螺栓法兰式接头的密封性能

钢带缠绕增强复合管的接头与接头之间的连接方式包括焊接式和法兰连接式［1］。焊接式接头属于整体式对焊接头，其结构形式如图8.1所示。该接头整体呈对称式结构，其两端为包含有锯齿环的内外套筒，进行连接操作时将需要连接的管道端部分别挤进套筒腔并扣紧。这种管道连接方式省去了接头与接头之间的连接步骤，具有加工工艺简单、连接性能可靠的优点。由于接头属于整个管网系统最薄弱的位置，采用对焊接头的管网安全性更高，不易出现如泄漏、螺栓失效等问题，因此这种接头主要用于管网中管道与管道之间的连接［2］。但是这种接头的最大缺点是当管道端部挤入接头套筒腔后，接头内套筒即被封闭在管道内，只能在施工现场径向挤压外套筒来紧固接头，通过扣紧外套筒而将管壁与接头连接起来。这种现场操作方式对施工条件、操作人员技能和施工设备的要求较高，因此隐性成本也较高。另一种连接方式即为传统的螺栓法兰式连接，如图8.2所示。由于法兰件为标准件且在各类海工设备中广泛应用，因此法兰连接方式能方便地应用于管道终端与设备之间的连接［3］。这种连接方式的优点是操作简单，接头内外套筒可采取外压内扣的方式贴紧管壁而形成更牢固连接，从而有效阻断了沿套筒腔可能存在的泄漏路径［4］。螺栓法兰式接头在进行连接操作时需要在法兰之间的凹槽内垫入金属密封圈，密封圈与法兰锥面之间的初始接触为点接触，如图8.3所示［5］。通过对螺栓施加预紧力使金属密封圈和法兰锥面产生一定塑性变形，以填补凹槽内的间隙形成面接触，使密封圈与凹槽能更紧密贴合，从而起到密封作用［6］。理论而言，只要按规范选用合适的密封圈并在操作过程中对螺栓施加足够的预紧力即可保证密封的可靠性。但是随着时间的推移，螺栓连接处会产生松弛，或者由于受到外部环境的腐蚀而使螺栓预紧力降低，发生塑性变形的密封圈不能完全填充凹槽对接界面之间的间隙，从而使密封失效发生泄漏［7-8］。

图8.1　对焊式接头（用于管网中管道与管道连接）

图8.2　螺栓法兰式接头（用于管道终端与设备连接）(www.xing528.com)

图8.3　预紧前法兰与密封圈接触面微观形貌

本章以某海洋工程有限公司承担的委内瑞拉马拉开波湖底石油管道项目为例，针对螺栓法兰式接头可能存在的泄漏问题，拟通过有限元方法对密封圈的密封性能进行校核。通过分析密封圈接触面上接触压力的分布云图确定密封不足的区域，从而对密封圈结构进行改进，分析结果显示改进后的密封圈密封效果明显提升。同时通过有限元法测试了接头在内压和外压下的密封性能，确定了接头密封性能的力学判定准则，得到的结论对接头设计和工程实践具有一定的指导意义。