張樹麗， 趙兵杰， 繆燦亮， 王同宇， 李 濤

(1. 中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司， 天津 300457；2. 天津理工大學(xué)a.天津市先進機電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點實驗室；b. 機電工程國家級實驗教學(xué)示范中心， 天津 300384)

0 引 言

海底管道夾具維修技術(shù)是海底管道維修常用技術(shù)，其關(guān)鍵設(shè)備為海底管道維修夾具，為實現(xiàn)海底管道夾具對泄漏管道的維修，需保證海底管道維修夾具在管道維修部位的密封能力。密封技術(shù)是海底管道維修夾具關(guān)鍵技術(shù)。

ARMANDO等[1]介紹無潛水維修方法和工具，闡述夾具適用典型應(yīng)用范圍為破壞長度不大于一個管道直徑。AYERS等[2]展示2種來自不同公司的結(jié)構(gòu)型海底管道維修夾具。SUM等[3]和DJUKIC等[4]對纖維增強聚合物復(fù)合夾具整體結(jié)構(gòu)強度開展理論和試驗研究，為纖維增強聚合物復(fù)合夾具設(shè)計和應(yīng)用提供參考。黃建蝦等[5]開展法蘭夾具設(shè)計。吳巍等[6]研發(fā)密封夾具智能設(shè)計系統(tǒng)。任躍龍等[7]闡述機械夾具維修方案設(shè)計及夾具修復(fù)缺陷點程序。楊乾等[8]對采用卡具修復(fù)海底管道局部防腐失效開展分析，并提出相應(yīng)的防腐措施。賈璐瑾等[9]介紹海底管道泄漏采用夾具維修技術(shù)的封堵施工步驟。何寧強等[10]對深水海底管道封堵卡具應(yīng)急維修問題的風(fēng)險開展分析，然而上述文獻并未對夾具的密封技術(shù)開展詳細(xì)研究。

趙兵杰等[11-14]介紹海底管道夾具維修技術(shù)、該技術(shù)應(yīng)用范圍及目前常用的海底管道維修夾具密封結(jié)構(gòu)，為后續(xù)海洋管道維修夾具設(shè)計提供了指導(dǎo)；開展海底管道維修夾具設(shè)計，詳細(xì)闡述海底管道維修夾具原理、維修實現(xiàn)步驟、海底管道維修夾具設(shè)計依據(jù)，能夠引導(dǎo)后續(xù)海底管道維修夾具設(shè)計；對海底管道維修夾具密封技術(shù)開展研究，基于夾具密封結(jié)構(gòu)開展相關(guān)理論研究，獲得夾具密封能力，為后續(xù)夾具密封能力計算提供依據(jù)。然而，對于影響海底管道維修夾具密封的其他因素，并未開展詳細(xì)研究。

本文針對影響海底管道維修夾具周向密封和軸向密封的相關(guān)因素開展進一步研究工作?；趭A具密封結(jié)構(gòu)，利用有限元軟件Abaqus對影響密封技術(shù)的因素開展有限元建模及模擬計算，并對模擬計算結(jié)果進行分析，根據(jù)分析結(jié)果對后續(xù)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計提出相應(yīng)的建議。

1 海底管道維修夾具結(jié)構(gòu)

根據(jù)海底管道維修技術(shù)需求，所設(shè)計的海底管道維修夾具結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。對于圓周向密封，通過壓縮碗對周向密封材料的壓縮實現(xiàn)。對于軸向密封，通過2個半塊的夾具主體對主螺栓施加預(yù)緊力實現(xiàn)。

注：1.擰緊法蘭；2.密封螺栓；3.法蘭螺栓；4.液壓輔助開合臂；5.液壓缸；6.安裝吊環(huán)；7.主螺栓；8.泄流孔；9.犧牲陽極；10.吊環(huán)圖1 夾具整體結(jié)構(gòu)圖

注：1.法蘭螺栓；2.密封螺栓；3.張緊卡瓦；4.擰緊法蘭；5.夾具主體；6.壓縮碗；7.周向密封；8.軸向密封墊圖2 夾具內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 夾具密封能力影響因素

對于橡膠類材料計算模型，采用二階Mooney-Rivilin模型開展模擬計算[15-17]。

二階Mooney-Rivilin模型的表達式為

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)+C20(I1-3)2

(1)

