水下柔性连接器的O形圈球面密封性能分析*

2023-10-07陈宏举运飞宏侯广信安维峥矫克丰王立权

润滑与密封 2023年9期

陈宏举运飞宏侯广信刘冬安维峥矫克丰吴露王立权

(1.中海石油(中国)有限公司北京研究中心北京 100028；2.哈尔滨工程大学机电工程学院黑龙江哈尔滨 150001)

水下连接器作为连接水下生产系统各部分的关键装备，主要应用于水下生产系统中的跨接管连接[1-3]。在水下管道连接中，会因为安装误差出现连接管道对中性差等问题，而球形结构可以实现角度补偿的优点完美地解决了这一问题。球形结构作为一种柔性结构，球面之间的相互配合可以使相连接的两部分实现角度的调节，近些年被广泛应用于水下连接器的设计中。在高压环境下其密封结构是否能够正常工作是球形结构设计的关键。

橡胶材料拥有优良弹性性能和抗压变性能，可以有效阻止压力介质的泄漏。由橡胶制成的O形密封圈广泛应用于汽车、航空航天、机械及流体传动机械等领域[4-5]。但O形圈在球形结构中能否与法兰结构之间保持良好的密封性能仍有待于研究。

SONG等[6]和HOU等[7]均对球形结构的密封进行了研究，但只探讨了O形圈的密封性能，未对包括O形圈的整个球面密封结构进行整体设计与研究。此外，国内外学者对连接器球面密封的研究也比较少。为此，本文作者从O形圈材料参数的设计计算、压力对O形圈密封的影响等方面对连接器的O形圈球面密封结构及密封性能展开研究，为连接器球面密封的设计提供了思路。

1 密封结构模型及参数

文中研究的O形圈球面密封结构来源于球形法兰连接器的一部分，其结构如图1所示。该球形法兰连接器采用螺栓法兰的连接方式，利用O形圈压缩变形来实现密封；其应用两道O形密封圈作为主密封结构，可以通过转动球形结构来调节连接器的安装角度。

图1 球形法兰连接器结构Fig.1 The structure of spherical flange connector

O形圈球面密封的密封原理为：通过螺栓连接使连接法兰、定位法兰与球形结构相互挤压实现整个结构的锁紧；O形密封圈经过物理挤压产生一定的预压缩量并被密封沟槽固定位置，O形圈与法兰的接触面产生接触应力，在连接器内部被介质充满后，流体介质压力会进一步挤压O形圈，O形圈与法兰面的接触压力将始终大于腔内的流体介质压力，从而实现了O形圈结构的球面密封。

研究的球面密封结构采用O形圈作为主密封圈，文中根据非线性理论，确定其Mooney-Rivlin本构方程。O形圈的材料通常选用橡胶等超弹性材料，文中采用了应用最为广泛的丁腈橡胶作为O形圈材料，其密度为1 100 kg/m3，泊松比为0.499。橡胶作为一种超弹性材料，其力学性能有以下3个特点[8]：

(1)不可压缩性：橡胶材料的泊松比一般在0.45～0.499 9范围内变化，接近于液体的泊松比0.5，因此橡胶可以看作是一种体积近似不可压缩的材料。

(2)大变形特性：橡胶高分子材料变形很大，橡胶材料的变形范围一般在200%～500%，甚至能够达到1 000%，而很多金属材料的变形则不足0.5%。

(3)非线性：橡胶材料具有三重非线性，即几何非线性、材料非线性和边界非线性。

基于上述分析，在ANSYS Workbench有限元软件上构建O形密封圈橡胶材料模型，需要考虑橡胶的超弹性特性和不可压缩性。基于非线性理论，应用Mooney-Rivlin应变能函数[9-11]构建的橡胶材料模型，其本构关系如式(1)(2)所示[12]。

(1)

(2)

式中：U为应变能密度；N为函数的阶级；Cij为材料常数；I1、I2、I3为应变不变量；Di为材料常数；J为体积比；λ1、λ2、λ3为主伸张率。

采用Mooney-Rivlin二常数模型，故N取1，模型本构关系如式(3)所示。

(3)

式中：C10、C01为试验得到的材料参数；D1为材料参数，与材料的压缩性有关。

O形圈的型号需要根据其硬度和尺寸来选择，因采用O形圈作为连接器的主密封结构，故选用直径为7 mm，硬度为85～90HA的O形圈。关于材料硬度，将在下文通过计算得到。

橡胶材料弹性模量E0与剪切模量G有如下关系[13-14]：

(4)

