海洋非黏结柔性管道接头密封结构分析

李翔云+毕祥军+王刚+阎军+汤明刚+代超+岳前进

摘要： 介绍海洋非黏结柔性管道接头的常见密封结构，用Abaqus对接头的密封特性进行数值分析，研究密封圈的密封性能对不同密封结构参数的灵敏度，得到密封结构参数变化对接头密封结构的密封性能和力学性能影响的一般规律.结果表明密封结构的主要设计参数为密封圈的锥角和曲率半径以及加载位移等.

关键词： 海洋柔性管道； 接头； 密封圈； 密封特性； 接触； 参数灵敏度

中图分类号： TE53； TB1151.1文献标志码： B

0引言

在海洋油气的开采与运输过程中，海洋柔性管道以其易弯曲[1]、方便铺设和回收[2]、可设计性强等优势得到广泛应用.为实现柔性管道的终端连接并密封管道介质，需在管道与浮体的连接处设计接头.接头密封结构要保证在内压波动作用下具有良好的密封性能.由于结构形状和实际工况的复杂性，很难得到密封性能的精确理论解，因此需要用有限元法对密封结构进行分析校核.通过参数灵敏度分析，可以确定对系统密封性能影响较大的参数及参数变化对密封性能的影响规律，修正设计参数.[3]

1接头密封结构

非黏结柔性管道接头密封结构见图1[4]，其中：内、外护套一般为高分子材料，主要起密封管道介质的作用，是接头密封的对象；密封圈有2个密封面，外密封面为锥面，与接头内套形成线面配合，内密封面为圆弧面，与材质较软的内护套配合，在密封圈的弧面压紧作用下形成面面配合.接头密封系统共有2个可能的泄漏路径：一个是密封圈的锥面与接头内套相接触的路径1；另一个是密封圈与内护套相接触的路径2.

1—法兰；2—接头内套；3—接头外套；4—抗拉铠装层；5—抗压铠装层；6—外护套；7—内护套；8—接头颈部；9—绝缘环；10—抗压铠装层；11—密封圈；12—carcass层

图 1柔性管道接头密封结构

Fig.1Sealing structure of flexible pipe end fitting

接头密封结构在使用过程中对应2种载荷工况：一是预紧状态，支撑套在初始安装力作用下插入内护套内径，密封圈在法兰预紧载荷的作用下与接头内套和管道内护套作用并产生初始密封接触压力，为保证初始密封，要求初始密封接触压力高于管道内压；二是操作状态，密封圈在预紧载荷和管道内压的共同作用下发生变形产生工作密封接触压力，须保证密封圈在压力产生波动时仍有良好的密封能力.[5]接头密封结构在使用过程中既要保证密封圈在内压波动的工况下始终保持弹性变形[67]，又要使2个泄漏路径上的接触压力大于密封面两侧压力差，以保证密封效果[8].

在满足接头密封要求的情况下，可以根据有效密封长度评价接头密封性能.假设管道内压力为p0，根据密封功能准则，密封面上接触压力大于p0的位置才会实现密封，则称密封面上接触压力大于p0部分的长度为有效密封长度，即图2中的L.有效密封长度越大，接头密封效果越好.

图 2柔性管道接头密封性能评价指标

Fig.2Assessment criteria on sealing performance of

flexible pipe end fitting

接头密封结构参数见图3，各参数值见表1.

图 3接头密封结构参数

Fig.3Parameters of joint sealing structure

表 1柔性管道接头密封结构参数

Tab.1Sealing structure parameters of flexible pipe

end fitting接头内套锥角/（°）14.0密封圈锥角/（°）12.5密封圈曲率半径/mm20加载位移/mm1设计压力/MPa24

2接头密封结构分析

2.1接头密封有限元模型

2.1.1模型的建立

结合实际海洋柔性管道接头密封结构，利用通用有限元分析软件Abaqus建立接头密封结构有限元模型.由于是轴对称结构，为提高计算效率，接头所有零件均采用二维轴对称单元进行模拟，见图4.

1—接头内套；2—内护套；3—法兰；4—密封圈；5—支撑套

图 4柔性管道接头密封结构有限元模型

Fig.4Finite element model of sealing structure of

flexible pipe end fitting法兰和支撑套较硬，可不考虑变形和应力情况，采用刚体；密封圈、内护套和接头内套为柔性体，采用CAX4I单元.材料属性见表2.

