深海高壓環境下的密封材料變形特性分析

周 博 陳家旺 顧臨怡

浙江大學流體傳動與控制國家重點實驗室,杭州,310027

0 引言

深海技術裝備如深海沉積物保真取樣器[1]、深海熱液保真取樣器[2]、深海原位探測器[3]、深海生物幼體保真取樣器、ROV(remote operated vehicle)和 AUV(autonomous underwater vehicles)等水下運載器,由于考慮海水低黏度(約為礦物油的1/40～1/50)、海水水壓(0～100MPa)、海水腐蝕、海水導電及樣品污染等原因,密封結構形式一般采用高強度耐壓型,或采用帶補償油或純凈水的內外壓平衡型。在水深1000m之內,常規密封結構設計多采用標準設計,而在深海高壓環境下,密封件采用具有自密封作用和耐腐蝕的O形橡膠圈作為密封圈[4],密封件自身形體受到周圍高壓產生的變形會對系統密封性能和可靠性產生影響,如果密封材料及設計尺寸考慮不足將嚴重影響系統工作,如漏水致使高壓艙內電路板燒毀。另外,保真取樣器在深海高壓環境下完成取樣動作的同時就建立起了系統密封,系統能夠實現對沉積物、生物等對象進行原位保真取樣,要求密封件在水下高壓環境下必須具有一定量的初始預壓縮量,最終能不能保持原位壓力取決于密封件與剛性體(如高強度筒體)間的接觸應力是否大于海水環境壓力。

本文研究密封材料在深海高壓環境下自身形體產生的體積壓縮特性。通過本研究確認常規密封結構形式是否會由于密封體的預壓縮量不夠而使系統無法獲得采樣點的原位壓力。

1 試驗儀器與試驗條件

1.1 試驗儀器

采用WDW-200微機控制電子式萬能試驗機來施加壓力。該試驗機最大試驗力為200kN,試驗力分辨率為1/100 000。橡膠的軸向壓縮量由YYU-5010型電子引伸計來測量,其測量精度為1μm。試驗測量范圍為 0～200MPa,該范圍足以包括地球海水水深產生的水壓范圍。測試系統如圖1所示,試驗裝置由主套筒、輔助套筒、施壓軸、支撐軸、內六角螺釘組成。

圖1 測試系統

1.2 試驗材料與方法

試驗采用的3種不同密封膠棒規格見表1。測試時橡膠試樣放在主套筒內,由主套筒限制橡膠試樣的徑向變形;支撐軸放置在主套筒內部,橡膠試樣的下方;施壓軸放置在橡膠試樣的上方,用來傳遞電子萬能試驗機施壓梁施加的壓力;輔助套筒通過內六角螺釘壓緊在施壓軸的上端;電子引伸計的兩只腳分別固定在輔助套筒和主套筒的外壁,主套筒和輔助套筒的外徑相同,以減小電子引伸計的測量誤差。

表1 密封膠棒規格

2 壓縮率的測量依據

假設橡膠試樣初始長度為l0,半徑為r0,那么其在大氣壓下的體積為V0=l0。在理想狀態下,主套筒的內徑為2r0,橡膠試樣的徑向變形為0。在壓強p下,橡膠試樣的長度為l p,半徑仍為r0,體積為Vp=l p,則等溫體積壓縮率為

這里,l0-l p可以由電子引伸計直接測得。

3 壓縮量的理論計算

式(1)建立在假定主套筒受內力時其內徑恒定不變的基礎上,但事實上,在高壓下橡膠試樣的軸向將產生變形,同時沿著徑向也產生變形,其徑向變形將壓力傳到主套筒的內壁,主套筒徑向產生變形。但是,使得主套筒在徑向的變形取決于其幾何形狀和材料,如果設計合理,主套筒徑向的變形是可以控制在不影響試驗結果的范圍內的。

在內部壓力作用下,主套筒的徑向變形可以根據拉梅公式[5]來計算：

式中,u為半徑r處的徑向變形;E、ν分別為主套筒材料的彈性模量和泊松比;K為主套筒的外徑內徑比,K=r1/r0。

本次試驗所用套筒材料為45鋼,其彈性模量E=216GPa,根據文獻[6]取ν=0.29。又 r0=5mm,r1=20mm,代入計算可得在內部壓力p作用下,主套筒半徑r處的徑向變形為

則等溫體積壓縮率修正為

因為深海保真取樣設備的使用范圍在100MPa(水壓)以內,所以當p=100MPa時式(4)為

此時,等溫體積壓縮率測量誤差最大,隨著加載壓力p的減小,等溫體積壓縮率的測量精度將越來越高。

4 密封件有限元分析

密封件材料在較短時間內及恒定的環境溫度下通常被處理為各向不可壓縮材料,其應變能密度函數W是變形張量不變量I 1、I2、I3的函數,即W=W(I1,I2,I3)。根據密封件的不可壓縮特性,W函數式可以用變形張量不變量的級數形式表示[7],一般廣泛采用的是 Mooney-Rivlin模型,即

式中,C1、C2為材料常數,可根據單軸拉伸試驗測得[8]。

該模型能很好地描述密封件變形在150%內的特性[9],對于橡膠件,彈性模量E與剪切模量G有如下關系：

式中,μ為泊松比。

G或E與材料常數C1、C2的關系為

由于密封件具有軸對稱特性,故取1/2剖面進行有限元建模,應用Plane182單元類型,對其進行映射網格劃分,單元數為400。在密封件左右兩側加x向約束,在密封件底部加y向約束,在密封件頂部施加0～200MPa載荷。