取式(1)的前2項可得Mooney-Rivilin模型：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(2)

式(1)和式(2)中：W為應(yīng)變密度；C01、C10、C20為材料常數(shù)，可通過試驗獲得；I1和I2分別為第1和第2應(yīng)變不變量。

2.1 周向密封計算

采用Abaqus有限元軟件對模型開展建模與計算，模型采用二維軸對稱結(jié)構(gòu)(見圖3)，其中：rn為分隔圈內(nèi)半徑；rp為管道外半徑；r1為密封圈內(nèi)半徑；r2為密封圈外半徑；h為密封圈高度。在有限元建模計算中，橡膠材料采用4節(jié)點CAX4RH、鋼性材料采用CAX4R進行網(wǎng)格劃分[18]。

注：1.管道；2.密封圈；3.分隔圈；4.夾具圖3 密封結(jié)構(gòu)示例

夾具模擬計算相關(guān)參數(shù)如表1所示。管道、夾具主體、分隔圈為鋼，鋼的材料性質(zhì)如下：密度為7 850 kg·m-3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。考慮接觸摩擦因數(shù)，分隔圈與夾具主體之間的摩擦因數(shù)設(shè)為0.1。密封圈材料采用丁腈橡膠材料，橡膠材料硬度為IRHD65[19]、彈性模量E=5.52 MPa、泊松比μ=0.499。模型參數(shù)分別取C10=0.736、C01=0.184。模擬計算施加載荷采用表面壓強載荷。

表1 夾具結(jié)構(gòu)模擬計算幾何參數(shù) mm

夾具周向密封結(jié)構(gòu)有限元模擬計算接觸壓力云圖如圖4所示。夾具周向密封2個重要的密封面為密封面A和密封面B。在有限元模擬計算中，重點關(guān)注圖4中的2個密封面的接觸壓力。

2.1.1 摩擦因數(shù)對密封能力的影響

在夾具密封計算中，考慮接觸摩擦因數(shù)對密封能力的影響。在夾具密封能力模擬計算中，橡膠與夾具主體、橡膠與分隔圈、橡膠與輸油輸氣管道之間的接觸摩擦因數(shù)相同，分別取0.3、0.4、0.5、0.6、0.7。在施加相同壓力載荷(12 MPa)作用情況下，接觸面接觸壓力曲線如圖5所示。密封面A和密封面B接觸壓力有限元模擬計算結(jié)果如表2所示。

表2 基于周向摩擦因數(shù)的密封面A與密封面B接觸壓力有限元計算結(jié)果

續(xù)表2 基于周向摩擦因數(shù)的密封面A與密封面B接觸壓力有限元計算結(jié)果

注：1.密封面A；2.密封面B圖4 夾具周向密封面接觸壓力云圖

圖5 基于周向摩擦因數(shù)的密封面接觸壓力

采用平均有效接觸壓力和最大有效接觸壓力對夾具的密封能力進行評價。平均有效接觸壓力計算方法采用去掉無效值，然后對所有有效數(shù)值進行算術(shù)平均，進而獲得平均有效接觸壓力的方法。最大有效接觸壓力則取有效值中的最大值。

根據(jù)有限元模擬計算結(jié)果，由圖5和表2可知，在施加相同載荷作用情況下，隨著摩擦因數(shù)增大，密封面A和密封面B上最大有效接觸壓力和平均有效接觸壓力逐漸減小。摩擦因數(shù)的增大不利于增強夾具的密封能力，因此在設(shè)計時可考慮適當(dāng)減小摩擦因數(shù)。

2.1.2 分隔圈與管道間距離對密封能力的影響

在模擬計算中橡膠與夾具主體、橡膠與分隔圈、橡膠與輸油輸氣管道之間的接觸摩擦因數(shù)設(shè)為0.4。分析分隔圈與管道間距離對夾具密封性能的影響，分隔圈與管道間的距離分別為0 mm、2 mm、4 mm、6 mm。在施加相同壓力載荷(12 MPa)作用情況下，接觸面接觸壓力曲線如圖6所示，密封面A和密封面B接觸壓力有限元模擬計算結(jié)果如表3所示。

