李志刚，运飞宏，姜瑛，刘军，弓海霞，王立权

（1.天津大学建筑工程学院，天津300072；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300456；3.哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001）

水下连接器密封性能分析及实验研究

李志刚1，2，运飞宏3，姜瑛2，刘军3，弓海霞3，王立权3

（1.天津大学建筑工程学院，天津300072；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300456；3.哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001）

针对水下连接器需要具有良好可靠性的问题，对连接器的密封性能进行了研究。通过对卡爪式连接器的密封圈进行弹性力学分析，用数学模型揭示了金属密封机理，并根据其受力形式计算了密封比压；根据密封比压公式对密封圈密封面的角度进行了改进，提出了一种新型复合式内外压密封结构。经过有限元仿真分析及样机试验研究，验证了新型密封圈所需的预紧力载荷只有82 t，比原始的标准透镜式密封圈预紧力载荷小了将近30 t，证明了新型复合式内外压密封结构的优越性。

连接器；弹性力学；透镜式密封；密封比压；密封性能；预紧力

连接器的密封技术研究是水下连接技术中最为关键的部分，也是目前压力容器技术领域中十分受重视的研究内容。卡爪连接是一种新型、快速的管道连接方式［1］，一般工作在深水海域，本文研究的工作水深为500 m，管道内部压力为34.5 MPa。连接器既要承受管道内部油气的高温高压，同时还要承受管道外部海水的低温高压，因此，对密封结构的设计要求比较高［2］，需采用基于自紧式密封的复合式密封结构，使其既能抵抗内部高温高压，又能抵抗外部海水的压力。目前国内对于水下连接器用的密封圈主要还是采用标准的透镜式密封圈，其预紧力和径向尺寸均较大，有一定的改进空间［3⁃4］。为了能够满足卡爪连接器实际工况的密封需求，分析了金属密封圈的密封机理，设计了一种不同于标准透镜式密封圈的复合式内外压密封结构。

1 金属密封机理

如图1所示，通过外届向两法兰施加力，使之压紧密封圈，法兰与密封圈间的密封属于自紧式线接触端面密封，通过密封圈的球面与法兰锥面形成线接触进而实现密封。当零件经过机械加工后，由于刀具切削作用引起金属塑性变形，在加工表面会产生间距较小的轮廓峰谷。当施加预紧力时，两法兰相互靠近挤压密封圈球面，法兰锥面与密封圈的球面间发生错动，两配合面间“波峰”区域逐渐被削平并且产生流动填平“波谷”区域，因此消除了密封间隙，在密封圈球面上产生弹塑性变形，使得法兰锥面与密封圈球面间产生一条很窄的密封锥面环带，实现了法兰与密封圈间的密封［5］。法兰与密封圈密封面接触后的微观形貌如图2所示。在水下管道法兰对接工程中，密封圈为可更换零件，而法兰是可重复使用的零件，因此，在材料的选择上要注意上、下法兰的材料硬度要大于密封圈的材料硬度，这样使密封圈较容易达到屈服极限，而不至于导致法兰密封面过度变形而无法使用。

图1 密封压紧示意图Fig.1 Schematic diagram of sealed compression

图2 密封圈与法兰密封面微观形貌示意图Fig.2 The microtopography of seal and flange seal surface

2 金属密封分析

在高压管道中普遍采用透镜式密封，标准金属透镜式密封圈如图3所示，图中β为密封面与竖直方向的标准夹角。影响密封圈密封效果的因素有很多，比如密封圈厚度、宽度、材料特性、密封结构、压紧力以及密封比压等等［6］。而密封比压又可分为预紧状态比压和操作状态比压，这里对预紧状态不做考虑，只关心其操作状态，即对法兰加载实现密封后的密封比压，并建立其数学模型［7］。

图3 标准透镜式金属密封圈Fig.3 Standard lens⁃type metal seal

法兰与密封圈间的密封不仅仅与预紧力有关，实验表明机械密封面之间存在流体液膜，液膜的推力也是影响密封比压的重要因素，因此，法兰锥面与密封圈球面间受力可分为：外界施加的压紧力Fyj、液膜在密封面之间产生的推力。

2.1 外界施加压紧力计算

由于卡爪式连接器的法兰为非标法兰，无相应的压紧力标准可以参照，可按照螺栓法兰连接密封载荷计算方法［9］进行计算接头外界所需施加的竖直方向的预紧力Fyj，密封面受力如图4所示，FN为垂直于密封面方向的压紧力：

