基于金屬密封原理的管道螺紋密封性能研究

崔慧勇

[摘? ? 要]隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各行各業(yè)對于金屬管道密封的需求大大增加，與管道密封有關(guān)的一系列工藝已經(jīng)成為了很多研究人員重點(diǎn)研究突破的技術(shù)方向。而開采行業(yè)、運(yùn)輸行業(yè)所使用的管件的密封性決定著其行業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展，如石油產(chǎn)業(yè)的運(yùn)輸開采所使用的石油套管對管件的密封性就有著嚴(yán)格的要求。一般而言，管件密封的性能取決于管件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，而螺紋參數(shù)的加工誤差會改變金屬密封表面的接觸狀態(tài)從而影響密封性能。文章從實(shí)際使用出發(fā)，選擇了錐面/錐面、柱面/球面這兩種密封結(jié)構(gòu)的特殊螺紋接頭為對象進(jìn)行研究，通過模擬分析，最終得出對管道螺紋密封性的具體影響因素。

[關(guān)鍵詞]金屬密封;螺紋參數(shù);密封性能

[中圖分類號]TE931.2 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）05–00–03

Research on Sealing Performance of Pipeline Thread Based on Metal Sealing Principle

Cui Hui-yong

[Abstract]With the development of national society， the demand for metal pipe sealing in all walks of life has increased greatly， and a series of technology related to pipe sealing has become the key research direction of many researchers. Whether it is mining industry or transportation industry， the tightness of pipe fittings used determines the production development of the industry. For example， the oil casing used in the transportation and exploitation of the oil industry has strict requirements on the tightness of pipe fittings. Generally speaking， the sealing performance of pipe fittings depends on the structural parameters of pipe fittings， and the processing error of thread parameters will change the contact state of metal sealing surface， thus affecting the sealing performance. In this paper， from the actual use， choose the cone / cone， cylindrical / spherical sealing structure of these two special thread joint as the research object， through simulation analysis， finally get the specific influence factors of pipeline thread sealing.

[Keywords]metal seal; thread parameters; sealing performance

近些年來對在石油開采等行業(yè)當(dāng)中使用的金屬密封產(chǎn)品，即石油套管的密封性的研究已經(jīng)成為了眾多專家學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的研究方向。金屬管件的密封性能主要體現(xiàn)在接頭上，雖然我國很多企業(yè)已經(jīng)設(shè)計出了很多特殊螺紋接頭，但是，這些接頭在使用過程中還存在不少問題。所以，基于上述這些問題，本文對金屬密封技術(shù)及其在特殊螺紋套管接頭設(shè)計中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 金屬密封原理

金屬密封的基本原理：管件接口處在受到外力的作用下，內(nèi)螺紋與外螺紋相互擠壓拉伸，兩者會更加壓緊，內(nèi)外螺紋會產(chǎn)生形變，將原本微觀上凹凸不平的密封面拉扯填滿，進(jìn)而達(dá)到管件密封的目的。

對于金屬密封而言，其密封的微觀過程如圖1所示。

如圖1（a）所示的是金屬密封過程中的初始接觸階段的金屬微觀表面。從圖中可以看到，此時的金屬表面由于沒有出現(xiàn)半徑的過盈量，所以在其內(nèi)外螺紋表面存在著極多的凹凸點(diǎn)，且凹凸點(diǎn)未發(fā)生變形，不同的凹凸點(diǎn)之間存在著較大的空隙，整體的密封性能并不好。

圖1（b）所示的是金屬密封過程中的接頭與尾部進(jìn)一步接觸擠壓階段的金屬微觀表面。從圖中可以看到，在此時的金屬表面，隨著兩者接觸程度的不斷加深，內(nèi)外螺紋之間已經(jīng)開始出現(xiàn)過盈的情況，各材質(zhì)表面的凹凸體已經(jīng)出現(xiàn)了接觸、拉伸、延展的情況，不同的凹凸體出現(xiàn)了嵌入的情況。接觸部分的表面開始貼合在一起，內(nèi)外螺紋之間的縫隙進(jìn)一步減小，密封程度得到了較大的提升。

圖1（c）所示的是金屬密封過程中的接頭與尾部更加深入接觸擠壓階段的金屬微觀表面。從圖中可以看出，隨著二者接觸面積與接觸壓力的加大，各接觸表面間的凹凸體已經(jīng)出現(xiàn)了擠壓、拉伸和形變，原本凹凸不平的平面也相互貼合在一起，整體的密封效果有了很大的提升。

2 金屬密封的影響因素

2.1 密封面的表面質(zhì)量

在金屬密封的過程之中，為了獲得較好的密封性能，需要盡可能地減少密封面之間的縫隙大小，盡可能擴(kuò)大各凹凸體的拉伸程度，從而使得內(nèi)外螺紋之間可能出現(xiàn)泄漏情況的通道面積減少。

一般來說，金屬管件的密封性能也會受到其表面凹凸路徑形式的影響，如果其表面的凹凸通道為環(huán)形凹槽時，其中的液體會更加容易泄漏;如果其表面的凹凸通道為交叉式通道時，其中的液體就會難以泄漏。而金屬密封面的表面質(zhì)量的微觀表現(xiàn)在其表面的凹凸點(diǎn)的多少以及凹凸點(diǎn)的具體情況，會直接影響到在充分接觸后會形成的凹凸縫隙的形式。所以，金屬密封面的表面質(zhì)量會對管件整體的效果產(chǎn)生影響。

