密封 部位的腐蚀作用，填充材料使海水在水下修复连接时不占据内部空间，从而减少对连接 器的腐蚀。其结构如图1 9 所示。 磕j 上f l 到填充材料密封俐南 寸昧t 襞环内螺纹 图1 9 海底管道修复连接器结构图 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 5 本文的主要研究内容 本文主要论述应用于海底管线修复连接器的研制，包括管道连接密封理论、管道受 力的弹性力学计算、修复连接器的结构设计与多目标优化，以及实际连接时的可靠性问 题，将接触式静密封理论与计算机辅助工程( c a e ) 有效结合，系统地解决连接器在海 底管道修复连接时的问题。本论文的主要内容有如下几个方面： 1 阐述国内外海底管道连接器研究概况和相关的修复技术，介绍了国外从事海底管 道连接与修复的专用化公司，以及应用于海底管道修复与连接的连接器，并简要介绍了 国内管道快速修复连接器的发展。 2 结合连接器连接管道时的静密封问题，详细介绍接触式静密封理论以及提高连接 器密封能力的措施，并分析了连接器工作时可能影响其密封性能的因素。 3 由管道在连接时的受力与变形情况出发，建立其力学理论模型，依据弹性力学基 本理论，求解出管道受对称应力边界条件的弹性力学精确解，并由此应用管道受反对称 应力边界条件的解导出受环形压力带情况下的近似解，用有限元解验证近似解的正确 性。 4 设计适应海底石油管道修复的新型连接器，借助计算机辅助工程( c a e ) ，对所 设计的连接器的密封性能、强度、刚度、塑性情况进行分析，得到实际加载安装时所需 要的最大加载力，采用有限元方法与优化技术的结合进一步优化其结构尺寸，使连接器 获得最佳的密封性能和最大限度地减小加载安装时所需的最大加载力，降低对连接器加 载机具的要求。 5 实际管道是具有公差的，且材料参数都存在不确定性因素，为分析管道参数的随 机性对连接可靠度的影响，依据可靠性基本理论并结合有限元软件的概率设计系统，对 连接器连接时的可靠性进行分析。 8 第2 章接触式静密封理论 第2 章接触式静密封理论 2 1 引言 在生产系统中，特别是在石油化工生产系统，管线的泄露将会产生重大事故，轻则 停产检修、造成环境污染，重则严重威胁人身安全。据统计，在化工装置上由于泄漏引 起的火灾、大气污染及中毒事故为最多；而在炼油装置的7 9 件事故中，泄漏事故5 4 件， 占6 8 1 。因此，管道非焊接连接器要实现油气管道的非焊接连接功能，首先就要解决 密封的问题，特别是在管道内的密封介质存在压力波动、温度变化或管线振动、外在冲 击情况下连接器能否实现有效密封，这是管道非焊接连接器研究的重要内容。 能阻止或切断介质间传质过程的有效方法统称为密封。要阻止或切断介质问传质过 程就必须彻底切断介质泄漏通道或增加泄漏通道中流体流动阻力m 1 ，其本质在于阻止密 封空间与周围介质之间的质量交换，所以，密封技术的关键在于消除各种连接界面处间 隙的泄漏m 。密封可以分为两大类：静态密封和动态密封，静态密封又可以分为强制式 密封、非接触式密封、接触式密封口。连接器连接管道的密封方式属于静态密封中的接 触式密封，由于管道表面非常粗糙，同时存在锈蚀、划痕、表面脱落、杂质等，要使连 接器的密封性能达到一定的要求存在很大的困难。因此，有必要从理论角度阐述连接器 与管道的密封能力问题，研究提高连接器与管道连接的密封能力的措施。 本章将从微观角度研究密封的机理，为提高连接器密封能力的措施提供理论支持， 进而提出几种可以提高连接器密封性能的方法，解决连接器在高压、温度波动、振动环 境下的密封问题，同时还研究了影响连接器与管道之间静态接触式密封能力的因素，为 连接器的进一步结构优化与可靠性分析提供理论依据。 