管內封堵器膠筒硬度對其自密封特性影響研究

，仕民，

( 中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249)①

管道是輸送原油及天然氣的主要方式，由于其復雜的運行環(huán)境，經過長時間運行之后難避出現(xiàn)如裂紋、腐蝕、凹陷等事故。為了避免或減少由此造成的經濟損失，管道維搶修技術近年來得到了越來越廣泛的應用。管內智能封堵技術[1-3]作為一種新型的管內封堵技術，是管道，特別是海洋管道的維搶修的先進技術。

管內智能封堵技術的核心裝備是管內智能封堵器，其可以實現(xiàn)在管內指定位置的錨定與封堵[4-5]，如圖1所示。管內封堵主要是靠擠壓膠筒使其與管壁形成接觸密封力，所以膠筒的密封性能將直接影響管內智能封堵器的性能。

圖1 管內智能封堵器示意

對于膠筒的密封研究已經比較廣泛，膠筒結構及形狀的優(yōu)化研究已有很多[6-9]。膠筒的另外一個非常關鍵的參數(shù)是自密封，膠筒的自密封在整個密封過程中起到非常重要的作用。本文通過模擬的方法，對膠筒的密封性能以及膠筒硬度對自密封性能的影響進行研究。

1 膠筒自密封特性

管內智能封堵器膠筒的工作過程類似于封隔器的膠筒，密封過程如圖2所示。封堵過程主要通過液壓缸帶動擠壓環(huán)移動，逐漸擠壓膠筒，使其軸向受擠壓，產生徑向膨脹，并與管壁形成接觸應力，進而形成管內密封。

圖2 封堵器封堵過程示意

假設膠筒與管壁之間形成的接觸壓力等于膠筒在管內可以封堵的管內壓差。在膠筒密封過程中，首先液壓缸擠壓膠筒，使之膨脹與管壁形成初始密封，產生初始接觸壓力，這一過程擠壓膠筒所需的推力為FZ；形成接觸壓力后，由前后壓差pk在封堵器端面產生的軸向力為F2。在初始階段，由于接觸壓力較小，F(xiàn)Z>F2；隨著接觸壓力逐漸增大，當達到某一時刻后，F(xiàn)Z≤F2，這時膠筒繼續(xù)擠壓所需的推力由管內壓差產生的軸向力提供，此時膠筒可以實現(xiàn)越壓越緊，即實現(xiàn)自密封。實現(xiàn)自密封的條件為

(1)

2 膠筒密封性能模擬分析

2.1 模型選擇

在保證計算準確性的前提下，為使計算更加快速，對模型進行了適當簡化，簡化后的模型如圖3所示。主要由膠筒、底座、推環(huán)以及管道組成。膠筒模擬模型采用軸對稱模型，膠筒的特性選用Mooney-Rivlin本構模型。

圖3 模擬模型

模型所選的參數(shù)與工程中實際參數(shù)相同，如表1所示。

表1 模型選取參數(shù) mm

對于Mooney-Rivlin本構模型，其應變能密度函數(shù)的表達式為

(2)

式中：W為應變勢能；I1、I2為變形張量；C10、C01為Mooney-Rivlin常數(shù)。

工程應用中拉壓變形不超過25%、剪切變形不超過75%的變形稱為橡膠小變形，其泊松比μ、彈性模量E、剪切模量G和材料系數(shù)的關系為

(3)

由于橡膠材料形狀的可變性，泊松比μ=0.5時，G和E與C10和C01的關系為[10]

(4)

根據(jù)式(4)可以求出膠筒彈性模量(硬度)與模型常數(shù)之間的關系，進而對不同硬度的膠筒進行模擬分析。

2.2 網格劃分及邊界條件

在進行網格劃分時，膠筒由于會發(fā)生非線性的大變形，所以其網格類型設置為CAX4RH，其余零件的設置無需更改。模型網格設置如圖4所示。

圖4 模型網格劃分

模型的邊界條件的設置由實際工作狀態(tài)的邊界條件來設置，如圖5所示。底座的邊界設置為完全固定；管道的外徑邊界設置為完全固定；推環(huán)的上邊界設置為只沿y軸平動；其余均設置為自由邊界條件。

