C形環(huán)在超高壓大直徑容器密封上的適應(yīng)性研究*

(1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 四川成都 610500;2.石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川成都 610500;3.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 陜西寶雞721002)

隨著能源需求的不斷增加，產(chǎn)業(yè)向深海拓展是未來(lái)石化發(fā)展的必然趨勢(shì)；另外在研的11 000 m級(jí)載人潛水器“彩虹魚(yú)”擬于2019年挑戰(zhàn)馬里亞納海溝，這些工作在超高壓工況環(huán)境下的大直徑容器對(duì)密封性能提出更高的要求。因此，針對(duì)大直徑容器要求和超高壓工況環(huán)境下密封組件的研究有著重大實(shí)踐意義。目前成熟的超高壓密封方式很難滿(mǎn)足直徑超過(guò)2 m的大直徑壓力容器密封需求，為解決大直徑密封難題，本文作者借鑒已成功運(yùn)用在直徑4 m的反應(yīng)堆壓力容器中的內(nèi)置彈簧金屬C形密封環(huán)，來(lái)探討C形環(huán)在超高壓大直徑容器密封上的應(yīng)用。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)C形密封環(huán)進(jìn)行一些研究，SASSOULAS等[1]使用二維軸對(duì)稱(chēng)模型較系統(tǒng)地研究了C形密封環(huán)的密封性能；李文靜等[2]建立了C形密封環(huán)三維彈塑性有限元分析模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該理論模型的可靠性，并分析彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)C形密封環(huán)力學(xué)行為和密封性能的影響；賈曉紅等[3]建立了C形密封環(huán)的三維有限元模型，分析了接觸區(qū)域和接觸壓力的變化規(guī)律；LIU等[4]討論了C形密封環(huán)的可重復(fù)使用性，通過(guò)二維非線性有限元分析，從理論上驗(yàn)證了密封環(huán)重復(fù)使用的可能性；LIN等[5]采用三維模型分析了反應(yīng)堆壓力容器在不同溫度下的瞬態(tài)接觸密封分析；勵(lì)行根等[6]介紹反應(yīng)堆壓力容器用C形密封環(huán)的主要制造工藝和技術(shù)關(guān)鍵。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)C形密封環(huán)的研究相對(duì)偏少，且主要是針對(duì)C形密封環(huán)在壓縮工況下的力學(xué)性能和密封特性研究，外壓影響密封特性的研究較少，且尚無(wú)在超高壓環(huán)境中的研究和使用。因此本文作者針對(duì)超高壓大直徑壓力容器建立C形密封環(huán)二維軸對(duì)稱(chēng)模型，利用Abaqus進(jìn)行有限元分析，對(duì)金屬C形環(huán)的彈塑性接觸變形進(jìn)行了研究，為超高壓環(huán)境下密封環(huán)的使用提供了理論參考。

1 C形密封環(huán)模型的建立

以外徑D=318 mm的C形密封環(huán)為算例進(jìn)行分析[7]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，各材料基本屬性[8]如表1所示。建模分析選定的組合密封環(huán)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

圖1 C形密封環(huán)截面結(jié)構(gòu)圖

材料屈服強(qiáng)度σs/MPa抗拉強(qiáng)度σb/MPa彈性模量E/GPa塑性段斜率E′/GPa泊松比Inconel-X7501 2231 4271855.250.3Inconel-6002506851152.010.3

表2 C形密封環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)

C形密封環(huán)沿周向?qū)ΨQ(chēng)，建立密封環(huán)和上下筒體的二維軸對(duì)稱(chēng)模型。常見(jiàn)的C形密封環(huán)截面由內(nèi)到外分別為螺旋彈簧、內(nèi)層金屬包覆層和外層包覆層3部分。外層包覆層通常選用質(zhì)地較軟的銀層(厚度0.3 mm)，其良好的延展性可以彌補(bǔ)接觸密封面的缺陷，但高壓會(huì)使銀層發(fā)生毀壞，高壓下應(yīng)去除銀層，保留螺旋彈簧和內(nèi)層金屬包覆層。文中對(duì)比分析了有銀層和無(wú)銀層C形密封圈的壓縮回彈特性，以驗(yàn)證銀層對(duì)密封環(huán)壓縮特性的影響，并驗(yàn)證模型的正確性[9]。

有限元模型中上下筒體設(shè)為解析剛體，考慮到C形環(huán)變形時(shí)材料發(fā)生塑性流動(dòng)和塑性硬化，采用雙線性等強(qiáng)度強(qiáng)化材料模型模擬材料的彈塑性。在壓縮加壓過(guò)程中，C形環(huán)和彈簧以及C形環(huán)與密封面之間接觸會(huì)產(chǎn)生摩擦，因此在各接觸表面建立摩擦接觸對(duì)。在流體介質(zhì)為水的情況下，金屬摩擦副的摩擦因數(shù)通常在0.1～0.3之間，文中分析時(shí)摩擦因數(shù)選擇為0.15[10]。密封環(huán)在工作中因壓縮和超高壓會(huì)使網(wǎng)格嚴(yán)重扭曲，因此模型采用減縮積分單元CAX4R網(wǎng)格。