表 2材料属性

Tab.2Material property部件弹性模量/GPa泊松比接头内套210.00.3内护套0.80.4密封圈210.00.3

2.1.2分析步、约束和加载

在接头零件相互作用的区域设置接触，模拟零件之间的相互作用：采用硬接触模拟零件之间的法向行为，采用库伦摩擦模拟零件之间的切向行为.

该模型建立分析步模拟支撑套和密封圈的装配过程及管道内压的加载过程.为使计算更容易收敛，在支撑套和密封圈装配之前分别建立1个分析步，对支撑套和密封圈施加较小的位移，有利于各个接触对达到初始接触.[9]为防止内护套与接头内套发生刚体位移，分别约束内护套的y方向位移和接头内套的所有自由度.

载荷有2种：一种是施加在支撑套参考点上的y方向位移载荷76 mm和法兰参考点上的位移载荷1 mm，通过加载位移载荷实现支撑套和密封圈的装配，达到预紧状态；另一种是施加在流体路径上的管道内压均布载荷24.0 MPa，由于最终变形状态未知，保守选择可能未发生泄漏的路径，压力作用方向沿路径法线方向.约束和加载见图5.endprint

图 5柔性管道接头密封结构约束和加载

Fig.5Boundary conditions and loading of seal structure of flexible pipe end fitting

2.2计算结果和分析

分析接头密封结构在预紧状态和操作状态下的应力和变形，并根据密封圈的von Mises应力结果判断密封圈是否屈服失效，根据密封面接触压力判断密封是否失效.

2.2.1密封圈von Mises应力

预紧状态和操作状态的von Mises应力和变形计算结果见图6和7，可知：密封圈的von Mises应力最大值分别为710.8 MPa和705.2 MPa，操作状态由于有管道内压的作用，密封圈的von Mises应力有所降低；2种工况下的最大von Mises应力都小于密封圈屈服应力785.0 MPa，密封圈没有屈服，能适用于管道压力有波动的工况.

图 6在预紧状态下接头密封结构的von Mises应力

云图，MPa

Fig.6von Mises stress contour of sealing structure of

end fitting under preload state， MPa

图 7在操作状态下接头密封结构的von Mises应力

云图，MPa

Fig.7von Mises stress contour of sealing structure of

end fitting under operating state， MPa

2.2.2密封面接触压力分布

路径1和2在预紧状态和操作状态的接触压力分布对比分别见图8和9，可知：路径1预紧和操作状态的接触压力都高于路径2，且比管道内压高很多，不会发生泄漏.因此，应该主要考虑路径2上的接触压力分布情况.由图9可知：预紧状态和操作状态的最大接触压力都大于管道内压，没有发生泄漏失效；管道压力对路径2的接触压力分布影响不大；相对于预紧状态，在管道内压作用下，操作状态的初始密封点后移，最大接触压力较大，说明密封圈有一定的自紧效应[10]，即管道压力升高，密封面上的接触压力也升高.

图 8路径1密封圈接触压力分布

Fig.8Contact pressure distribution of seal ring in path 1

图 9路径2密封圈接触压力分布

Fig.9Contact pressure distribution of sealing ring in path 2

3参数灵敏度分析

接头密封的关键是泄漏路径上的接触压力和有效密封长度L，而加载位移、密封圈与接头内套锥角差、密封圈弧度共同决定密封面上的接触压力分布和L的大小.本文主要分析密封结构参数变化对密封圈路径2上接触压力分布的影响.

3.1加载位移

根据接头密封结构的锥面配合几何特征，对接头内套锥角为14.0°，密封圈锥角为12.5°时的加载位移范围为0.6～1.2 mm中的几个位移进行分析，密封圈路径2上接触压力分布计算结果见图10，密封圈von Mises应力计算结果见表3.

图 10加载位移对密封圈路径2上接触压力分布的影响

Fig.10Effect of loading displacement on contact pressure distribution of sealing ring in path 2表 3密封圈加载位移计算结果

Tab.3Calculation results of loading displacement of

sealing ring加载位移/mm0.60.81.01.2密封圈von Mises应力/MPa386.7635.9731.8842

由图10可知：随着加载位移的增大，最大接触压力增大，密封面上的初始密封点前移，L增大.综合图10和表3的结果，确定加载位移为0.8～1.0 mm时密封圈有较好的密封性能，并且没有发生屈服.

