深水大直径连接器双重密封设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国石油大学( 北京) 海洋油气研究中心 作者:彭飞

  设计一种适用于1500m水深,油气压力为34.5MPa的304.8mm管道的连接器锁紧机构的透镜式密封件。该密封件由透镜密封和O型圈密封双重密封组成,具有良好的对中性,可降低毂座法兰的预紧所需的轴向预紧力(减小毂座法兰的尺寸),具有一定的温度补偿能力,适应U级温度(-18~121℃)的工作环境。利用双重密封之间的间隙,设计密封性能测试方案。建立密封件实际模型并对其进行有限元分析,评估密封效果,验证双重密封的合理性和可行性,为样机设计提供理论依据。

  深水连接器是连接海底油气管线和跨接管的一种必须的水下连接设备,随着我国的油气开发走向海洋并逐步走向深海,水下管汇连接器将有广阔的市场应用前景。目前我国深水油气的开发技术刚刚起步,锁紧技术还属空白。作为连接器的关键部件,锁紧机构的密封可靠性至关重要。

  某深水连接器锁紧机构密封件的设计要求是,能对1500m水深、油气压力为34.5MPa的、直径为304.8mm的管道进行密封,同时适应U级(-18~121℃)温度的工作环境。因此,该大直径的密封件要求具有良好的对中性,且毂座法兰的轴向预紧力小,并具有一定的温度补偿能力。然而,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为对于在深水高压、腐蚀条件下安装和服役的大直径的密封件,如何保证良好的对中性,如何降低毂座法兰的轴向预紧力(减小毂座法兰的尺寸),如何使密封件具备一定的温度补偿能力及如何设置密封性测试方案等都是亟待解决的技术难题。

  透镜密封的密封面为球面,对中性好,密封时接触为狭窄环带,需要的预紧力小,因而满足深水大直径密封件的对中性和减小毂座轴向预紧力的要求。然而透镜式密封应用还不成熟,直径大于152mm的透镜式密封还没有成熟的设计方案。

  本文作者设计了应用于直径304.8mm管道的透镜式密封,确定了其尺寸参数,并对其结构进行优化;另外,在其结构上增设了O型圈非金属密封作为二重密封,以具备温度补偿能力和保证密封的高可靠性;此外,巧妙地利用金属密封和非金属密封中间的间隙作为密封性能测试的空间;最后,采用有限元方法建立了实体分析模型,并对其性能进行了评估,验证了双重密封的合理性和可行性,为今后样机设计提供了理论依据。

1、深水连接器锁紧机构密封设计

  1.1、连接器锁紧机构工作原理

  如图1所示,设计的锁紧机构由限位螺栓、驱动环、卡爪、上毂座和下毂座组成。锁紧前,下毂座与管汇位于海底,当连接器安装工具携带着锁紧机构上端下放至下毂座上方后,驱动环在液压缸的驱动下向下运动,从而推动卡爪向内收拢,进而锁紧上、下毂座压紧密封件,实现管道的连接,之后安装工具撤离。解锁时,驱动环在液压缸的拉力下向上运动,驱动环驱动卡爪向外张开,从而实现管道的解锁。

锁紧机构剖视图

图1 锁紧机构剖视图

  1.2、透镜式密封件结构设计

  由于连接器锁紧机构在深水1500m和油气压力为34.5MPa条件下服役,且深水下安装要求密封件的对中性相当高,所以密封件的工作环境为高温高压,且对中性要求很高。高压管道连接中,广泛使用透镜垫密封结构。由于其接触面是由球面和斜面自然形成,垫片易对中,其具有耐高温高压、密封性持久可靠、适应载荷频变等特性,符合设计要求。然而,目前透镜密封只用于公称通径为3~200mm的高压管道,对于大直径管道的密封,必须重新设计透镜密封。

  透镜垫的密封面均为球面,与毂座锥形密封面相接触,初始状态为一环线。在预紧力作用下,透镜垫在接触处产生变形,环线变成环带,通过回弹力在接触面形成接触压力,密封性能较好。透镜密封的密封性能取决于接触压力、材料特性、表面摩擦因数及密封尺寸。

  对于透镜密封的设计,首先根据规范DIN2696中透镜垫尺寸的设计方法,并根据304.8mm管道的基本参数,确定设计所需的初始参数;然后按照规范的设计方法计算出其他参数;最后通过有限元分析对其密封效果进行验证。

5、结论

  设计了一种适用于1500m水深,油气压力为34.5MPa的304.8mm管道的连接器锁紧机构的密封件,可适应U级(-18~121℃)温度的工作环境;同时,利用双重密封之间的间隙,设计了密封性能的测试方案。该双重密封具有良好的对中性,可降低毂座法兰的预紧所需的轴向预紧力(减小毂座法兰的尺寸),并具备一定的温度补偿能力。对双密封实际模型进行了有限元分析,并对整体特性进行了评估分析,验证了双重密封的合理性和可行性,为今后样机设计提供了重要的理论依据。

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