設(shè)計(jì)一種適用于1500m水深，油氣壓力為34.5MPa的304.8mm管道的連接器鎖緊機(jī)構(gòu)的透鏡式密封件。該密封件由透鏡密封和O型圈密封雙重密封組成，具有良好的對(duì)中性，可降低轂座法蘭的預(yù)緊所需的軸向預(yù)緊力(減小轂座法蘭的尺寸)，具有一定的溫度補(bǔ)償能力，適應(yīng)U級(jí)溫度(-18～121℃)的工作環(huán)境。利用雙重密封之間的間隙，設(shè)計(jì)密封性能測(cè)試方案。建立密封件實(shí)際模型并對(duì)其進(jìn)行有限元分析，評(píng)估密封效果，驗(yàn)證雙重密封的合理性和可行性，為樣機(jī)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

　　深水連接器是連接海底油氣管線和跨接管的一種必須的水下連接設(shè)備，隨著我國(guó)的油氣開發(fā)走向海洋并逐步走向深海，水下管匯連接器將有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。目前我國(guó)深水油氣的開發(fā)技術(shù)剛剛起步，鎖緊技術(shù)還屬空白。作為連接器的關(guān)鍵部件，鎖緊機(jī)構(gòu)的密封可靠性至關(guān)重要。

　　某深水連接器鎖緊機(jī)構(gòu)密封件的設(shè)計(jì)要求是，能對(duì)1500m水深、油氣壓力為34.5MPa的、直徑為304.8mm的管道進(jìn)行密封，同時(shí)適應(yīng)U級(jí)(-18～121℃)溫度的工作環(huán)境。因此，該大直徑的密封件要求具有良好的對(duì)中性，且轂座法蘭的軸向預(yù)緊力小，并具有一定的溫度補(bǔ)償能力。然而，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認(rèn)為對(duì)于在深水高壓、腐蝕條件下安裝和服役的大直徑的密封件，如何保證良好的對(duì)中性，如何降低轂座法蘭的軸向預(yù)緊力(減小轂座法蘭的尺寸)，如何使密封件具備一定的溫度補(bǔ)償能力及如何設(shè)置密封性測(cè)試方案等都是亟待解決的技術(shù)難題。

　　透鏡密封的密封面為球面，對(duì)中性好，密封時(shí)接觸為狹窄環(huán)帶，需要的預(yù)緊力小，因而滿足深水大直徑密封件的對(duì)中性和減小轂座軸向預(yù)緊力的要求。然而透鏡式密封應(yīng)用還不成熟，直徑大于152mm的透鏡式密封還沒有成熟的設(shè)計(jì)方案。

　　本文作者設(shè)計(jì)了應(yīng)用于直徑304.8mm管道的透鏡式密封，確定了其尺寸參數(shù)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；另外，在其結(jié)構(gòu)上增設(shè)了O型圈非金屬密封作為二重密封，以具備溫度補(bǔ)償能力和保證密封的高可靠性；此外，巧妙地利用金屬密封和非金屬密封中間的間隙作為密封性能測(cè)試的空間；最后，采用有限元方法建立了實(shí)體分析模型，并對(duì)其性能進(jìn)行了評(píng)估，驗(yàn)證了雙重密封的合理性和可行性，為今后樣機(jī)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1、深水連接器鎖緊機(jī)構(gòu)密封設(shè)計(jì)

　　1.1、連接器鎖緊機(jī)構(gòu)工作原理

　　如圖1所示，設(shè)計(jì)的鎖緊機(jī)構(gòu)由限位螺栓、驅(qū)動(dòng)環(huán)、卡爪、上轂座和下轂座組成。鎖緊前，下轂座與管匯位于海底，當(dāng)連接器安裝工具攜帶著鎖緊機(jī)構(gòu)上端下放至下轂座上方后，驅(qū)動(dòng)環(huán)在液壓缸的驅(qū)動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)卡爪向內(nèi)收攏，進(jìn)而鎖緊上、下轂座壓緊密封件，實(shí)現(xiàn)管道的連接，之后安裝工具撤離。解鎖時(shí)，驅(qū)動(dòng)環(huán)在液壓缸的拉力下向上運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)環(huán)驅(qū)動(dòng)卡爪向外張開，從而實(shí)現(xiàn)管道的解鎖。

圖1 鎖緊機(jī)構(gòu)剖視圖

　　1.2、透鏡式密封件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　由于連接器鎖緊機(jī)構(gòu)在深水1500m和油氣壓力為34.5MPa條件下服役，且深水下安裝要求密封件的對(duì)中性相當(dāng)高，所以密封件的工作環(huán)境為高溫高壓，且對(duì)中性要求很高。高壓管道連接中，廣泛使用透鏡墊密封結(jié)構(gòu)。由于其接觸面是由球面和斜面自然形成，墊片易對(duì)中，其具有耐高溫高壓、密封性持久可靠、適應(yīng)載荷頻變等特性，符合設(shè)計(jì)要求。然而，目前透鏡密封只用于公稱通徑為3～200mm的高壓管道，對(duì)于大直徑管道的密封，必須重新設(shè)計(jì)透鏡密封。

　　透鏡墊的密封面均為球面，與轂座錐形密封面相接觸，初始狀態(tài)為一環(huán)線。在預(yù)緊力作用下，透鏡墊在接觸處產(chǎn)生變形，環(huán)線變成環(huán)帶，通過回彈力在接觸面形成接觸壓力，密封性能較好。透鏡密封的密封性能取決于接觸壓力、材料特性、表面摩擦因數(shù)及密封尺寸。

　　對(duì)于透鏡密封的設(shè)計(jì)，首先根據(jù)規(guī)范DIN2696中透鏡墊尺寸的設(shè)計(jì)方法，并根據(jù)304.8mm管道的基本參數(shù)，確定設(shè)計(jì)所需的初始參數(shù)；然后按照規(guī)范的設(shè)計(jì)方法計(jì)算出其他參數(shù)；最后通過有限元分析對(duì)其密封效果進(jìn)行驗(yàn)證。

5、結(jié)論

　　設(shè)計(jì)了一種適用于1500m水深，油氣壓力為34.5MPa的304.8mm管道的連接器鎖緊機(jī)構(gòu)的密封件，可適應(yīng)U級(jí)(-18～121℃)溫度的工作環(huán)境；同時(shí)，利用雙重密封之間的間隙，設(shè)計(jì)了密封性能的測(cè)試方案。該雙重密封具有良好的對(duì)中性，可降低轂座法蘭的預(yù)緊所需的軸向預(yù)緊力(減小轂座法蘭的尺寸)，并具備一定的溫度補(bǔ)償能力。對(duì)雙密封實(shí)際模型進(jìn)行了有限元分析，并對(duì)整體特性進(jìn)行了評(píng)估分析，驗(yàn)證了雙重密封的合理性和可行性，為今后樣機(jī)設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。

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