圖5 模型邊界條件設置

2.3 自密封性能分析

為了驗證自密封性能，選取如表1的模型參數(shù)進行分析，膠筒的硬度選取70 HS。在600 kN軸向擠壓力作用下膠筒變形如圖6所示。

圖6 擠壓力為600 kN時的模擬結果

在不同軸向擠壓力作用下的膠筒變形及與管壁形成的接觸應力，對其進行了自密封分析，如圖7所示。

從圖7可以看出，當膠筒與管壁的接觸壓力處于交點M點以下時，由管內壓差所提供的軸向力始終小于擠壓膠筒所需的軸向力，在此階段膠筒不能形成自密封；隨著擠壓軸向力逐漸增大，膠筒與管壁之間的接觸壓力也逐漸增大，當接觸壓力增大到交點M點以上后，由管內壓差所提供的軸向力將始終大于擠壓膠筒所需的軸向力，換言之，此時由管內壓差所提供的軸向力完全可以使膠筒形成可靠密封而不產生泄露，即膠筒可以形成自密封。

圖7 管內壓差提供的軸向力與擠壓膠筒所需軸向力的對比曲線

M點處，膠筒與管壁之間的接觸壓力為pk=2.02 MPa，所需的軸向擠壓力為FZ=340 kN。即液壓缸只需提供340 kN的軸向力擠壓膠筒，使之膨脹與管壁形成2.02 MPa的接觸壓力后，膠筒就可以形成自密封。

3 膠筒硬度對自密封性能的影響

在實際工程應用中，對于膠筒的選擇要考慮很多因素，例如最大密封壓力、所需軸向擠壓力、抗剪切強度等；膠筒的自密封性能也是膠筒設計中的關鍵性能參數(shù)。膠筒的硬度會對膠筒的自密封性能產生影響，硬度不同自密封能力也不同，因此需要研究膠筒的硬度對其自密封性能的影響，探究膠筒的硬度最優(yōu)值，為膠筒的設計及工程應用提供指導。

膠筒硬度選擇50～80 HS，分別計算不同硬度下膠筒與管壁之間的接觸應力與所受軸向擠壓力之間的關系，進而分析膠筒硬度對其自密封性能的影響。不同硬度下膠筒的自密封性能的影響曲線如圖8所示。

由圖8可以看出，隨著膠筒硬度不斷增大，各條曲線的斜率幾乎相等，而曲線的截距不同。膠筒的硬度越大，截距越大；各條曲線與壓差提供的軸向力曲線的交點的值也就越大。說明隨著膠筒硬度的增加，需要提供更大的軸向壓縮力使膠筒形成自密封。這一特性也可以通過膠筒密封的理論力學分析來解釋。

圖8 不同膠筒硬度對自密封性能的影響曲線

由理論推導的壓縮式密封膠筒的力學性能分析式為[11]

由式(5)可以得出，曲線的截距與膠筒的彈性模量成正比，即應該與膠筒的硬度成正比。圖9為產生2 MPa接觸應力時不同硬度膠筒所需的軸向壓縮力。

圖9 產生2 MPa接觸應力時不同硬度膠筒所需的軸向壓縮力

從圖9中可以看出，當膠筒與管壁形成2 MPa的接觸應力時，所需軸向壓縮力的變化與膠筒的硬度不是正比關系，而是近似二次曲線關系。產生這種現(xiàn)象的原因是由于在膠筒的壓縮變形過程中會與底座及管壁產生摩擦力，此摩擦力很難精準預測及計算，而且隨著膠筒硬度的增大，產生的摩擦力也越大；在形成相同的接觸應力的情況下，所需要的軸向壓縮力也就越大。

4 結論

1) 膠筒的自密封特性是膠筒研究的關鍵問題之一。管內封堵器的膠筒在密封過程中可利用其自密封特性，只需提供一定的軸向擠壓力，使膠筒與管壁形成足夠的接觸應力，在密封壓差的作用下膠筒可以完成封堵而無需再繼續(xù)施加軸向力。

2) 膠筒的硬度對膠筒的自密封特性存在一定的影響，無論從理論分析還是從模擬分析中都可以得出，隨著膠筒硬度的增加，完成一定密封時所需的軸向壓縮力也越大，而且膠筒越硬，其形成自密封所需要達到的初始接觸應力越大。從這一角度來看，選擇的膠筒硬度越軟越好，但在實際工程應用中對于膠筒的選擇還需要結合其他參數(shù)指標來綜合評定。

3) 本文的研究結果不但對管內封堵器膠筒的參數(shù)設計提供了理論基礎，而且對該技術的應用具有一定的指導作用。

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