2 2 密封的微观机理 2 2 1 管道表面微观形态 从宏观上看光滑、平整的管道表面，在显微镜下观察时，却显示出表面由许多不规 则的凸峰和凹谷所组成。对于一般概念的表面，可以分解成三部分：形状偏差、波纹度、 粗糙度，实际表面可以看成是三部分的叠加例。 一般概念表面形貌分解的三个部分的形成原因各有不同，其波距和高度相差很大。 ( 1 ) 形状偏差，它是由加工过程中的固有误差引起的，例如锥度、椭圆度、不平 行度等。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 波纹度，它是表面上有规则的凹下与凸起，一般波长比波峰高度大4 0 倍以上。 ( 3 ) 粗糙度，它是表面上微小尺度的凹凸不平，与表面的加工方法不同有关。其 波长较短，约为2 。8 0 0i o n ，高度较小，约为0 0 3 4 0 0t o n 【2 4 】。 惫两滁昆 j 。警0 ； 0 杂质 表面脱落 划痕 锈蚀 图2 1 表面形貌轮廓曲线图2 2 管道表面微观形态 与加工表面不同，所要连接的管道表面形貌更为复杂，不仅存在一般概念表面分解 的三个部分，而且存在划痕、表面脱落、锈蚀、氧化层、杂质、表面涂层等，这些因素 的存在对连接的密封性能是非常不利的。与加工表面相比，管道表面的波纹度与粗糙度 都非常大，因此，更容易形成微观泄漏通道，并且在实际操作过程中不允许对管道表面 进行处理，要实现密封将比加工表面困难得多，而且随着加工方法的不同，管道的形状 偏差，如外径、壁厚公差、椭圆度、直线度等都存在很大差别，甚至管道材料参数也存 在随机性，这些不确定因素的存在将造成密封性能的不稳定。 2 2 2 接触式静密封过程 在连接器连接管道的过程中，由于管道表面状态的复杂性，其接触式静密封也同样 是一个很复杂的过程。在连接器与管道配合表面接触时，由于间隙减小，由二者的接触 产生密封作用，具体方式是通过外部加载机具对连接器外挤压环加载，由于外挤压环与 基体之间存在一定的过盈量，使连接器基体产生径向收缩，在密封压紧环与管道表面接 触过程中接触面发生变形，填充管道表面不平间隙来进行密封。随着加载量的增加，连 接器密封压紧环处的径向收缩量不断增大，实际接触面积也不断增大，并引起粗糙度的 微小凹凸的重叠，使密封介质泄漏的阻力不断增大，从而实现密封过程。静密封连接过 程如图2 3 所示 1 0 赫 第2 章接触式静密封理论 22 3 34 a ) 接触的初始阶段b ) 密封的微观接触间隙 1 、1 粗糙度2 、2 波峰3 、3 划痕4 、4 杂质 图2 3 静密封连接过程p 1 在连接器连接管道的实际过程中，由于管道表面的未经过机械加工，不但粗糙度很 大，管道表面波纹度也很大，同时伴随有划痕、杂质等，即使连接器密封压紧环接触表 面足够光洁，接触压力很大的情况下，也会在密封表面上形成泄漏通道，很难实现密封。 显然，只有在接触压力的作用下，管道表面材料产生局部塑性流动时，才有可能填充微 观泄漏通道。因此，连接器与管道的静密封过程首先是接触表面微小凹凸的重叠，尖峰 产生塑性变形，其次是压紧环与管道表面产生弹性变形，最后是管道表面产生局部塑性 变形，从而实现静密封。 2 3 连接器密封部位设计 ? 2 3 1 连接器密封部位设计原则 在连接器与管道密封接触面上，保证连接密封性的作用力称为密封接触压力。对于 任何一种接触密封，在一定的条件下，其接触压力都有临界值，小于临界值时，密封就 会失效。密封接触压力是保证接触密封使用寿命的主要因素之一。密封接触压力的大小 应以密封接触表面产生弹性变形而密封结构仍具有刚性为最佳。接触表面的弹性变形可 以填充表面上微小的沟槽，而刚性的密封结构则可以保证密封部位不至于被破坏，并保 持密封必须的接触压力m 。