5 試驗結果與有限元仿真計算分析

5.1 試驗結果與有限元計算結果對比

3種不同材料的試驗結果和有限元計算結果如圖2所示。圖2中橫坐標表示壓力加載過程,縱坐標表示加壓過程中三種橡膠材料的自身壓縮率。可以看出,無論是試驗曲線還是有限元仿真曲線,均呈指數函數曲線上升。

圖2 試驗值與有限元計算結果對比

5.2 試驗結果與仿真結果分析比較

對硅橡膠、氟橡膠、丁腈橡膠3種橡膠材料進行實驗室軸向壓縮試驗以及數值模擬計算發現(圖2),3種材料的自身壓縮率均隨環境壓力的增大而增大。在200MPa加壓條件下,氟橡膠的壓縮率為5.2%,是3種材料中最小的;丁腈橡膠的壓縮率為7.34%;硅橡膠材料的壓縮率為8.76%,是3種材料中最大的。考慮到實際地球海水最深處馬里亞納海溝為11 521m,如果按水深每增加10m壓強增加1個大氣壓算,則該海溝處水深造成的壓力為115.21MPa。從圖 2可以看出,在115.21MPa的壓力下,氟橡膠的壓縮率為3.26%,丁腈橡膠的壓縮率為4.78%,硅橡膠材料的壓縮率為5.80%。對于密封結構特別是高壓環境裝配的結構來說,密封材料自身的壓縮率越低越好,低壓縮率帶來的好處是,在設計密封結構時可以應用常規密封結構或適當增大密封件自身尺寸以抵消因高壓造成的自身壓縮。

圖2中的3條仿真曲線均能較為準確地模擬氟橡膠、丁腈橡膠及硅橡膠3種材料在高壓條件下的壓縮變化情況,其仿真值與實測值較為接近。通過有限元仿真可以為今后設計不同結構類型的密封件提供最基本的材料常數C1、C2值及壓縮率的預測結果。

6 深海高壓環境下密封可靠性評價

目前,我國海洋領域應用中的大部分深海作業裝備都采用常規密封結構,未出現因密封圈材料自身壓縮而漏水或漏油等現象,很大原因在于其作業水深基本上在3000m之內,從圖2可以看出,這個壓力條件下的3種橡膠材料壓縮率都在3%之內。對于海底熱液口附近的熱液取樣,考慮密封材料的耐熱性,基本上采用的都是氟橡膠材料。常規密封結構設計中,通常靜密封預壓縮量為15%～30%,動密封預壓縮量約為9%～25%。因此,考慮到自身壓縮率的影響,其預壓縮量應當在常規設計規定量的基礎上考慮自身壓縮率影響(包括海洋水深及其他因素影響),在常規設計基礎上增加10%的尺寸余量。另外,由于氟橡膠耐熱、耐酸堿及其他化學藥品、耐油(包括磷酸酯系列液壓油),適用于所有潤滑油、汽油、液壓油、合成油,使用溫度為-20℃～200℃,適用于耐高溫、化學藥品、耐燃液壓油的密封[10],因此氟橡膠最適合應用于深海高壓環境下保真取樣設備的密封。

7 應用分析

在實際應用中,某保真取樣設備保壓筒內徑為1600.150 mm,端蓋直徑為1mm,密封圈溝槽深為mm,O形密封圈線徑為8mm,內徑為mm,則根據O形密封圈預壓縮率核算公式[5]：

式中,κTmax為最大壓縮率;d0max為O形密封圈自由狀態下的最大線徑;Hmin為溝槽最小深度;Cmin為端蓋和保壓筒最小間隙。

其最大預壓縮率為

根據文獻[11],用于固定徑向密封的O形密封圈的預壓縮率應達到15%～25%才能取得滿意的效果,由此,上述O形密封圈在常壓下的使用可以取得滿意的效果。但如果將該裝置置于深海高壓環境下,由于O形密封圈體積受壓縮,則可能達不到預壓縮率的要求。選用氟橡膠材料的O形密封圈則在70MPa下的體積變化率為2.07%,根據文獻[12]介紹的彈性體體積V壓縮量變化(ΔV)和彈性密封體當量直徑 d 0變化(Δd 0)之間的關系可得

計算得到O形密封圈在70MPa下線徑的變化為1.00%,由此可計算其最大壓縮率為

如果選用丁腈橡膠密封圈,則根據試驗測得的壓縮數據可以計算其最大壓縮率為14.77%＜15%?？梢?如果選擇氟橡膠材料密封圈,其最大壓縮率為15.72%,僅略微大于15%,而丁腈橡膠密封圈則可能失效,由此可見深海高壓環境對O形密封圈的使用存在著一定的影響。要避免密封圈失效,主要有三種方法：①選擇壓縮率更小的密封圈的材料;②增大O形圈直徑;③選擇合理密封結構形式。

8 結論

(1)對于氟橡膠、丁腈橡膠以及硅橡膠三種材料,隨加載壓力的增大其壓縮量增大,相同壓力條件下氟橡膠的壓縮量最小。

(2)有限元分析可為不同類型的密封件結構設計提供基本的材料常數,其預測結果較接近實測值。

(3)密封材料在高壓環境下存在自身壓縮性,在設計高壓環境下的密封結構時應在常規設計的預壓縮率基礎上增大材料自身的壓縮率。

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