由橡胶的不可压缩性确定其泊松比μ=0.49，于是E0=3G[15]。

G、E0与C10、C01的关系如下：

(5)

橡胶材料IRHD硬度Hr与橡胶弹性模量E0有如下关系：

lgE0=0.019 8Hr-0.543 2

(6)

由式(5)、式(6)可知，材料参数C10、C01的值取决于IRHD硬度，在数值上近似于国内使用的邵氏硬度。

文中选用邵氏硬度85～90HA的丁腈橡胶O形密封圈作为主密封圈，参考文献[16]对O形密封圈的Mooney-Rivlin参数进行研究，确定Mooney-Rivlin二常数模型的2个参数如下：

C10=1.946 1 MPa，C01=0.461 9 MPa

通过计算式(5)、式(6)，可以得到在该参数下的橡胶O形密封圈的硬度为86HA左右。

2 密封结构有限元数值分析

2.1 数值分析方法

为了研究O形圈球面密封结构的密封性能，文中主要探究了作用在O形圈上的压力大小、O形圈的预压缩量2个因素对其密封的影响。对柔性连接器的O形圈球面密封结构建立有限元模型，因O形圈密封结构为回转体结构，为减少网格数量，导入的模型结构采用2D 轴对称模型。在三维软件上建立平面结构，导入ANSYS workbench，法兰与球面结构材料选用F22合金材料，O形圈材料选择硬度为85HA的超弹性材料。

设计的连接器密封结构共有2个O形密封圈且密封圈位置对称，因文中主要是对O形密封圈的密封性能进行分析，故只对球面结构上方O形密封圈进行有限元仿真分析。对法兰和密封圈均采用四边形、三角形复合网格进行划分，并对O形密封圈及其接触法兰面做了网格加密处理，整个模型总共划分6 965个单元、21 950个节点，如图2所示。在静态分析中，设置O形圈与法兰、球形结构的接触均为摩擦接触，且摩擦因数为0.25；法兰与球形结构的接触也为摩擦接触，摩擦因数为0.15；接触界面的设置均为调整接触，因橡胶材料的大变形、非线性特性，Large Deflection、Newton-Raphson option设置为Unsymmetric。分2个载荷步施加载荷，第一个载荷步对法兰施加位移，使法兰压缩O形圈达到O形圈的预压缩量；第二个载荷步对O形圈与流体介质接触部分施加压力，进一步增大O形圈与法兰的接触应力pseal，使其大于介质压力pw，达到O形圈的密封要求。

图2 O形圈密封结构网格划分Fig.2 Grid of O-ring sealing structure

2.2 数值分析结果及讨论

O形圈密封结构作为一种挤压型自密封结构，只有当密封圈产生了初始变形并具有初始预应力pseal后，密封结构才能不产生泄漏。连接器的上法兰与球面体结构相互挤压O形圈使其变形，产生一定预应力，O形圈受到物理挤压后产生内部预应力，并与法兰接触面产生接触压力。单独对模型法兰施加位移压缩O形圈，不施加压力，可以得到如图3所示的O形圈von Mises应力云图，以及图4所示O形圈的接触压力分布图。

图3 无压力下O形圈von Mises应力云图Fig.3 Nephogram of von Mises stress of O-ring under no pressure

在O形圈产生预压缩量之后，在O形圈上部分施加压力后，O形密封圈进一步压缩。在O形圈与介质接触表面施加工作压力52 MPa，可以得到如图5所示的O形圈von Mises应力云图，以及图6所示O形圈的接触压力分布图。

图5 52 MPa压力下O形圈von Mises应力云图Fig.5 Nephogram of von Mises stress of O-ring under working pressure of 52 MPa

图6 52 MPa压力下O形圈的接触压力分布云图Fig.6 Nephogram of contact pressure distribution of O-ring under working pressure of 52 MPa

为探究流体介质压力对球面上O形圈密封结构密封性能的影响，对已经预压缩后的O形圈单侧施加不同大小的流体压力，对比O形圈内部最大等效应力、与压缩面的接触压力的大小。表1给出了不同压力下最大等效应力与最大接触压力的数值。仿真结果显示，当连接器内部的介质压力为52 MPa时，密封圈的接触压力最大将达到59.261 MPa，因此O形圈球面密封结构的密封性能在52 MPa的流体压力下是可靠的。

表1 不同介质压力下最大等效应力和最大接触压力Table 1 Maximum equivalent stress and maximum contact pressure under different medium pressures