管道表面的局部塑性变形对于密封牲能来说同样具有重要影 响，管道材料的塑性流动可以把表面的缺陷填平，形成紧密的密封，因此，管道接触部 位的临界接触压力必须大于管道材料的屈服强度，才能使局部产生塑性变形，形成紧密 的密封。试验证明，要形成能防止气体泄漏的永久变形所需的接触压力，必须是构成接 触面元件材料的屈服强度值的两倍删。 密封部位仅仅保证足够的接触压力是不够的，这是由于介质压力和其他外界因素的 作用下很难保证密封的稳定性。为了承受密封介质压力，连接器密封部位一方面应当具 有足够的刚度和弹性，另一方面理想的密封件应同时具有液体和固体的性能，以自动协 哈尔滨工程大学硕士学位论文 调接触平面及法向平面的变形。理想密封件的结构可分为液体、固体和粘弹性介质三部 分，如图2 4 所示。液体部分具有很好的流变性质，可以填充接触表面的微观间隙，增 加密封介质的流动阻力，粘弹性介质在接触表面压力的作用下同样可以填充接触表面的 间隙，堵塞微观泄漏通道，而固体性质的部分则使密封部位具有足够的刚性和弹性变形 以保证足够的接触压力。 密封部件 液体 粘弹性介质 固体 图2 4 理想密封件结构 综上所述，连接器密封部位的设计原则是保证接触密封压力超过临界接触压力，密 封件具有一定弹性和刚性为前提，同时应具有一定的流变性质。 连接器密封部位与管道接触面上接触压力超过临界接触压力是密封的首要要求，而 接触压力与密封压紧环宽度之间有直接的联系，在加载量一定的前提下，密封压紧环宽 度越小，其接触压力就越大，反之则相反，虽然可以采用一条很窄的接触线以集中接触 密封接触压力，但是总的密封接触压力却降到最低值。实验证明，在金属对金属接触面 的情况下进行气体压力的密封，需要具有某一最小的接触面，但尖锐的棱边总会引起泄 漏p 1 ，因此，必须选择一个比细接触线宽的最佳接触面宽度。根据经验，最小接触面不 得小于1 1 6 3 3 2 i n ，以德国b a s f 型透镜垫式垫圈密封连接为例，这种高压气体密封的 线接触宽度在1 1 6 3 3 2 i n 之间例。对于2 英寸管道连接器密封压紧环设计宽度为1 6 r a m ， 满足最佳接触面宽度，而对于8 英寸管道连接器密封压紧环宽度则要综合考虑接触压力、 足够的刚度和弹性变形要求，这就需要借助有限元法与优化方法的结合，通过大型有限 元软件来实现最佳尺寸设计，在第四章中将会详细阐述以最佳密封性能为目标函数的连 接器结构多目标优化。 1 2 第2 章接触式静密封理论 图2 5 密封压紧环 2 - 3 2 改善密封性能的措施 大多数接触密封的工作能力都以密封件具有一定的弹性为前提，连接器密封部位的 设计原则也以密封压紧环具有一定的弹性和刚性，以维持足够的接触压力，但是仅仅依 靠密封部件的弹性变形来实现密封的做法是不现实的，工程技术人员曾经就处于弹性和 塑性变形范围内法兰连接元件的泄漏条件进行试验，试验结果表明，密封元件接触面产 生弹性变形不足以防止承受气体内压的系统泄漏，尽管表面状况非常良好，但总是存在 着极为细微表面缺陷，这些缺陷足以形成通过气流的泄漏通道，甚至当接触面几乎是非 常完美时也是这样例。当连接器与未经过加工的管道表面连接形成密封时，依靠密封压 紧环弹性交形实现密封是不可能的，虽然密封接触压力可使管道表面材料形成塑性流 动，但要使接触压力达到管道材料屈服强度的两倍以形成绝对的密封却相当困难，因此， 连接器在连接高压管道时需要采取一些必要的辅助措施，以使连接性能更加可靠。 密封技术的关键在于消除各种连接界面处间隙的泄漏，从连接器连接管道的角度来 说就是要消除密封压紧环与管道接触面上的间隙，特别是微观泄漏通道，虽然接触压力 的增大可使管道表面材料产生塑性流动堵塞泄漏通道，但实际上仍然有可能存在泄漏通 道未完全消除，辅助密封措施的目的就是将可能存在的泄漏通道完全消除。