根據(jù)有限元模擬計算結(jié)果，由圖6和表3可知，在施加相同載荷作用情況下，隨著分隔圈與管道間距離增大，2個接觸面上的最大有效接觸壓力和平均有效接觸壓力逐漸減小。分隔圈與管道間距離的增大不利于增強夾具的密封能力。在滿足維修需求下，設(shè)計時可考慮適當(dāng)減小分隔圈與管道間距離。

表3 基于分隔圈與管道間距離的密封面A與密封面B接觸壓力有限元計算結(jié)果

圖6 基于分隔圈與管道間距離的密封面接觸壓力

2.1.3 密封圈與管道間距離對密封能力的影響

在模擬計算中橡膠與夾具主體、橡膠與分隔圈、橡膠與輸油輸氣管道之間的接觸摩擦因數(shù)設(shè)為0.4。分析密封圈與管道間距離對夾具密封性能影響，密封圈與管道間的距離分別為0 mm、2 mm、4 mm、6 mm。在施加相同壓力載荷(12 MPa)作用情況下，接觸面接觸壓力曲線如圖7所示，密封面A和密封面B接觸壓力有限元模擬計算結(jié)果如表4所示。

根據(jù)有限元模擬計算結(jié)果，由圖7和表4可知，在施加相同載荷作用情況下，隨著密封圈與管道間距離的增加，2個接觸面上的最大有效接觸壓力和平均接有效觸壓力逐漸減小。密封圈與管道間距離的增加不利于增強夾具的密封能力。在滿足維修需求下，設(shè)計時可考慮適當(dāng)減小分隔圈與管道間距離。

圖7 基于密封圈與管道間距離的密封面接觸壓力

表4 基于密封圈與管道間距離的密封面A與密封面B接觸壓力有限元計算結(jié)果

2.2 軸向密封計算

以夾具的軸向密封為研究對象，采用軸對稱單元進行模擬。軸向密封結(jié)構(gòu)計算模型幾何參數(shù)如圖8所示。夾具主體2采用完全對稱固定,對夾具主體1的水平方向位移進行限制，只允許產(chǎn)生豎直方向上的移動。施加載荷采用表面壓強載荷。

夾具軸向密封結(jié)構(gòu)有限元模擬計算接觸壓力云圖如圖9所示。夾具軸向密封2個重要的密封面為接觸面A和接觸面B。在有限元模擬計算中，重點關(guān)注圖9中的2個接觸面的接觸壓力。

考慮接觸摩擦因數(shù)，在模擬計算中橡膠與夾具主體之間的接觸摩擦因數(shù)分別設(shè)為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7。在施加相同壓力載荷(6 MPa)作用情況下，接觸面接觸壓力曲線如圖10所示，密封面A和密封面B接觸壓力有限元模擬計算結(jié)果如表5所示。

注：1. 夾具主體1; 2. 橡膠; 3. 夾具主體2(單位：mm)圖8 夾具軸向密封結(jié)構(gòu)計算模型

注：1. 密封面A；2. 密封面B圖9 夾具軸向密封面接觸壓力云圖

圖10 基于軸向摩擦因數(shù)的密封面接觸壓力

表5 基于軸向摩擦因數(shù)的密封面A與密封面B接觸壓力有限元計算結(jié)果

根據(jù)有限元模擬計算結(jié)果，由圖10和表5可知，在施加相同載荷作用情況下，2個接觸面上最大有效接觸壓力和平均有效接觸壓力相等。摩擦因數(shù)對該類密封接觸壓力基本沒有影響，在該類密封設(shè)計時，可根據(jù)實際情況忽略摩擦因數(shù)對密封的影響，從而有利于密封材料及夾具本體的加工制作。

3 結(jié) 論

(1) 對于夾具的周向密封能力，摩擦因數(shù)、分隔圈與管道間距離、密封圈與管道間距離的增大不利于增強夾具的密封能力，在設(shè)計相關(guān)參數(shù)時，在條件允許的情況下，可適當(dāng)減小相關(guān)參數(shù)。

(2) 對于夾具的軸向密封能力，摩擦因數(shù)對密封能力基本沒有影響，因此，在進行夾具軸向密封設(shè)計時，可忽略摩擦因數(shù)對密封的影響。

(3) 在設(shè)計中應(yīng)綜合考慮維修管道情況和夾具制作技術(shù)，進而選擇合適的夾具密封設(shè)計參數(shù)，滿足維修需求。