海底管線水下封堵高壓管卡的設(shè)計(jì)

傳 建，馬月聰

(天津市海王星海上工程技術(shù)股份有限公司，天津300384)

0 引言

在海底管線設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，由于腐蝕或者其他機(jī)械損傷等因素導(dǎo)致管線泄漏的事故時(shí)有發(fā)生，管線一旦泄漏將污染海洋環(huán)境，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)前國內(nèi)的大量管線泄漏事故推動(dòng)國內(nèi)封堵技術(shù)的發(fā)展，但大多集中在壓力不超過6 MPa的情況，在設(shè)計(jì)壓力高于6 MPa的高壓管卡研制技術(shù)上還缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。因此，本文以設(shè)計(jì)壓力為14 MPa的304.8 mm(12 in)管卡為設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行了高壓管卡的設(shè)計(jì)闡述，以推動(dòng)國內(nèi)海管搶修中高壓管卡技術(shù)的發(fā)展。

1 管卡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 材料選擇

1.1.1 結(jié)構(gòu)材料

本高壓管卡的設(shè)計(jì)壓力等級(jí)達(dá)到14 MPa，材料宜考慮鍛件或鑄件。吊耳、合頁等附件采用GB/T 700 Q235B材料，鑄件采用GB/T 11352 ZG200—400級(jí)材料。

1.1.2 密封材料

管卡常用的密封材料有密封膠和橡膠條。

帶壓堵漏用的密封膠產(chǎn)品在市場(chǎng)上種類比較多，封堵壓力大多能達(dá)到58 MPa以上。注膠密封形式在當(dāng)前封堵?lián)屝奘袌?chǎng)上積累了大量成功經(jīng)驗(yàn)。

橡膠密封是采用橡膠條，通過對(duì)橡膠條的擠壓實(shí)現(xiàn)密封堵漏。在以往常規(guī)管卡(不超過6 MPa)的設(shè)計(jì)中，基本上均采用了丁腈橡膠材質(zhì)，無論是在打壓試驗(yàn)或是安裝后均沒有出現(xiàn)泄漏問題，考慮到高壓管卡(不小于14 MPa)的要求，本項(xiàng)目采用了性能更好的氟橡膠材質(zhì)。橡膠通過澆鑄模具鑄成設(shè)計(jì)的橡膠圈/條尺寸，在管卡安裝前可以提前將密封條放置在設(shè)計(jì)位置，縮減了水下安裝過程中的工藝過程。

1.1.3 緊固件

結(jié)合以往安裝經(jīng)驗(yàn)，采用雙頭螺柱，但強(qiáng)度級(jí)別和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)均參照鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

1.2 結(jié)構(gòu)選型

常用的管卡結(jié)構(gòu)形式主要有不帶翼緣型和帶翼緣型2種。帶翼緣型管卡如圖1所示。

圖1 帶翼緣型管卡

帶翼緣管卡的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)形式簡單，易于加工制造，可以采用鑄件直接加工而成，結(jié)構(gòu)重量輕，方便安裝。該結(jié)構(gòu)形式的缺點(diǎn)是材料選擇和加工工藝單一，只能采用鑄鋼件加工。該形式管卡適用于壓力較高且對(duì)安裝重量要求較高的情況。

1.3 管卡的密封形式選型

采用橡膠條密封的管卡主要有常規(guī)密封和機(jī)械式密封2種密封形式。

常規(guī)密封結(jié)構(gòu)形式簡單，重量輕，在水下安裝過程中的施工工作量相對(duì)較小。常規(guī)的橡膠條密封如圖2所示。

圖2 常規(guī)的橡膠條密封

機(jī)械式密封構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜一些，主要體現(xiàn)在端部徑向密封位置，需要增加頂緊法蘭，同時(shí)也增加了水下安裝過程中的施工工作量?？紤]到方便潛水員水下安裝的要求，本文采用常規(guī)密封形式。

2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

2.1 基本參數(shù)

高壓管卡的主體部分由鑄鋼澆鑄而成，材質(zhì)為GB/T 11352 ZG200，屈服強(qiáng)度為200 MPa。

連接用螺柱選用12.9級(jí)M36×350，彈性模量為2.1×1011N/m2，泊松比為0.3。

2.2 螺柱連接的強(qiáng)度分析

上下管卡靠螺柱提供的預(yù)緊力來保持密封條的緊密貼合，保證密封性。

螺柱的個(gè)數(shù)為16個(gè)，屈服強(qiáng)度為1 080 MPa，許用應(yīng)力為360 MPa，試驗(yàn)壓力為14 MPa，安全系數(shù)為3，有效面積 Ae為816.7 mm2。