2.2 密封面的表面粗糙度

在金屬密封過程中，金屬密封面的粗糙度對于密封效果也有著影響。如果金屬接觸面粗糙度較大，此時密封面的各個凹凸點(diǎn)所產(chǎn)生的形變并不能填滿接觸面之間的縫隙，還存在著較多的縫隙，還會出現(xiàn)液體泄漏的情況。但是，如果金屬密封面的表面粗糙度并不大時，密封接觸面上的凹凸點(diǎn)就會比較容易出現(xiàn)形變，在一定情況下甚至?xí)霈F(xiàn)永久變形，此時會將表面缺陷填平，使得可能出現(xiàn)的泄漏通道都被堵塞。因此金屬密封面的表面粗糙度對密封性能有著較大的影響。

2.3 密封面的表面接觸壓力

在金屬密封過程中，密封面間的表面接觸壓力對于金屬的密封性也會造成極大的影響。據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)接觸壓力過小時，由于接觸壓力不夠，表面的凹凸點(diǎn)并不會發(fā)生形變，縫隙依舊存在，此時液體極其容易發(fā)生泄漏;而當(dāng)接觸壓力過大時，金屬密封管件本身的性能也會受到影響與破壞，從而更容易出現(xiàn)泄漏，且泄漏程度也更大。

3 管道螺紋密封性能分析與靜水壓測試

3.1 有限元模型建立

在建立模型時，選取的有限元軟件是ANSYS15，選取的實(shí)際螺紋接頭模型的各項(xiàng)數(shù)據(jù)為：外徑243.48 mm、厚度為10.9 mm、彈性模量為202 GPa、屈服強(qiáng)度為760 MPa。其模型如圖2所示。

而在管道接頭模型當(dāng)中，采用的分別為錐面/錐面、柱面/球面這兩種密封面結(jié)構(gòu)，如圖2（a）、（b）所示。

3.2 不同工況下螺紋參數(shù)對密封性能的影響

首先應(yīng)當(dāng)清楚螺紋的表面結(jié)構(gòu)，其使用的通常都是C-R過盈方式來實(shí)現(xiàn)最終的密封的。從圖2中可以看出，管體的螺紋牙頂與接頭螺紋牙根、罐體導(dǎo)向面間具有間隙;管體螺紋牙根與接頭螺紋牙頂徑向過盈接觸。其中的過盈量的大小受到了整體錐度偏差和中徑偏差的影響。接下來，將從螺距偏差、錐度偏差、中徑偏差三個方面來分析介紹螺紋參數(shù)對金屬管件密封性能的影響。

3.2.1 螺距偏差

螺距偏差對于管件的密封性能有著極大的影響。因?yàn)槁菥啾旧砭褪呛饬柯菁y精度的一個重要參數(shù)，因此螺距偏差的大小對于螺紋加工工藝來說是十分重要的。它的值越小，就說明了該管件的密封性能越好。對其在一定有效長度內(nèi)的積累誤差進(jìn)行了分析，在有效的螺紋長度內(nèi)以累積偏差0.03 mm為增量作為研究基礎(chǔ)，進(jìn)行有限元分析。

如圖3、圖4所示為本次的有限元分析結(jié)果，從中可以看出，螺距偏差對于錐面/錐面密封結(jié)構(gòu)的影響較大，圖中的密封結(jié)構(gòu)在上扣工況下的臺肩接觸壓力會隨著螺距偏差的增大而減小，其下降趨勢較為明顯;在上扣+拉伸工況下可以看出該密封結(jié)構(gòu)的接觸壓力也會隨著螺距偏差的增大而減小。

3.2.2 錐度偏差

在金屬密封的過程之中，錐度偏差有可能改變主密封面與臺肩結(jié)構(gòu)接觸面間的過盈量，也有可能改變其接觸長度，故錐度偏差對主密封面與臺肩結(jié)構(gòu)接觸狀態(tài)的影響比較復(fù)雜。對其利用有限元分析，其結(jié)果如圖5、圖6所示。

從圖5和圖6分析結(jié)果可以看出，錐面/錐面密封結(jié)構(gòu)接頭的臺肩接觸狀態(tài)受錐度偏差影響較大：在上扣工況下，當(dāng)外螺紋錐度大于內(nèi)螺紋時，二者的接觸壓力隨著偏差的增加逐漸下降;在上扣+拉伸工況下，臺肩的接觸壓力隨著偏差的增加而逐漸升高。對于柱面/球面密封結(jié)構(gòu)的接頭，其臺肩的接觸壓力都隨著錐度偏差增加而明顯降低。

3.2.3 中徑偏差

對于金屬密封而言，中徑偏差對螺紋的密封性能的影響也比較大，究其原因就在于，當(dāng)中徑配合不同時，會使得螺紋的徑向過盈量發(fā)生變化，這種變化會直接作用到螺紋部分的徑向應(yīng)力狀態(tài)，使徑向應(yīng)力狀態(tài)也受到變化，從而使主密封面結(jié)構(gòu)受其影響，具體的有限元分析結(jié)果如圖7、8所示。

從圖7、圖8的分析結(jié)果可以看出錐面/錐面密封結(jié)構(gòu)接頭的臺肩接觸狀態(tài)受中徑偏差影響不大;而柱面/球面密封結(jié)構(gòu)的接頭在兩種工況下臺肩的接觸壓力都會隨著中徑偏差的增加而升高，整體的密封性能會受到影響。

4 結(jié)語

經(jīng)過本次研究，發(fā)現(xiàn)在螺紋結(jié)構(gòu)參數(shù)方面，兩種密封結(jié)構(gòu)特殊螺紋接頭的臺肩接觸壓力對螺距偏差、錐度偏差的大小較為敏感，密封面接觸壓力則受中徑偏差、錐度偏差的影響較大，所以錐度偏差對于密封性能的影響最為顯著。

參考文獻(xiàn)

[1] 樸龍華.我國特殊螺紋接頭油套管生產(chǎn)使用現(xiàn)狀及需要注意的幾個問題[J].鋼管.2006，35（4）：45-48.