圖2所示為密封件的壓縮回彈加載過(guò)程和壓縮加壓的密封過(guò)程。

圖2 C形密封環(huán)不同加載情況

如圖2(b)所示，密封過(guò)程分為壓縮和加壓這2個(gè)階段：加載時(shí)，上剛性面整體向下壓縮，該過(guò)程模擬密封圈的初始密封狀態(tài)；加壓時(shí)，將170 MPa壓力逐漸加載至C形密封環(huán)，該過(guò)程模擬C形密封環(huán)受到超高水壓的密封狀態(tài)。

2 有限元結(jié)果及分析

2.1 有限元模型驗(yàn)證

壓縮回彈特性是衡量C形環(huán)力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，也是驗(yàn)證模型正確性的重要方法。對(duì)無(wú)銀層和有銀層C形密封環(huán)分別施加1.05和1.10 mm的壓縮量，以保證兩者在壓縮階段有相同的壓縮率[7]，并選取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[2]進(jìn)行壓縮回彈特性對(duì)比。處理有限元仿真結(jié)果，可以得到如圖3所示的C 形密封環(huán)的壓縮回彈曲線。

圖3 有銀層和無(wú)銀層C形密封環(huán)壓縮回彈結(jié)果比較

由圖3可知：有銀層和無(wú)銀層的2條模擬曲線變化規(guī)律基本一致，這表明銀層對(duì)C形密封環(huán)的壓縮特性沒(méi)有實(shí)質(zhì)性影響。對(duì)比模擬曲線和實(shí)驗(yàn)曲線可知：仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)具有一致性，驗(yàn)證了理論模型的正確性，因此有限元模型可以進(jìn)行簡(jiǎn)化。

2.2 定常動(dòng)態(tài)分析

C形密封環(huán)依靠與筒體的變形實(shí)現(xiàn)密封，所以研究密封組件的接觸應(yīng)力分布是密封分析中的重要一環(huán)。為研究萬(wàn)米深海高壓艙的超高壓密封問(wèn)題，選取壓力170 MPa為定常壓力參數(shù)，并以壓縮回彈分析中1.05 mm的壓縮量為定常壓縮參數(shù)，研究在各階段的動(dòng)態(tài)密封情況。

由圖4可以看出：壓縮階段時(shí)，接觸應(yīng)力先上升而后緩慢下降，壓縮量過(guò)小則接觸應(yīng)力較小，無(wú)法滿(mǎn)足進(jìn)入加壓階段時(shí)的密封要求，壓縮量較大時(shí)，接觸應(yīng)力減小；在加壓階段，接觸應(yīng)力先下降后上升，這是因?yàn)殡S著壓力的增加，壓力在使密封環(huán)起自緊作用的同時(shí)，有一部分壓力充當(dāng)了開(kāi)啟力，當(dāng)工作壓力增加到一定的值時(shí)，接觸壓力達(dá)到最小值，密封環(huán)發(fā)生了徑向移動(dòng)，同時(shí)密封環(huán)的接觸應(yīng)力均遠(yuǎn)大于密封所需的基準(zhǔn)值，可以保證良好的密封性能。由此可以看出壓縮量和外壓值在很大程度上能影響密封環(huán)的密封性能。

圖4 壓縮階段和加壓階段接觸應(yīng)力

2.3 壓縮量對(duì)密封性能的影響

壓縮量對(duì)于密封環(huán)能否實(shí)現(xiàn)密封有重要的影響，若初始?jí)嚎s量過(guò)小，密封環(huán)不足以填塞密封面的變形和表面粗糙度，在微觀上就會(huì)形成界面泄漏的微小通道，壓縮量過(guò)大，大到一定的程度密封環(huán)會(huì)發(fā)生塌陷，失去回彈性能，引起密封失效[11-12]。

圖5示出了不同壓縮量下C形密封環(huán)最大Mises應(yīng)力分布。可以看出：包覆層的最大Mises應(yīng)力先減小，在壓縮量為0.65 mm時(shí)，應(yīng)力達(dá)到最小值，而后隨著壓縮量增大，應(yīng)力隨之增加；彈簧層最大Mises應(yīng)力隨壓縮量增加呈線性增加，在壓縮量小于0.85 mm時(shí)最大Mises應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度，可保證密封件的安全性。

圖5 不同壓縮量下最大Mises應(yīng)力分布

圖6示出了不同壓縮量下最大塑性應(yīng)變分布。隨著壓縮量增大，包覆層和彈簧層最大等效塑性應(yīng)變緩慢增加，壓縮量為0.85 mm時(shí)，應(yīng)變曲線斜率增大，因此壓縮量過(guò)大會(huì)加速材料塑性硬化。比較包覆層和彈簧層在同一壓縮量下的應(yīng)變值，可以看出，密封過(guò)程中包覆層產(chǎn)生的塑性變形量較大，較彈簧層更易發(fā)生破壞。