从这一点意 义上来说，改善密封性能的措施主要有以下几种。 由于实际连接的管道表面状况非常复杂，不但具有很大的波纹度，粗糙度也很大， 并且常常伴随有杂质、划痕等因素，在管道表面涂抹一层一定粘度的润滑油将有助于密 封性能的提高。通过试验，在金属表面涂以恩氏粘度1 1 9 7 5 e 。的油，结果证明泄漏情 况随着涂入接触面油膜粘度的增加而得到显著改善吲。这是因为涂入接触表面的粘性油 膜将表面缺陷填满从而防止了泄漏，当压力升高时，油膜就会产生随着间隙的缩小而显 著增大的极其细微的粘合力和分子内部的粘聚力，这些力随着压力的上升、流体粘度的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 增加和油膜分子的大小的增大而增大，从而防止了泄漏，然而，只要有一处开始泄漏， 即使增大接触压力也不能止漏，因此，将高粘度的润滑油涂抹于管道表面的密封措施只 是权宜之计，而不能将它作为经常应用的密封方法咿1 。 与在管道表面涂抹一层高粘度的润滑油的辅助密封措施类似，用喷涂一层新的热固 性塑料及喷镀有色金属粉末的方法形成的密封覆面层是符合理想密封件标准的卜叫，其原 理也是以热固性塑料和有色金属粉末填满密封接触表面缺陷从而防止泄漏，但是与在管 道表面涂抹润滑油的措施不同之处在于，喷涂热固性塑料或喷镀有色金属粉末是针对连 接器密封压紧环而采取的措施。从密封角度来看，接近于理想的覆面层结构是可以制成 的，形成共混组织的复合覆面层可根据相态和组分粒度来控制，它可以是多相覆面层， 也可以是金属一有机化合物覆面层1 。乌克兰国家石油科学研究所( 基辅) 和苏联天然 气科学研究所( 莫斯科) 的石油钻井与气井加固实验室，曾对直径为1 4 6 m m 的套管连 接密封性进行试验，以锌和聚乙烯为基体的复合覆面层在气体压力为5 0 m p a 的情况下， 可保证密封性m 。同时，由于锌填料比基体金属的电位更低，因此，复合覆面层可保护 密封部件，防止腐蚀哗1 。喷镀有色金属粉末可获得相似的密封效果，可喷镀的有色金属 粉末有铝、镁、铜、镁铝合金等。 在连接器密封压紧环上包覆一层非常薄的金属薄片也可以起到很好的密封作用，金 属薄片很容易将表面所有的缺陷填平，从而消除了任何形成微小泄漏通道的机会。金属 薄片根据材料的弹塑性、耐热性、耐蚀性选取卜“，适于用作这种薄片的金属有银、铝、 铜、不锈钢、钛、蒙乃尔合金等。从综合性能来看，钛及钛合金、蒙乃尔合金更适合于 包覆金属薄片，银、铝、铜等有色金属尽管具有很好的延伸率及塑性，能够很好的填满 密封接触表面的缺陷，但其强度都较低，包覆于接触压紧环表面很容易在管道轴力的作 用下使连接器滑脱或产生相对滑动，并且不抗腐蚀，在介质与包覆层的作用下会造成接 触压力的大幅下降，因此，钛及钛合金、蒙乃尔合金是制作金属薄片的首选。 图2 6 密封压紧环包覆金属薄片 1 4 第2 章接触式静密封理论 钛及钛合金性质稳定，耐腐蚀性能好，耐热及耐低温性能好，能在6 0 0 或更高的 温度下长期使用，并且在低温下有良好的延展性及韧性，避免了冷脆性，特别是其强度 与连接器、管道的强度相近，延伸率能满足要求，但是材料较贵，加工性能不好。 表2 1 钛及钛合金力学性能汹l 类别 抗拉强度o r b m p at y o 2 m p a延伸率6 5 ( ) 工业纯钛2 8 0 7 2 0 1 7 0 - 4 1 0 2 0 4 5 面0 2 p d 3 7 0 5 3 02 5 02 5 - 3 0 蒙乃尔合金是一种镍铜合金，具有优异的耐蚀性，一般不产生应力腐蚀，在高温下 具有良好的抗氧化性能，在4 0 0 以下工作时，力学性能几乎不变执。