聚四氟乙烯材料屬性對(duì)蓄能彈簧密封圈的影響

辛 順， 尹 云， 王 屹， 高 飛

（1.海洋石油工程股份有限公司 設(shè)計(jì)院，天津 300451；2.大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司 設(shè)計(jì)研究總院，遼寧 大連 116013）

單點(diǎn)系泊液滑環(huán)是浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置（FPSO）與水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接的關(guān)鍵裝備，其主要作用是實(shí)現(xiàn)介質(zhì)在浮體轉(zhuǎn)動(dòng)情況下的連續(xù)輸送[1]。蓄能彈簧密封圈是單點(diǎn)系泊液滑環(huán)的關(guān)鍵部件，屬于自緊式密封，通過系統(tǒng)壓力升高時(shí)伴隨的密封接觸壓力增加實(shí)現(xiàn)有效密封[2]，其品質(zhì)直接影響液滑環(huán)的工作性能。目前單點(diǎn)系泊液滑環(huán)和蓄能彈簧密封圈產(chǎn)品的技術(shù)壟斷非常嚴(yán)重，中國(guó)海域使用的相關(guān)產(chǎn)品均為國(guó)外公司生產(chǎn)[3]。

國(guó)內(nèi)對(duì)蓄能彈簧密封圈做了一些研究。杜鳴杰[4]介紹了聚四氟乙烯（PTFE）彈簧蓄能密封結(jié)構(gòu)形式和幾何形狀。賈曉紅等[5]分析了彈簧蓄能密封圈的密封性能，得到了接觸區(qū)的壓力分布特性。文中對(duì)單點(diǎn)系泊液滑環(huán)蓄能彈簧密封圈的PTFE材料屬性進(jìn)行分析研究，利用ABAQUS軟件建立蓄能彈簧密封圈的二維軸對(duì)稱模型，得到PTFE材料屬性變化對(duì)密封性能的影響。

1 單點(diǎn)系泊液滑環(huán)結(jié)構(gòu)

單點(diǎn)系泊液滑環(huán)主要由內(nèi)環(huán)、外環(huán)、壓蓋、軸承、密封圈、進(jìn)口管、出口管、軸承罩和底座等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 單點(diǎn)系泊液滑環(huán)結(jié)構(gòu)示圖

2 蓄能彈簧密封圈結(jié)構(gòu)及材料

2.1 結(jié)構(gòu)組成

單點(diǎn)液滑環(huán)主密封的密封形式為端面動(dòng)密封。端面動(dòng)密封采用蓄能彈簧密封圈結(jié)構(gòu)，其主要部件包括背壓環(huán)、密封套圈以及蓄能彈簧[6]，結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 蓄能彈簧密封圈結(jié)構(gòu)示圖

2.2 材料選擇

基于蓄能彈簧密封圈的預(yù)定功能和使用場(chǎng)合確定各個(gè)組件的制造材料。背壓環(huán)的選料為PTFE復(fù)合材料，密封套圈的選料為PTFE改性材料[7-10]，蓄能彈簧的選料為鈷鉻鎳合金[11]。所選用的PTFE復(fù)合材料可增加密封圈的承壓能力，PTFE改性材料具有極佳的耐高溫和耐磨損性能，鈷鉻鎳合金材料在高溫環(huán)境下具有極佳的抗氧化、耐腐蝕和力學(xué)特性，可以為密封套圈提供均勻穩(wěn)定的彈性壓縮力。其中，PTFE復(fù)合材料的硬度高于PTFE改性材料的硬度，符合在壓力較高的場(chǎng)合下使用的需求。

3 蓄能彈簧密封圈計(jì)算分析基礎(chǔ)

3.1 材料力學(xué)性能參數(shù)

背壓環(huán)、密封套圈均用PTFE材料制造。已有研究表明[12-14]，溫度的變化對(duì)PTFE材料的力學(xué)性能參數(shù)的影響不可忽略。PTFE材料采用線性強(qiáng)化彈塑性模型，常溫及預(yù)定的蓄能彈簧密封圈計(jì)算分析溫度條件下的PTFE材料力學(xué)性能參數(shù)分別見表1和表2。

表1 常溫下PTFE材料力學(xué)性能參數(shù)

表2 90℃下PTFE材料力學(xué)性能參數(shù)

計(jì)算分析過程中使用的蓄能彈簧鈷鉻鎳合金材料力學(xué)性能參數(shù)參考美國(guó)Elgiloy 2B Spring Coil材料確定，屈服極限達(dá)1 186 MPa,彈性模量210 GPa，泊松比 0.3。