式中：G为密封圈接触直径，mm；α为密封面与竖直方向的夹角，（°）；P为管道内压，MPa。

图4 密封面受力示意图Fig.4 Force diagram of seal surface

2.2 介质膜推力

当接头法兰内部充满介质时，在上下法兰与密封圈的密封面接触处会形成一层液膜，液膜产生的压力使法兰与密封圈有分开的趋势［10］。

假设两端面间介质压力分布规律为按直线分布，如图5所示［11］。

图5 介质压力梯度分布示意图Fig.5 Distribution diagram of medium's pressure grade

密封面面积为

介质压力大小为

由式（1）、（2）得到介质膜推力为

2.3 密封比压计算

根据密封比压的定义计算密封比压，得出密封比压公式如下［12］，式（5）中的密封宽度需要通过有限元分析来辅助求解：

式中：b为有效密封宽度，mm；Pb为密封比压，MPa。

3 新型复合式内外压密封圈

连接器的密封是设计的核心，而预紧力是保证密封效果的关键。目前，使标准透镜式密封圈所需的预紧力较大，安装工具上的驱动液压缸需要具有较大的推力和行程，且连接器的径向尺寸也较大，导致连接器安装工具的结构也相应加大。

为减小连接器的预紧力，进而减小接头及安装工具的尺寸，减轻整个连接器的重量，用最有效的结构实现接头密封，缩小与国外连接器的技术差距，故放弃标准的透镜式密封圈结构形式，对密封圈进行改进。

根据上节的受力分析可知，若保证密封圈垂直方向的受力不变（保持密封圈球面所受应力在屈服极限），将式（5）进行整理，则实现接头有效密封所需要的比压力为

分析式中的各个变量可知，当α值减小时，所需的密封比压Pb减小，即保证密封圈的受力状态不变时所需的压力减小，即所需的外界预紧力减小。

在设计新型密封圈时，保持原有的标准透镜式球面直径SR168.148 mm不变，将法兰与密封圈的密封面配合角度由原来的β降低至α，在球面的底端设置一个安装标准O型圈的锥形台，在上面设计O型圈沟槽，使用同一法兰密封面对球面及O型圈实现密封，可以减小法兰的径向尺寸。密封圈的定位槽用来与法兰上的密封圈固定结构相配合，从而对密封圈进行轴向及径向的粗定位。新型密封圈结构如图6所示，密封圈与法兰、卡爪、压力环的配合结构如图7所示。

图6 新型复合式内外压密封圈Fig.6 A new composite internal and external pressureseal

为了方便在水下拆卸、更换密封圈，在上法兰上增加了定位机构。密封圈的安装过程有专用的密封圈拆卸安装工具，当其带动密封圈垂直向上运动时，密封圈两端的凸缘推动定位机构缩回，当密封圈运动到位后定位机构伸出，伸入密封圈定位槽中，从而实现密封圈的定位。

图7 新型密封圈与法兰配合结构改进示意图Fig.7 Structural modification scheme of the new type seal combining with flange

4 密封圈有限元分析

在密封角度改变的过程中，需对密封角度与接头预紧力的关系进行分析，以上公式只能给出密封比压与密封角度的关系，不能给出预紧力的确切值，因此利用ANSYS软件对不同密封角度下的接头预紧力进行分析验证。

图8 有限元分析模型的建立Fig.8 Establishment of the finite element analysis model

如图8（a）、（b）所示为有限元分析模型和网格划分的示意图，由于每一个分析的模型均为上、下法兰与密封圈的1／12，除密封面的角度外没有其他变化，因此在ANSYS软件中对其接触、支撑等设置也相同。

模型的各个部件之间的接触面用的都是有摩擦接触，摩擦系数为0.15；下法兰底面使用固定支撑；上下法兰及密封圈的两侧切面均使用无摩擦支撑；同时，密封圈内面及上下面、上下法兰内面的内压为34.5 MPa；最后，在上法兰的上面施加一定的力，具体如图8（c）所示。

将密封面从β至α每5°建立一个新的模型作为分析对象（β＝α+50°），共设计11组不同角度的密封方案，通过有限元分析，得到如表1所示的结果。试验用密封圈的材料选用316，其屈服极限为205 MPa，由表中可以看出，在密封圈的应力已达到210 MPa以上，密封圈材料已发生弹塑性变形，实现了有效密封。不同密封角度的密封圈的预紧力各不相同，随着密封面角度由β至α减小，预紧力由9.2 t减至6.5 t。按1／12计算，可知在α时整个密封圈的预紧力约为78 t，比β时的110.4 t减小了32.4 t，因此，将密封面角度减小到α可以减小预紧力。

表1 不同密封面角度的密封圈有限元分析结果Table1 Finite element analysis for different seal angles

图9 优化变量敏感性分析Fig.9 The sensitivity analyses of the optimization vari⁃ables

5 复合式内外压密封圈试验分析

5.1 内压试验

5.1.1 内压试验方案

使用压力机施加轴向载荷，模拟卡爪对上、下法兰的作用力，实现连接器接头复合式密封圈的压缩密封。通过向完成密封的上、下法兰内部密闭空间通入高压油，并进行保压，测试连接器法兰与密封圈配合密封的性能［13］。调整压力机轴向载荷以及打压压力，观察泄漏情况，探寻密封轴向力与密封性能的关系，并最终在保证34.5 MPa内压的1.5倍（51.75 MPa）的情况下确定其预紧力。