3.2密封圈锥角

取接头内套锥角为14.0°，分析密封圈锥角θ为11.0，12.0，12.5，13.0和13.5°时路径2上的接触压力分布情况，结果见图11，密封圈von Mises应力计算结果见表4.由图11和表4可以看出：θ越大，最大接触压力越大，L越大，密封效果越好.结合管道设计内压24.0 MPa和密封准则，θ的合理范围应为12.5～13.5°.

图 11密封圈锥角θ对密封圈路径2上接触压力分布的影响

Fig.11Effect of cone angle θ of sealing ring on contact pressure distribution of sealing ring in path 2

表 4密封圈von Mises应力计算结果

Tab.4Calculation results of von Mises stress of sealing ring锥角/（°）11.012.012.513.013.5密封圈von Mises应力/MPa845.9844.0724.4701.9710.4

3.3密封圈曲率半径

分析密封圈曲率半径R在15～30 mm范围内变化对接头密封性能的影响.密封圈曲率半径R计算结果见表5，R对接触压力分布的影响见图12.由表5和图12可知：R越小，最大接触压力越高，L越大，密封效果越好.结合管道设计内压24.0 MPa和密封准则，R的合理范围应为20～25 mm.endprint

表 5密封圈曲率半径R计算结果

Tab.5Calculation results of curvature radius R of seal ring曲率半径/mm15202530密封圈von Mises应力/MPa884.8725.6689.7678.2图 12密封圈曲率半径R对接触压力分布的影响

Fig.12Effect of curvature radius R on contact pressure distribution of sealing ring

4结论

对应用于某海域的柔性管道接头进行结构分析，研究接头的密封性能在不同加载位移、密封圈锥角、密封圈弧面曲率半径下的变化规律，得到以下结论：

1）在密封圈的2个密封面中，密封圈与接头内套相接触的密封面是线面接触的锥面密封，接触压力较高；密封圈与内护套相接触的密封面是面面密封，接触压力相对较低，是密封分析的重点.

2）操作状态比预紧状态的接触压力高，密封圈有一定的自紧效应.

3）密封圈的锥角、弧度和加载位移是影响密封性能的主要设计参数.

4）加载位移越大，最大接触压力越大，密封面上的初始密封点前移，有效密封长度增大.加载位移合理范围为0.8～1.0 mm.

5）接头内套锥角为14.0°时，密封圈锥角越大，最大接触压力越大，有效密封长度越长，密封效果越好.密封圈锥角的合理范围为12.5～13.5°.

6）密封圈曲率半径越小，最大接触压力越高，有效密封长度越大，密封效果越好.密封圈曲率半径合理范围为20～25 mm.参考文献：

[1]王野. 海洋非黏结柔性管道结构设计与分析研究[D]. 大连： 大连理工大学， 2013.

[2]冯利. 悬链式单点系泊立管设计技术研究[D]. 大连： 大连理工大学， 2013.

[3]程耿东. 工程结构优化设计基础[M]. 北京： 水利电力出版社， 1984： 112.

[4]ANSI/API RP 17B—2008Recommended practice for flexible pipe[S].

[5]蔡仁良， 顾伯勤， 宋鹏云. 过程装备密封技术[M]. 2版. 北京： 化学工业出版社， 2006： 2830.

[6]余同希， 薛璞. 工程塑性力学[M]. 2版. 北京： 高等教育出版社， 2010： 13.

[7]BUCHTER H H. 工业密封技术[M]. 化工部化工设计公司标准组， 译. 北京： 化学工业出版社， 1988： 65.

[8]魏龙. 密封技术[M]. 2版. 北京： 化学工业出版社， 2010： 7.

[9]付平， 常德功. 密封设计手册[M]. 北京： 化学工业出版社， 2009： 2.

[10]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析实例详解[M]. 北京： 机械工业出版社， 2006： 164.

（编辑 武晓英）endprint

表 5密封圈曲率半径R计算结果

Tab.5Calculation results of curvature radius R of seal ring曲率半径/mm15202530密封圈von Mises应力/MPa884.8725.6689.7678.2图 12密封圈曲率半径R对接触压力分布的影响

Fig.12Effect of curvature radius R on contact pressure distribution of sealing ring

4结论

对应用于某海域的柔性管道接头进行结构分析，研究接头的密封性能在不同加载位移、密封圈锥角、密封圈弧面曲率半径下的变化规律，得到以下结论：

1）在密封圈的2个密封面中，密封圈与接头内套相接触的密封面是线面接触的锥面密封，接触压力较高；密封圈与内护套相接触的密封面是面面密封，接触压力相对较低，是密封分析的重点.