蒙乃尔合金有多 种牌号，其力学性能如表2 2 所示，其中m o n e l 4 0 0 合金是一种综合性能极佳的耐蚀合 金，不仅强度、延伸率与连接器材料相当，而且硬度也介于连接器材料与管道材料之间， 作为包覆薄片能很好地填满管道表面的缺陷。 表2 2 机械t 程用美国蒙乃尔合金牌号及力学性能刚 机械性能( 平均值) ” 合金牌号 o b m p ao 2 m p a延伸率6 5 ( ) h b m o n e ls 1 4 0 s 52 4 0 巧8 65 | 01 2 5 2 4 0 r m o n e l5 8 3 石1 73 0 9 ，5 1 42 5 ：- 3 51 4 5 1 8 0 k m o n e l6 8 6 1 0 6 33 0 9 彳8 92 0 1 01 6 0 砣8 0 k r m o n e l 同k m o n e l s m o n e l6 1 7 ，8 9 24 8 0 - 6 8 62 旬2 7 5 3 5 0 h m o n e l6 8 6 4 1 2 1 52 1 0 2 4 密封能力的影响因素 密封失效并不总是由密封介质压力造成的，由于摩擦、温度变化、压力变化、腐蚀 等外界因素的影响，以及受所连接的管道表面状况的影响，接触密封的实际使用条件与 理想状况相差很大卜“，即使是理想的密封件也可能在外界影响因素的作用下发生密封失 效。连接器在使用的过程中，接触压力会随着使用时间的增加而减小，同时引起密封压 紧环弹性应力的松弛，当接触压力的均值小于临界接触压力时，密封就会失效产生泄漏。 应力松弛和蠕变是决定接触密封寿命的主要因素p “1 ，特别是密封压紧环被腐蚀时，密 封接触压力将大幅下降。 1 5 哈尔滨工程大学硕士学1 ) = 论文 蠕变是当固体受恒定的外力作用时，其应力与变形随时间变化的现象p “。对于大多 数金属材料而言，蠕变变形在室温下通常很小，可以忽略不计p 1 ，对于黑色金属，在温 度5 0 0 6 0 0 k 左右或以上则非常明显，在介质的作用下，密封材料的蠕变会加剧m “。由 密封材料导致密封能力下降的主要缺陷是蠕变，即密封压紧环材料的塑性变形会随连接 器使用时间而增大，在发生蠕变的同时，都伴随着密封应力松弛和接触压力降低。 连接器密封压紧环的塑性变形也是密封能力的影响因素之一，要形成可靠的密封， 压紧环与管道接触面上的接触压力必须大于管道材料屈服强度，才能使管道表面材料产 生塑性流动，但是实际上接触压力往往要远大于管道材料屈服强度，甚至远大于连接器 材料屈服强度，因此，由于密封压紧环接触面上的应力边界条件的存在，压紧环部位不 可避免的会产生塑性变形，微小的塑性变形甚至有利于填充接触面间的微小泄漏通道， 而过大的塑性变形则会削弱密封能力。在管线振动、密封介质压力的持续波动等动载荷 的作用下，密封压紧环会产生累积塑性变形，塑性变形的累积将使密封接触压力不断下 降，降低密封能力的稳定性。 温度同样是影响连接器密封能力的重要因素。连接器与管道连接之后，若输送流体 温度升高，则可能由于连接器与管道热膨胀系数的不同而导致热膨胀位移的不同，从而 造成接触压力的丧失，而连接器与管道材料均为碳素钢，所以由于热膨胀系数不同而导 致密封能力下降这种情况可能性很小，但这并不意味着温度变化不会对密封能力造成影 响，当温度周期性的波动时，由于输送介质到连接器的传热的滞后性，连接器与管道之 间的暂态温度差也会产生类似的效应，这就是热惯性效应州。同时，温度的升高将加剧 蠕变和应力松弛的程度。 2 5 本章小结 本章介绍了接触式密封理论的基本原理，从微观上解释了密封的机理，依据密封的 微观机理，确定连接器密封压紧环的设计原则，为连接器的结构设计提供客观依据，并 且从现实角度出发，提出改善密封性能的几点措施，这几点措施有的只能短时间内提高 密封性能，有的则可以从根本上改善连接器密封性能，并从连接器加工工艺上实现。