3.2 幾何模型

蓄能彈簧密封圈模型的幾何形狀、邊界條件及承受載荷都具有軸對(duì)稱性。蓄能彈簧密封圈的鏤空彈簧橫截面為U形幾何結(jié)構(gòu)，可選用一個(gè)等效剛度的無鏤空彈簧模型替代鏤空彈簧模型，方法如下，①?gòu)男钅軓椈擅芊馊φw模型中提取出彈簧邊緣接觸處的徑向位移。②分別在軟件中單獨(dú)建立無鏤空彈簧和鏤空彈簧的三維實(shí)體模型，施加簡(jiǎn)支邊界條件，而后對(duì)它們施加相同的徑向壓縮位移。③提取支反力，比較兩者的支反力變化，調(diào)整無鏤空彈簧的彈性模量，使兩者的支反力大小相等。④將調(diào)整后的彈性模量帶回蓄能彈簧密封圈整體模型中進(jìn)行重新計(jì)算。完成上述結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和剛度等效的蓄能彈簧密封圈平面二維軸對(duì)稱模型[15]見圖3。

圖3 蓄能彈簧密封圈幾何模型

3.3 材料模型

將液滑環(huán)的內(nèi)環(huán)、外環(huán)和壓蓋等效成解析剛體進(jìn)行分析。彈簧采用線彈性材料，實(shí)際彈簧（圖4）為鏤空結(jié)構(gòu)，計(jì)算彈簧為假定的連續(xù)結(jié)構(gòu)。因此，計(jì)算時(shí)首先將計(jì)算彈簧與實(shí)際彈簧在一定壓縮位移下進(jìn)行剛度等效，實(shí)際彈簧的彈性模量為2.06×105MPa，泊松比 0.3，在剛度等效條件下可獲得計(jì)算彈簧的彈性模量，計(jì)算彈簧的泊松比保持不變。

圖4 實(shí)際彈簧材料模型

3.4 劃分網(wǎng)格

密封套圈選用CAX3單元，自由掃掠，采用進(jìn)階算法，在合適的地方使用映射網(wǎng)絡(luò)。彈簧采用CAX3單元，背壓環(huán)CAX4R單元，減縮積分，總單元數(shù)量約為70 000個(gè)，得到的網(wǎng)格劃分及載荷分布模型見圖5。

圖5 蓄能彈簧密封圈網(wǎng)格劃分及載荷分布模型

3.5 邊界條件與加載

對(duì)液滑環(huán)溝槽施加全約束，沿y軸負(fù)方向?qū)ο卤谑┘游灰?，蓄能彈簧密封圈沒有邊界條件約束，設(shè)2個(gè)分析步。第一步，密封圈在密封槽中被壓緊，建立所有接觸對(duì)。第二步，模擬實(shí)際工作狀態(tài)加壓，密封圈的U形腔體內(nèi)承受液滑環(huán)內(nèi)部的介質(zhì)壓力。載荷步位移加載過程見圖6和圖7。

圖6 蓄能彈簧密封圈載荷步1位移加載過程

圖7 蓄能彈簧密封圈載荷步2位移加載過程

4 PTFE材料屬性變化對(duì)密封圈的影響

4.1 算例及材料屬性設(shè)置

設(shè)置3個(gè)算例，施加壓強(qiáng)7 MPa，輸入材料屬性。PTFE材料屬性參數(shù)見表3～表5。其中，算例1和算例2密封套圈材料屬性相同，背壓環(huán)材料屬性按比例改變；算例2和算例3的背壓環(huán)材料屬性相同，密封套圈材料屬性按比例改變。

表3 算例1蓄能彈簧密封圈主要部件PTFE材料屬性

表4 算例2蓄能彈簧密封圈主要部件PTFE材料屬性

表5 算例3蓄能彈簧密封圈主要部件PTFE材料屬性

4.2 位移加載結(jié)果及分析

算例1～算例3位移加載結(jié)果見圖8～圖10。

圖8 算例1位移加載結(jié)果

圖9 算例2位移加載結(jié)果

圖10 算例3位移加載結(jié)果

由圖8～圖10可知，在位移加載階段材料屬性的改變不會(huì)影響密封圈彈簧的最大應(yīng)力值及密封圈的位移加載狀態(tài)，而引起密封圈材料屬性改變的主要因素為溫度。因此可以推知，當(dāng)溫度改變時(shí)，蓄能彈簧的最大應(yīng)力值以及位移加載后的密封圈姿態(tài)將不受影響。