圖6 不同壓縮量下最大塑性應(yīng)變分布

加壓完成后選取圖7中C形環(huán)路徑并提取接觸應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，得到密封環(huán)的接觸應(yīng)力分布圖。可知：接觸寬度隨壓縮量的增長(zhǎng)而增加，并分布均勻；接觸應(yīng)力分布在450～780 MPa范圍內(nèi)，遠(yuǎn)大于工作壓力(170 MPa)具有優(yōu)良的密封性能。

圖7 不同壓縮量下接觸應(yīng)力分布曲線

綜上，壓縮量過(guò)低，包覆層與剛體接觸面積較小，施加外壓后會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中從而導(dǎo)致包覆層損壞；壓縮量過(guò)高，彈簧層受到的軸向載荷過(guò)大，等效應(yīng)力過(guò)高會(huì)引起失效；包覆層塑性變形較大，更易損壞；不同壓縮量下接觸應(yīng)力遠(yuǎn)大于工作壓力，C形密封環(huán)具有良好的密封性能。

2.4 外壓對(duì)密封性能的影響

取壓縮量為1.05 mm，分析外壓在90～190 MPa范圍內(nèi)變化時(shí)C形密封環(huán)的密封性能變化情況。

圖8給出了包覆層和彈簧層在不同外壓作用下的最大Mises應(yīng)力曲線。可以看出：包覆層等效應(yīng)力曲線變化平緩，基本不隨外壓變化而變化，其最大Mises應(yīng)力穩(wěn)定在680 MPa，接近極限強(qiáng)度；彈簧層等效應(yīng)力曲線隨外壓增加呈線性增長(zhǎng)，皆小于極限強(qiáng)度，若外壓持續(xù)增加彈簧層的最大等效應(yīng)力將隨之增加，會(huì)造成彈簧層損壞。

圖8 不同外壓下包覆層與彈簧層最大Mises應(yīng)力

選取如圖7所示路徑并提取數(shù)據(jù)，得到如圖9所示的不同外壓作用下密封環(huán)的接觸應(yīng)力分布。可知：接觸寬度穩(wěn)定在1.75～2.15 mm之間且分布均勻；最大接觸應(yīng)力在330～620 MPa范圍內(nèi)，遠(yuǎn)大于工作壓力；外壓增大，接觸應(yīng)力也隨之增加，可以滿(mǎn)足超高壓密封要求；由于外壓的推動(dòng)作用，最大接觸應(yīng)力點(diǎn)分布在中間位置偏右側(cè)。

圖9 不同外壓下C形環(huán)接觸應(yīng)力分布

綜上，外壓對(duì)密封環(huán)的安全性能有一定的影響，過(guò)高外壓會(huì)使材料損壞從而導(dǎo)致密封失效，但可以提高最大接觸應(yīng)力值以滿(mǎn)足嚴(yán)苛的密封要求。

3 結(jié)論

(1)利用有限元軟件Abaqus建立C形密封環(huán)的二維軸對(duì)稱(chēng)模型并進(jìn)行仿真。結(jié)果表明：銀層和無(wú)銀層密封環(huán)模型的壓縮回彈特性結(jié)果吻合，表明銀層對(duì)C形密封環(huán)的壓縮特性影響較小；模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相近，驗(yàn)證了無(wú)銀層的C形密封環(huán)模型準(zhǔn)確性。

(2)對(duì)密封環(huán)在定常條件下接觸特性分析表明，在加壓階段，由于密封環(huán)發(fā)生了徑向移動(dòng)，一部分壓力充當(dāng)開(kāi)啟力，接觸應(yīng)力先減小后增加；在170 MPa超高壓環(huán)境下接觸應(yīng)力遠(yuǎn)大于工作壓力，可以滿(mǎn)足超高壓密封要求。

(3)外壓為定值、壓縮量增加時(shí)，壓縮量過(guò)低，包覆層與剛體接觸面積較小，施加外壓后會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中從而導(dǎo)致包覆層損壞；壓縮量過(guò)高，彈簧層受到軸向載荷過(guò)大，等效應(yīng)力過(guò)高會(huì)引起失效；包覆層塑性變形較大，更易損壞；不同壓縮量下接觸應(yīng)力遠(yuǎn)大于工作壓力，C形密封環(huán)具有良好的密封性能。

(4)壓縮量為定值、外壓值增大時(shí)，包覆層最大Mises應(yīng)力基本穩(wěn)定在接近極限強(qiáng)度值，而彈簧層最大Mises應(yīng)力隨外壓增大而增大；最大接觸應(yīng)力呈線性增加，可以保證良好的密封特性。