管卡的內(nèi)壓為14 MPa，密封圈內(nèi)的最大長度為600 mm，最大寬度為357 mm。密封槽內(nèi)與密封圈接觸處的面積為27 812 mm2，壓力按28 MPa計(jì)算。管卡所受的垂直凸緣法蘭面的力為:

單個(gè)螺柱的受力為:F=F總/16=236 096 N

則螺柱的應(yīng)力為:σ=F/Ae=289.09 MPa

螺柱的應(yīng)力小于其許用應(yīng)力360MPa，因此螺柱的強(qiáng)度滿足要求。

2.3 管卡的強(qiáng)度分析

2.3.1 計(jì)算模型

由于上下管卡的模型和受力情況相同，為此選取其中1個(gè)的1/2進(jìn)行強(qiáng)度校核。采用Solid 45單元進(jìn)行模擬，對(duì)管卡進(jìn)行有限元分析計(jì)算，管卡的計(jì)算模型如圖3所示。

2.3.2 載荷及約束條件

根據(jù)模型的對(duì)稱性，選取了管卡的1/4進(jìn)行計(jì)算。對(duì)管卡與螺母的接觸圓環(huán)面進(jìn)行3個(gè)方向自由度的約束，在對(duì)稱平面處施加對(duì)稱約束，其他位置未作約束。將管卡的內(nèi)壓14 MPa施加在管卡內(nèi)部對(duì)應(yīng)的受力位置上。

2.3.3 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖3 管卡計(jì)算模型

圖4 管卡的應(yīng)力云圖

管卡的最大位移很小，僅為0.305×10-3m，發(fā)生在管卡半圓環(huán)的中心區(qū)域;凸緣法蘭與管卡圓環(huán)連接處的應(yīng)力為133 MPa。

山東是黃河下游的重要省份，南北兩側(cè)分別毗鄰長三角經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)和京津冀一體化發(fā)展區(qū)，東面臨近日、韓等發(fā)達(dá)國家，具備突出的地緣優(yōu)勢(shì)。因此山東具有較強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)承接能力，同時(shí)山東省有發(fā)達(dá)便利的交通網(wǎng)絡(luò)，所以日、韓兩國產(chǎn)業(yè)也能夠快速轉(zhuǎn)移到山東。

通過計(jì)算可見，螺柱計(jì)算應(yīng)力為299 MPa，管卡計(jì)算應(yīng)力為133 MPa，均滿足要求。

3 密封設(shè)計(jì)校核

3.1 橡膠材料的基本數(shù)據(jù)

由于管卡密封圈是非標(biāo)準(zhǔn)件，沒有標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范以供查詢。鑒于其形式的特殊性，故管卡的密封圈的設(shè)計(jì)計(jì)算只能遵循標(biāo)準(zhǔn)密封圈件設(shè)計(jì)的基本要求和相關(guān)的文獻(xiàn)來進(jìn)行。國產(chǎn)的氟橡膠主要分為4種:23型(1號(hào)膠)、26型(2號(hào)膠)、246型(3號(hào)膠)、四丙膠(FE2701)。綜合考慮市場(chǎng)因素，氟橡膠的性能受到含氟量等多個(gè)因素的影響而導(dǎo)致性能有所差異，本設(shè)計(jì)以密封圈廠家提供的數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)，見表1。

表1 氟橡膠的機(jī)械性能

3.2 基本尺寸的選取

密封圈截面形式為矩形，長度與管卡上密封溝槽的長度一致，因此，密封圈的設(shè)計(jì)主要包括橫截面寬度和高度的確定。由于密封圈的橫截面為矩形，沒有現(xiàn)成的規(guī)范以供查詢，因此初步設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［2］。文獻(xiàn)［1］中給出了矩形橡膠密封圈設(shè)計(jì)的推薦尺寸。由于鋼管的直徑為304.8 mm，為此，確定矩形密封圈寬為12 mm，高定為6.5 mm。根據(jù)規(guī)范［3］可知鋼管的外徑存在2.5 mm的誤差，會(huì)造成密封圈的偏心，影響其密封性能?？紤]以上因素的同時(shí)結(jié)合文獻(xiàn)［1］中密封圈的初始?jí)嚎s率8% ～14%，將密封圈的高度定為8 mm。