5.1.2 内压试验数据分析

对内压试验过程及表2中的内压试验结果进行分析，可以有以下几点结论：

1）通过自主设计的新型密封圈和法兰密封结构尺寸合理，能够满足预定的密封要求；

2）试验的过程中充分体现了密封圈良好的对中性能，垫圈的密封表面是球面，在法兰闭合的过程中密封圈会自动找正，因此在海底对接过程中密封圈的安装角度偏差范围更为宽松；

3）在更换密封圈的过程中，新型金属密封圈的定位装置非常便于密封圈的安装及拆卸；

4）密封圈在预紧力82 t时，能够密封略大于34.5 MPa的内压，与有限元分析的78 t接近，证明了密封角度适当减小可以减小预紧力；

5）当预紧力增至120 t时能够满足34.5 MPa的1.5倍（51.75 MPa）内压密封要求。

表2 内压试验数据Table2 The testing data of internal pressure

5.2 外压试验

5.2.1 外压试验方案

外压试验须在内压试验成功基础上进行。在确定复合式密封圈对于管道内压的有效密封之后，分别在封住34.5 MPa和51.75 MPa的轴向预紧力下进行外压试验，测试O形圈与法兰密封面之间的配合对外压的密封能力，保证可以密封500 m水深即5 MPa的外压，并最终实现在5 MPa的1.5倍即7.5 MPa的外压下的密封。

5.2.2 外压试验数据分析

对表3的试验数据分析可知：

1）密封圈在预紧力为82 t时，保压34.5 MPa，使密封圈处于实际工作情况下，能够封住5 MPa的外压，即密封圈满足水深要求；当外压加到7.5 MPa时在保压时间内仍然没有出现泄漏现象，说明密封圈能够适应外压恶劣的情况。

表3 外压试验数据Table3 The testing data of external pressure

2）密封圈在预紧力为120 t时，保压51.75 MPa，使密封圈处于极限工作情况下，能够封住5 MPa的外压，即密封圈在极限工作情况下依然满足水深要求；当外压加到7.5 MPa时在保压时间内仍然没有出现泄漏现象，说明密封圈能够适应内外压均恶劣的情况。

6 结论

本文从弹性力学的角度分析了金属密封圈的密封机理，研制了一种新型复合式密封圈，对其密封角度进行了优化分析，并进行了试验，可得到以下结论：

1）通过对密封圈受力状态的分析，可对其密封比压进行推导，从而得到密封比压与密封面角度之间的关系，适当的减小密封面的角度可以减小密封比压。

2）对密封面角度由标准的β至β-50°分别建立模型进行有限元分析，得到密封面角度与预紧力的直接关系，由β至β-50°预紧力减小了32.4 t，证明适当的减小密封面角度可以降低卡爪连接器所需的预紧力。

3）对连接器密封圈及法兰进行内压试验，证明了在法兰的预紧力为82 t左右可以密封34.5 MPa的内压，与有限元分析的结果一致；同时，适当的提高预紧力可以密封更高的内压。

4）对装置的外压试验证明了在正常工作状态及极限工作状态下，密封圈均可以对5 MPa及7.5 MPa的外压实现密封。

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Analysis and experimental study of subsea connector's seal performance

LI Zhigang1，2，YUN Feihong3，JIANG Ying2，LIU Jun3，GONG Haixia3，WANG Liquan3
（1.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Offshore Oil Engineering Company Limited，Tianjin 300456，China；3.College of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

The seal performance of subsea connectors was analyzed in order to meet the challenges and solve the difficulties of ensuring the good reliability of the connectors.The elastic analysis of the claw type connector seals was carried out，the mechanism of metal seal was revealed by a mathematical model and the seal specific pressure was calculated according to the form of its stress.The seal angle was improved based on the seal spe⁃cific pressure formula.A new combined seal structure which can withstand internal and external pressure was made.The results of finite element analysis and the experiments with prototype showed that the preload of the new lens⁃seal is only 82 t and it is almost 30 t less than the standard lens⁃seal，which proves the superiority of the new combined structure.

connector；elasticity；lens⁃seal；seal pressure；seal performance；pretightening force

10.3969／j.issn.1006⁃7043.201312006

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.U.20150109.1520.011.html

TE54

A

1006⁃7043（2015）03⁃0389⁃05

2013⁃12⁃02.网络出版时间：2015⁃01⁃09.

国家863计划资助项目（2013AA09A217）；国家自然科学基金资助项目（51105088）；海洋石油总公司基金资助项目（CNOOC⁃KJ125ZDXM05GC00GC2011⁃02）；国家科技重大专项基金资助项目（2011ZX05027⁃004）.

李志刚（1965⁃），男，高级工程师；运飞宏（1988⁃），女，博士研究生；王立权（1957⁃），男，教授，博士生导师.

运飞宏，E⁃mail：yfh88818＠163.com.