4.3 壓強(qiáng)加載結(jié)果及分析

算例1～算例3壓強(qiáng)加載結(jié)果分別見圖11～圖13。

圖11 算例1壓強(qiáng)加載結(jié)果

圖12 算例2壓強(qiáng)加載結(jié)果

圖13 算例3壓強(qiáng)加載結(jié)果

分析圖11～圖13，當(dāng)壓強(qiáng)作用于密封套圈以后，對(duì)比算例1和算例2可知，背壓環(huán)材料屬性的軟化不會(huì)改變密封套圈唇部的接觸位置，對(duì)比算例2和算例3可知，密封套圈材料屬性的軟化將會(huì)影響唇部的接觸位置，從而進(jìn)一步影響接觸壓力變化，因此需要重點(diǎn)關(guān)注溫度變化對(duì)密封性能的影響。

4.4 密封套圈應(yīng)力分布及分析

算例1～算例3密封套圈應(yīng)力分布分別見圖14～圖16。

圖14 算例1密封套圈應(yīng)力分布

圖15 算例2密封套圈應(yīng)力分布

圖16 算例3密封套圈應(yīng)力分布

由圖14～圖16可知，當(dāng)背壓環(huán)隨溫度升高軟化后，密封套圈的應(yīng)力會(huì)增大，從而影響密封套圈的強(qiáng)度，需適當(dāng)考慮改善背壓環(huán)材料的耐高溫性能。密封套圈隨著自身材料屬性的軟化應(yīng)力下降較為明顯，因此密封套圈的耐高溫性能尤為重要。

4.5 背壓環(huán)應(yīng)力分布及分析

算例1～算例3背壓環(huán)應(yīng)力分布見圖17～圖19。

圖17 算例1背壓環(huán)應(yīng)力分布

圖18 算例2背壓環(huán)應(yīng)力分布

圖19 算例3背壓環(huán)應(yīng)力分布

由圖17～圖19可知，隨溫度升高背壓環(huán)材料軟化應(yīng)力下降較為明顯，但其壓縮強(qiáng)度較高，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)影響不大。隨著密封套圈材料屬性的軟化，背壓環(huán)的應(yīng)力也會(huì)隨著升高，但對(duì)背壓環(huán)強(qiáng)度影響不大。

4.6 密封圈接觸壓力分布及分析

算例1～算例3密封圈接觸壓力分布曲線見圖20～圖22。

圖20 算例1密封圈接觸壓力分布曲線

圖21 算例2密封圈接觸壓力分布曲線

圖22 算例3密封圈接觸壓力分布曲線

由圖20～圖22可知，密封圈接觸壓力隨背壓環(huán)的軟化變化較小，說明背壓環(huán)材料的改變對(duì)密封性能的影響較小，而密封套圈材料的軟化對(duì)密封性能影響較為明顯，峰值接觸壓力下降較大。

4.7 綜合分析

不同材料屬性各算例的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見表6。由表6可知，隨著介質(zhì)溫度的升高，背壓環(huán)材料的改變對(duì)密封性能的影響較小，而密封套圈材料的軟化對(duì)密封性能影響較為明顯，峰值接觸壓力下降較大，有效密封長(zhǎng)度也會(huì)減小，線接觸壓力會(huì)隨材料軟化接觸長(zhǎng)度增大而升高，會(huì)顯著增加摩擦阻力矩。

表6 不同材料屬性各算例數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

單點(diǎn)系泊液滑環(huán)是FPSO與水下生產(chǎn)系統(tǒng)連接的關(guān)鍵裝備，液滑環(huán)結(jié)構(gòu)中的主密封圈通常采用蓄能彈簧密封圈，其設(shè)計(jì)直接影響整套液滑環(huán)的工作性能。在選定PTFE材料的前提下，進(jìn)行了溫度變化引起PTFE材料力學(xué)性能變化，進(jìn)而影向蓄能彈簧密封圈背壓環(huán)和密封套圈密封性能的研究。研究結(jié)果表明，隨著介質(zhì)溫度的升高，背壓環(huán)材料的改變對(duì)密封性能的影響較小，密封套圈材料的高溫性能對(duì)密封性能和摩擦力的影響都非常明顯，應(yīng)注重提高密封套圈材料的耐高溫性能。