3.3 密封圈工作原理與失效準(zhǔn)則

管卡中的密封圈可以起到雙向密封的作用。它由安裝時(shí)施加的初始徑向位移在密封圈與鋼管的接觸面上產(chǎn)生接觸壓力，使其在徑向和軸向產(chǎn)生初始的密封性能。這種接觸壓力，因密封介質(zhì)壓力的增大而相應(yīng)增強(qiáng)，這就產(chǎn)生了隨密封介質(zhì)壓力而增大的總密封壓力。

根據(jù)密封圈的工作原理可知，密封圈的失效主要包括2部分:

一是密封圈在工作狀態(tài)下的最大接觸壓應(yīng)力σ小于工作內(nèi)壓P，導(dǎo)致密封介質(zhì)的泄露;二是在密封溝槽槽口的轉(zhuǎn)角處存在最大剪切應(yīng)力σxy，當(dāng)其超過密封圈材料本身的抗剪切強(qiáng)度τxy時(shí)，會(huì)導(dǎo)致密封圈的撕裂破壞。因此，判斷密封圈的失效準(zhǔn)則主要由式(1)和式(2)組成。

橡膠密封條是按照自密封原理進(jìn)行工作的，其方程式為:

式中:σ1為接觸面的綜合壓應(yīng)力;σ為最初的接觸應(yīng)力;P為密封件所受的被密封介質(zhì)的壓力;α為通過橡膠件傳遞到接觸面上的壓力分量常數(shù)，α=0.85 ～ 1［1］。

3.4 密封圈的有限元強(qiáng)度校核

3.4.1 密封圈計(jì)算模型及假設(shè)

對(duì)密封圈進(jìn)行有限元分析時(shí)，鑒于其邊界條件的復(fù)雜性，故將密封圈、管卡和管道作為整體進(jìn)行分析。根據(jù)密封結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料和邊界特點(diǎn)，可將三維模型簡化為平面軸對(duì)稱模型。

在計(jì)算過程中做如下假設(shè):

(1)密封圈材料具有確定的彈性模量和泊松比，密封圈材料拉伸與蠕變的性質(zhì)相同。

(2)密封圈受到的縱向壓縮視為由約束邊界的指定位移引起的。

(3)密封圈的蠕變不引起體積的變化。

(4)將管卡鋼材視為剛體，其變形不影響最終的計(jì)算結(jié)果。

取密封圈泊松比為0.499，摩擦系數(shù)為0.3。橡膠單元采用超彈單元PLANE 182，接觸單元由接觸單元CONTA 172和目標(biāo)單元TARGET 169組成。管卡和管道的單元采用PLANE 42，彈性模量為2.06E5，泊松比為0.3。由于橡膠為非線性材料，參考文獻(xiàn)［6］和文獻(xiàn)［7］，采用穆尼-瑞林來描述。

3.4.2 密封圈的計(jì)算結(jié)果

在施加位移(壓縮)后，密封圈會(huì)產(chǎn)生位移和應(yīng)力。在施加位移載荷計(jì)算出結(jié)果的基礎(chǔ)上，在密封圈與密封介質(zhì)的接觸面上施加14 MPa壓強(qiáng)，并計(jì)算其結(jié)果。密封圈的應(yīng)力云圖如圖5所示，剪切應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖5 施加壓強(qiáng)后的應(yīng)力云圖

圖6 施加壓強(qiáng)后的剪切應(yīng)力云圖

經(jīng)過上面的分析可知，密封圈接觸面處的最大壓應(yīng)力為 35.468 MPa，大于密封介質(zhì)的壓強(qiáng)14 MPa，滿足方程式(1)。密封圈所受的最大剪切應(yīng)力為3.426 MPa，小于其抗剪切強(qiáng)度，滿足式(2)。因此，密封圈可以滿足密封的要求。

4 結(jié)語

本高壓管卡設(shè)計(jì)已完成制造和壓力試驗(yàn)，經(jīng)17.5 MPa(設(shè)計(jì)壓力14 MPa的1.25倍)試壓并保壓24 h，無明顯壓降，可見采用本設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期效果。此管卡無論是在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度還是密封性能均滿足要求，可為后續(xù)高壓管卡設(shè)計(jì)提供參考。

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