2）操作状态比预紧状态的接触压力高，密封圈有一定的自紧效应.

3）密封圈的锥角、弧度和加载位移是影响密封性能的主要设计参数.

4）加载位移越大，最大接触压力越大，密封面上的初始密封点前移，有效密封长度增大.加载位移合理范围为0.8～1.0 mm.

5）接头内套锥角为14.0°时，密封圈锥角越大，最大接触压力越大，有效密封长度越长，密封效果越好.密封圈锥角的合理范围为12.5～13.5°.

6）密封圈曲率半径越小，最大接触压力越高，有效密封长度越大，密封效果越好.密封圈曲率半径合理范围为20～25 mm.参考文献：

[1]王野. 海洋非黏结柔性管道结构设计与分析研究[D]. 大连： 大连理工大学， 2013.

[2]冯利. 悬链式单点系泊立管设计技术研究[D]. 大连： 大连理工大学， 2013.

[3]程耿东. 工程结构优化设计基础[M]. 北京： 水利电力出版社， 1984： 112.

[4]ANSI/API RP 17B—2008Recommended practice for flexible pipe[S].

[5]蔡仁良， 顾伯勤， 宋鹏云. 过程装备密封技术[M]. 2版. 北京： 化学工业出版社， 2006： 2830.

[6]余同希， 薛璞. 工程塑性力学[M]. 2版. 北京： 高等教育出版社， 2010： 13.

[7]BUCHTER H H. 工业密封技术[M]. 化工部化工设计公司标准组， 译. 北京： 化学工业出版社， 1988： 65.

[8]魏龙. 密封技术[M]. 2版. 北京： 化学工业出版社， 2010： 7.

[9]付平， 常德功. 密封设计手册[M]. 北京： 化学工业出版社， 2009： 2.

[10]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析实例详解[M]. 北京： 机械工业出版社， 2006： 164.

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表 5密封圈曲率半径R计算结果

Tab.5Calculation results of curvature radius R of seal ring曲率半径/mm15202530密封圈von Mises应力/MPa884.8725.6689.7678.2图 12密封圈曲率半径R对接触压力分布的影响

Fig.12Effect of curvature radius R on contact pressure distribution of sealing ring

4结论

对应用于某海域的柔性管道接头进行结构分析，研究接头的密封性能在不同加载位移、密封圈锥角、密封圈弧面曲率半径下的变化规律，得到以下结论：

1）在密封圈的2个密封面中，密封圈与接头内套相接触的密封面是线面接触的锥面密封，接触压力较高；密封圈与内护套相接触的密封面是面面密封，接触压力相对较低，是密封分析的重点.

2）操作状态比预紧状态的接触压力高，密封圈有一定的自紧效应.

3）密封圈的锥角、弧度和加载位移是影响密封性能的主要设计参数.

4）加载位移越大，最大接触压力越大，密封面上的初始密封点前移，有效密封长度增大.加载位移合理范围为0.8～1.0 mm.

5）接头内套锥角为14.0°时，密封圈锥角越大，最大接触压力越大，有效密封长度越长，密封效果越好.密封圈锥角的合理范围为12.5～13.5°.

6）密封圈曲率半径越小，最大接触压力越高，有效密封长度越大，密封效果越好.密封圈曲率半径合理范围为20～25 mm.参考文献：

[1]王野. 海洋非黏结柔性管道结构设计与分析研究[D]. 大连： 大连理工大学， 2013.

[2]冯利. 悬链式单点系泊立管设计技术研究[D]. 大连： 大连理工大学， 2013.

[3]程耿东. 工程结构优化设计基础[M]. 北京： 水利电力出版社， 1984： 112.

[4]ANSI/API RP 17B—2008Recommended practice for flexible pipe[S].

[5]蔡仁良， 顾伯勤， 宋鹏云. 过程装备密封技术[M]. 2版. 北京： 化学工业出版社， 2006： 2830.

[6]余同希， 薛璞. 工程塑性力学[M]. 2版. 北京： 高等教育出版社， 2010： 13.

[7]BUCHTER H H. 工业密封技术[M]. 化工部化工设计公司标准组， 译. 北京： 化学工业出版社， 1988： 65.

[8]魏龙. 密封技术[M]. 2版. 北京： 化学工业出版社， 2010： 7.

[9]付平， 常德功. 密封设计手册[M]. 北京： 化学工业出版社， 2009： 2.

[10]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析实例详解[M]. 北京： 机械工业出版社， 2006： 164.

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