設(shè)計一種適用于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)，具有一定的溫度補償能力，適應(yīng)U級溫度(-18～121℃)的工作環(huán)境。利用雙重密封之間的間隙，設(shè)計密封性能測試方案。建立密封件實際模型并對其進(jìn)行有限元分析，評估密封效果，驗證雙重密封的合理性和可行性，為樣機設(shè)計提供理論依據(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應(yīng)用前景。目前我國深水油氣的開發(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，鎖緊機構(gòu)的密封可靠性至關(guān)重要。

　　某深水連接器鎖緊機構(gòu)密封件的設(shè)計要求是，能對1500m水深、油氣壓力為34.5MPa的、直徑為304.8mm的管道進(jìn)行密封，同時適應(yīng)U級(-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中性，且轂座法蘭的軸向預(yù)緊力小，并具有一定的溫度補償能力。然而，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為對于在深水高壓、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償能力及如何設(shè)置密封性測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，對中性好，密封時接觸為狹窄環(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)計方案。

　　本文作者設(shè)計了應(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試的空間；最后，采用有限元方法建立了實體分析模型，并對其性能進(jìn)行了評估，驗證了雙重密封的合理性和可行性，為今后樣機設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1、深水連接器鎖緊機構(gòu)密封設(shè)計

　　1.1、連接器鎖緊機構(gòu)工作原理

　　如圖1所示，設(shè)計的鎖緊機構(gòu)由限位螺栓、驅(qū)動環(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構(gòu)上端下放至下轂座上方后，驅(qū)動環(huán)在液壓缸的驅(qū)動下向下運動，從而推動卡爪向內(nèi)收攏，進(jìn)而鎖緊上、下轂座壓緊密封件，實現(xiàn)管道的連接，之后安裝工具撤離。解鎖時，驅(qū)動環(huán)在液壓缸的拉力下向上運動，驅(qū)動環(huán)驅(qū)動卡爪向外張開，從而實現(xiàn)管道的解鎖。

圖1 鎖緊機構(gòu)剖視圖

　　1.2、透鏡式密封件結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　由于連接器鎖緊機構(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中性相當(dāng)高，所以密封件的工作環(huán)境為高溫高壓，且對中性要求很高。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，對于大直徑管道的密封，必須重新設(shè)計透鏡密封。

　　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。

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

5、結(jié)論

　　設(shè)計了一種適用于1500m水深，油氣壓力為34.5MPa的304.8mm管道的連接器鎖緊機構(gòu)的密封件，可適應(yīng)U級(-18～121℃)溫度的工作環(huán)境；同時，利用雙重密封之間的間隙，設(shè)計了密封性能的測試方案。該雙重密封具有良好的對中性，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償能力。對雙密封實際模型進(jìn)行了有限元分析，并對整體特性進(jìn)行了評估分析，驗證了雙重密封的合理性和可行性，為今后樣機設(shè)計提供了重要的理論依據(jù)。

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