从表1可以看出，随着流体压力的增大，O形圈内部等效应力刚开始增长速度较快，这是由于O形圈作为超弹性结构，在介质的高压作用下会发生大变形，O形圈进一步被压缩，导致内部等效应力增大；当其内部等效应力增长到一定程度后，O形圈的变形量会越来越小，所以其内部等效应力也会逐渐稳定，如表1中压力达到15 MPa以后，O形圈等效应力增长速度逐渐平缓。从表1还可看出，O形圈与法兰和球面体的接触面压力随作用在O形圈表面的流体压力增大而增大，并且两者有呈线性的趋势。因此，在压力允许的范围内，接触压力pseal将会一直大于流体压力pw。

为满足密封要求，O形圈要求有足够的密封接触面积(接触宽度)，接触宽度可作为衡量各个密封面的密封性能好坏的标准。用于球面密封的O形圈在密封时共有3个面与O形圈表面接触，分别是法兰与O形圈接触面、密封槽侧面与O形圈接触面、密封槽底面与O形圈接触面。为了进一步研究介质压力大小对O形圈的影响，对不同压力下的O形圈密封结构接触宽度进行了仿真分析，结果如图7所示。可见，O形圈的接触宽度随外部流体介质压力增大而增大，但3个接触面的接触宽度增长幅度不同。其中法兰接触面的接触宽度增长幅度最小，且其在0～5 MPa介质压力区间内接触宽度的增长速度明显大于5～60 MPa介质压力区间，这是由于法兰接触面是主密封面，在经过法兰对O形圈的预压缩之后，法兰接触面的接触宽度已很大。而沟槽侧面接触面、沟槽底面接触面作为次密封面，一开始的接触宽度比较小，但随着流体介质压力的增大，两接触面的接触宽度增长速度变大，其中在0～5 MPa介质压力区间内增长速度比较小，在5～50 MPa区间内增长速度较大，在50～60 MPa区间内增长速度趋于平缓。这是由于O形圈受压侧在高压作用下的大变形导致沟槽底部和侧面接触面上产生较大的接触压力，并随着压力的增大，O形圈内部应力的增大速度会逐渐平缓，趋近于材料的许用应力值，而沟槽侧面、底面接触面的接触宽度与O形圈内部应力有关。

图7 接触宽度受介质压力的影响Fig.7 Effect of medium pressure on contact width

综上所述，密封圈的表面接触压力会随着外部压力的增大而增大，在连接器的1.5倍设计压力51.7 MPa下密封圈依然能够保持良好性能。O形圈与法兰、密封槽底面的接触面为主要密封面，从图7可见主密封面的接触宽度变化波动较小，数值较为稳定，这也从另一角度证明了密封结构的可靠性。

3 测试装置内腔密封试验

为了验证柔性球法兰连接器密封结构仿真结果的准确性，设计了包含连接器密封结构的测试装置，用来检测O形圈球面密封结构的密封性能。如图8所示，O形圈球面密封结构试验测试装置主要由法兰、球形结构、O形圈组成。

图8 测试装置模型Fig.8 Test device model

图9所示为验证连接器密封结构的试验装置。实验过程如下：

图9 实验装置Fig.9 Experimental device

(1)将液压泵管安装转接头并接入上法兰接口中。

(2)将压力机的移动端压住装置的上法兰并施加压力，使内部O形圈压缩变形，达到预压缩量，同时也抑制上下法兰在通入压力后上下的移动。

(3)打开液压泵阀门，往实验装置内腔打压，在达到试验压力后记录数据并保压。

试验过程中记录的不同试验压力下的压力变化数据如表2所示。

表2 不同试验压力下内腔压力的变化Table 2 Change of inner chamber pressure under different test pressure

从表2可见，球面密封结构无论在5 MPa低压还是在52 MPa高压环境下工作，都能保证良好的密封性能；实验装置在60 min的内部压力下降最大仅为0.3 MPa，且压降随着试验压力的增大而增大，但增长幅度小。

如图10所示，整个保压期间实验装置的泄漏率在试验压力为25 MPa时达到最大，在25 MPa以下，泄漏率一直随着试验压力的增大而增大；在试验压力超过25 MPa后，泄漏率波动幅度变小，在0.57%～0.67%之间。这是因为在试验压力为25 MPa以下时，压力机工作载荷为1.5 MN，而在试验压力为25～52 MPa时，压力机工作载荷达到了2.0 MN，因此有可能在试验压力为25 MPa时，在轴向力1.5 MN下并没有完全有效地封住实验装置；当压力机载荷达到2.0 MN时，实验装置的泄漏率趋于稳定，故可以认为实验装置若想达到密封压力，施加在实验装置轴向上的工作载荷需要达到2.0 MN。