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接頭密封一直是隔水管設(shè)計和分析的重點。接頭密封失效直接影響隔水管系統(tǒng)連接的可靠性，一旦失效，就會使鉆井作業(yè)停止，增加鉆井時間和成本，同時隔水管鉆井液泄漏還會污染海洋環(huán)境。隨著海洋石油開采不斷向超深水發(fā)展，隔水管長度的增加導(dǎo)致鉆井液壓力急劇增大，隔水管接頭密封設(shè)計與有限元分析越來越受到作業(yè)人員的重視。
國外對隔水管接頭節(jié)流壓井管線密封及失效形式展開了研究，提出了隔水管接頭密封失效的修復(fù)方案，陳國定等進行了密封圈的有限元分析。雖然在其他領(lǐng)域針對密封有限元分析有較多的研究，但專門針對隔水管接頭的密封有限元分析卻極少。筆者以隔水管接頭主管和輔助管線密封圈為研究對象，進行隔水管接頭的密封有限元分析，研究隔水管接頭的密封性能，探討工作壓力對接頭密封的影響。隔水管接頭主管Y形密封圈和輔助管線雙彈性體密封圈的內(nèi)圈均為橡膠材料，雙彈性體密封圈的外圈一般為比橡膠稍硬的高分子聚合物。橡膠材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系極為復(fù)雜，非線性特征明顯。Abaqus超彈性本構(gòu)模型，Mooneylivlin模型適合于模擬中小應(yīng)變的橡膠材料力學(xué)行為。在該模型中，通過附加體積約束能量項，得到修正應(yīng)變能函數(shù)，利用該修正的函數(shù)將原來的體積約束變分問題轉(zhuǎn)化為無條件變分問題。
上、下法蘭之間嵌有密封襯套，在襯套和法蘭之間設(shè)置密封圈防止鉆井液泄漏。通常在密封襯套的上、下端各設(shè)置2對密封，并將密封圈的開口側(cè)朝向需要承受鉆井液壓力的一側(cè)。密封襯套的外部末端直徑較小，中心直徑較大，因此裝配很方便，相對于法蘭體容易更換，將容易損壞的結(jié)構(gòu)如密封圈溝槽設(shè)置在襯套上，當(dāng)密封溝槽損壞時只需更換襯套。
Y形密封圈是隔水管接頭主管常用的一種密封圈形式。Y形密封圈依靠其張開的唇邊貼于密封副藕合面。無內(nèi)壓時，僅僅因唇尖的變形而產(chǎn)生很小的接觸應(yīng)力。在密封的情況下，與密封介質(zhì)接觸的每一點上均有與介質(zhì)壓力相等的法向壓力，接觸應(yīng)力增加。當(dāng)內(nèi)壓再升高時，接觸應(yīng)力的分布形式和大小進一步改變，唇部與密封面配合更緊密，所以密封性更好，這就是Y形圈的自封作用。
節(jié)流和壓井管線采用雙彈性體密封圈來實現(xiàn)密封，是U形密封圈內(nèi)嵌入1個。形圈而形成的特殊的密封圈。這種密封圈使用彈性模量大、摩擦因數(shù)小的高分子聚合物作為密封圈外圈材料，在外圈中間嵌入橡膠材質(zhì)的U形密封圈，靠U形圈被擠壓的彈性勢能來保持密封所需要的接觸應(yīng)力。在內(nèi)壓的作用下，U形圈產(chǎn)生較大的壓縮變形，提供給外密封圈足夠的密封接觸應(yīng)力，并對外密封圈的磨損起補償作用。
由于載荷和結(jié)構(gòu)的對稱性，密封圈問題屬于軸對稱問題，所以可以把對密封圈的研究由三維問題變成二維問題。建立計算模型時，選取密封襯套、法蘭體和密封圈進行研究。建模過程中，由于密封襯套和法蘭體的剛度是橡膠的幾萬倍，所以不考慮其變形，作為剛體考慮。為了進一步簡化模型，剛體均用線代表平面。建模過程中省略了部分密封襯套和法蘭材料，這并不影響計算分析，因為密封圈的失效主要發(fā)生在接觸面上。對于靜密封，當(dāng)工作壓力超過32 MPa時，應(yīng)考慮在低壓側(cè)設(shè)置密封擋圈。
分析中橡膠材質(zhì)采用近似不可壓縮彈性材料的Mooneylirlin模型，和材料的應(yīng)變能偏量部分有關(guān)的2個材料常數(shù)C1和C，分別為1.514和0.473，Y形圈密封模型包含3類接觸：密封圈和法蘭內(nèi)表面之間的接觸；密封圈和密封溝槽的側(cè)面之間的接觸；密封圈和密封溝槽底部的接觸。輔助管線密封模型包含4類接觸：密封圈外圈和法蘭內(nèi)表面之間的接觸，密封圈外圈和密封溝槽側(cè)面之間的接觸，密封圈外圈和內(nèi)圈之間的接觸。在有限元模型中，為了得到較好的網(wǎng)格，對密封圈進行了剖分，單元全部采用四節(jié)點四邊形單元，而密封襯套和法蘭則不劃分網(wǎng)格。
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