同 时，针对连接器所面临的工作环境，从多角度剖析在工作过程中可能会对密封性能造成 影响的几点因素，从而对连接器密封功能的理解更加深入，在设计中充分考虑这些因素， 将有利于连接器连接性能的稳步提升。 1 6 第3 章管道受环形压力带的弹性力学近似解 第3 章管道受环形压力带的弹性力学近似解 3 1 引言 在连接器连接过程中，密封压紧环在外载荷作用下产生径向收缩，紧紧咬合住连接 的管道，依靠接触面上的接触压力形成密封，从管道受力与变形的角度来说，管道受密 封压紧环接触压力的问题就是管道受环形压力带的问题。接触压力的大小与均匀分布程 度直接决定密封性能的好坏，而接触压力大小和分布情况与管道的受力与变形情况相 关，反过来管道的受力与变形又与接触压力的大小和分布情况有关，因此，接触压力的 产生是一个动态的过程，即在与管道受力与变形相互协调下达到一个平衡。研究管道连 接时受环形压力带的应力分布与变形有助于更精确地了解管道与连接器的变形协调情 况，为连接器的结构设计与优化提供可靠的依据，特另i j 是管道的变形情况直接影响接触 压力的均匀分布程度的情况下，研究管道受一定距离的双环形压力带的变形相互影响， 将会对连接器的结构设计提供直接依据。 本章从弹性力学基本理论入手，依据现有的关于圆柱体受环形压力带的弹性力学结 论，并结合管道在表面受对称外载荷的精确解，逐步推导出厚壁长管道受环形压力带各 应力分量的近似解，其近似解为关于b e s s e l 函数的积分形式。最后依据其近似解导出管 道在外边界上受环形压力带的表面沉陷公式，并且将管道表面沉陷的沿轴向分布的近似 解与有限元求出的数值解相比较，结果证明，二者完全吻合，近似解能够精确描述管道 受环形压力带的应力和位移分布。 3 2 空间轴对称问题基本方程 在空间问题中，如果弹性体的几何形状、约束情况，以及外边界条件，都是对称于 某一轴，则所有的应力、应变和位移也就对称于这一轴，这种问题称为空间轴对称问题。 在描述空间轴对称问题时，采用柱坐标系，、0 、z ，若以弹性体的对称轴为z 轴，则所 有的应力分量、应变分量和位移分量都是厂、z 的函数，不随口而变。由于对称性，f 坩 及f ：口一均不存在，因此，按应力求解轴对称问题时，其基本未知函数是四个应力分 量o r r 、o r 口、o r ：、f f ，= - g - 厝，并且都是，、0 的函数。 1 7 哈尔滨- 下程大学硕士学位论文 图3 , 1 柱坐标下空间中一点的受力状态 由空间中一点的受力状态导出空间轴对称问题不计体力时的平衡微分方程 几何方程 物理方程 堕+ 监+ 堡二鱼：o a ，a z， 竺+ 堡+ 7 z r 。0 娩静r ( 3 - 1 ) 铲誓，铲生心誓，) ，；誓+ 警 ( 3 2 ) 暑，置= = 二二- ， 一l 二， ：= 三，y f 掌= l + = 二：- 【r j z ) d rro zo zo r ，一喜b ，一，p 一+ 吒) 】 口一告b 。一y p ，+ 吼) 】 口。i p 口一，p ，+ 仃zj j 占：= 告b ：一v h + 仃，) 】 占：2i l 盯：一p 一+ 仃，川 吾1 矿丁2 ( 1 + v ) y ”。石i ，。丁 ( 3 3 ) 其中，e 为弹性模量， ，为泊松比，g 一南为剪切模量。同样，可得到应力分 量用应变分量表示的物理方程 1 8 第3 章管道受环形压力带的弹性力学近似解 q 。熹砖咖，】 案霞捌叫 咿击b ( 咖：1 卜 z 帮。硐y 7 3 3 按应力求解空间轴对称问题 当不计体力时，轴对称问题的平衡微分方程如式( 3 - 1 ) 所示，相容方程可从直角坐标 系中的相容方程进行坐标变换，来导出柱坐标中的相容方程。柱坐标下的轴对称问