内压荷载下的密封性能分析

连接器在已预紧状态下需要对其密封性能进行分析，分析内容包括检测密封圈与凹槽接触面在施加内压荷载后接触压力的变化。主要步骤如下：

（1）在ABAQUS中建立管道接头模型，并在第一个分析步中以位移加载的方式对接头进行预紧，预紧位移为0.12 mm，并在此基础上施加边界条件和内压荷载。

（2）根据API RP 17D［17］规范要求进行内压测试，初始压力不大于规定试验压力的5%。本节算例中管道工作压力为15 MPa，安全系数为5，因此试验压力为75～80 MPa。密封测试中采用分级加压方式，首先加载至50 MPa，然后加载至测试压力75 MPa。在ABAQUS中设定压力加载步时长为1，初始步长为0.03，最小步长为0.01，最大步长为0.05，即初始压力2 MPa，每级压力增长不超过4 MPa，按此逐级增加至额定压力50 MPa。

（3）保压30 min，然后新建分析步并设置同样步长，逐级增压至75 MPa，最后保压30 min。

保压过程是通过在两级加压过程中增加一个空分析步，并将该分析步时长设置为3，但是在该分析步中不设置任何荷载、边界条件或约束条件。荷载具体加载过程如图8.19所示，接头系统的边界条件和加载的内压示意如图8.20所示。

图8.19　内压荷载下密封性能测试流程

图8.20　内压荷载加载示意图和边界条件

图8.21为内压密封测试过程中密封圈接触面上应力云图变化趋势。由图可见，密封圈上的接触压力会随着法兰位移的变化而显著改变，到位移加载末期，大部分区域的应力水平都会显著上升，整条密封带上应力云图分布均匀。第二分析步加载内压荷载后，开始阶段接触面上的应力会微小减弱，产生这种现象的原因是由于在内压荷载下的密封管段会产生端部效应（end cap effect），使管道产生轴向拉伸力，从而减轻作用在密封圈上的压应力。但随着内压荷载增加，接触压力的变化趋势变得不明显，说明加载的内压对密封性能的影响较不显著，此时密封圈内的应力水平高于其屈服强度，密封状态良好。(www.xing528.com)

图8.21　密封圈上接触应力云图变化趋势

相关文献［13］中提到，对于非粘结柔性管接头，压力对接头密封性的影响较为显著，可能会使密封圈与套筒的贴合面部分区域的接触压力下降［13］。由于该分析例中的管道内套筒、密封圈、外锥面为径向配合，如图8.22所示，当管内压力上升时，管体本身和密封圈会有一定程度的径向变形，从而导致密封圈与接头锥面之间的接触压力下降而使密封性能下降。而在本节分析例中，法兰接头与密封圈是通过轴向组合并预紧而起到密封作用，当管内受压时，管体本身、密封圈会同时发生径向变形，接触面之间的接触状态基本不会改变，因此接触压力变化亦不显著［17］。

图8.23展示了随机选取的密封圈接触面上四个点的接触压力变化趋势，加载步0～1表示预紧加载步，1～2表示内压加载步。可见在预紧过程中，接触压力会随法兰位移增加而不断增大，密封圈接触面上不同位置的接触压力有所不同，但其量级都在350～500 MPa，即稍大于密封圈材料的屈服应力值［18］，而在内压加载步中接触压力基本保持不变，维持在预紧状态时的水平，由此说明内压对管道密封性能影响并不显著。结合有限元分析结果，可确定密封可靠性的判定准则为：密封圈表面的接触压力介于其屈服强度与抗拉强度之间（205～520 MPa），即密封圈部分发生塑性变形。预紧及加载内压阶段的应力状态和密封状态见表8.2。

图8.22　非粘结柔性管接头密封结构示意图［12］

图8.23　接触面上接触压力变化趋势

表8.2　预紧及内压荷载下密封圈应力典型值对比