油气管道球状双封封堵器胶筒端面斜角优选.pdf

2 0 1 4年 第 4 3卷 第 5 期 第 5页 石油 矿场机 械 0I L F I E LD EQUI P MENT 文 章 编 号 1 0 0 1 - 3 4 8 2 2 0 1 4 0 5 0 0 0 5 - 0 6 油气管道球状双封封堵器胶筒端面斜角优选 张行 ， 张仕 民， 王焱 中国石油大学 北京机械与储运工程学 院， 北京 1 0 2 2 4 9 摘 要 球状 双封 封堵 器 主要应 用 于 油气管 道 的不停 输 维修 工 艺 中， 密封胶 筒 的性 能直接 影响 了封 堵 器的封堵效果。应用 AB AQUS有限元分析软件优 选 了封堵器胶 筒端 面斜角的几何参数 ， 通过研 究密封胶 筒的 端面斜 角与胶 筒 与 管壁 接 触 压 力之 间的规 律 ， 确 定 出密 封胶 筒端 面斜 角的 最优 值 。 结果表明 在其他参数确定的情况下， 胶 筒与管道最大接触压力随着胶 筒端面角度增大呈现 出先增 大后 减 小 又增 大的规律 ， 得 出端 面角度 的 最优值 为 1 5 。 。 关键 词 不停 输封 堵 ； 球 形 封堵 器 ； 有 限元 中 图分 类号 T E 9 7 3 ． 9 文 献标 识码 A Pa r a me t e r Op t i mi z a t i o n f o r S e a l i ng Ru b b e r o f t h e S ph e r i c a l Do u b l e Bl o c k a g e s ZH ANG H a ng。 ZH ANG Shi m i n， W ANG Ya n Co l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d Tr a n s p o r t a t i o n En g i n e e r i n g， Ch i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m ， Be i j i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e S p h e r i c a l d o u b l e b l o c k a g e s a r e ma i n l y a p p l i e d i n n o n s t o p t r a n s mi s s i o n ma i n t e n a n c e t e c hno l o gy f o r Oi l Ga s Pi p e l i ne s a nd t he pe r f or ma nc e of s e a l i ng r u bbe r di r e c t l y a f f e c t s t h e pl u g g i n g e f f e c t o f t h e b l o c k a g e s ． Ba s e d o n t h e ABAQUS f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t wa r e t o o p t i mi z e t he e n d f a c e a ng l e of t h e s e a l i ng r ub be r ， by a na l y z i ng t h e e nd f a c e a ng l e， t o d e t e r mi ne t h e op t i ma l s i z e o f t he s e a l i n g r u bbe r ． Thi s p a pe r a na l y z e s a n d c o nc l u de s t ha t i n t he c a s e o f ot he r pa r a me t e r s a r e f i x e d， t h e c o nt a c t pr e s s u r e b e t we e n s e a l i n g r u bbe r a nd pi pe l i n e i n c r e a s e s a nd t he n d e c r e a s e s， l a t e r i n c r e a s e s a n d t o o n e v a l u e ， t h e o p t i mu m v a l u e o f t h e e n d f a c e ’ S a n g l e i s 1 5 。 ． Ke y wo r ds no n s t op t r a n s m i s s i on bl o c k a ge； s phe r i c a l d oub l e b l o c ka ge s ； f i n i t e e l e m e nt a na l y s i s 管道带压开孔与封堵技术是一种安全 、 经济 、 高 效的管线维抢修技术 ， 该技术可在不停输 的条件下 完成管线维抢修施工， 适用于原油、 成品油、 天然气 等多种介质管线 的正常维修改造 和突发事故 的抢 修 ] 。油气管道球状双封封堵器是用于不停输带压 封堵工艺下封堵管道的封堵器[ 2 ] 。管道不停输封堵 作业时， 在液压缸提供的轴向压缩载荷作用下 ， 压缩 式密封胶筒在轴向压缩变形的同时径 向膨胀变形 ， 胶筒外表面与管道 内壁接触 ， 从而封隔封堵器与管 道之间的环空 ， 以实现封堵管道的功能 。胶筒的几 何参数对胶筒系统的密封性能影响很大。在胶筒实 际压缩过程中， 端面斜角处最容易出现橡胶畸变及 压溃 的情 况 ， 直 接 影响胶 筒 的密封 质量 [ 3 ] 。 封堵 器 的密封 性能 与胶 筒和 管道 之间 的接触 压 力状态密切相关 ， 可以通过密封胶筒与管道 的最大 接触压力的大小及接触压力大于管道内压的有效接 触 区域 长度 的大小来 评 价 。密封胶 筒 的最大 接触压 力越大 ， 胶筒系统所能承受 的封堵压差越高。有效 接触区域长度越长 ， 胶筒系统 的密 封稳定性越高 。 因此 ， 封堵 器 的工作 状 态 决 定 着 封堵 作 业 的成 功 与 否 。作为封堵器中重要的部件， 密封胶筒 的性能决 定着封堵器的质量 ， 损坏与否则决定着封隔器能否 收 稿 日期 2 0 1 3 - 1 1 - 1 0 作者简介 张行 1 9 8 8 一 ， 男 ， 湖北黄 冈人 ， 博士研 究生 ， 主 要从事 油气 管道维抢 修装 备研究 ， E ma i l z h a n g h a n g 2 5 1 2 6 ． 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 4年 5月 1 1 日 1 皇 1 1 日 1 凸_ 1 1 ∞ 1 幽 1 1 1 - R 出 路径／ ram a日一 0 。 路径／ ra m b 5 。 路径／ mm c 1 0。 l 1 日 1 路径／ ram d 一 15 。 O O 路径／ ra m e 2 0。 图 6 O ～2 O 。 时胶筒压缩后管壁 接触路径 与接触压力关系 曲线 由图 6可知 在相 同载荷下 ， 一0 。 时胶筒 与管 壁接 触 区 域 的最 大 接 触 应 力 达 到 1 3 ． 5 MP a ， 在 曲 线两侧存 在接触 压力 突然增大 的现象 ， 这是 由于 橡胶 出现 了畸变 ； 一5 。 时， 最 大接 触应 力下 降 到 1 2 ． 1 MP a 0 1 0 。 时 ， 最 大 接触 应 力 略微 增 大 到 1 2 ． 4 MP a ； 0 1 5 。 时 ， 最 大 接 触 应 力 稳 定 在 1 2 ． 4 MP a ； 0 2 0 。 时， 最 大 接 触 应 力 减 少 到 1 1 ． 5 MP a 。 在 一5 。 ～1 5 。 ， 最大接触压力相对稳定 在 1 2 MP a以上 。 密封胶筒与管道的最大接触压力曲线如图 7所 示。在相同载荷下 ， 当 一0 ～2 0 。 ， 随着胶筒端面角 度的增加， 胶筒径 向膨胀 与管道 内壁的接触压力大 于 1 0 MP a的有效接触 区域总体呈现增大的趋势； 但大于 1 1 MP a与大于 1 2 MP a的接触区域 ， 长度却 是先下降后上升再下降， 如图 8所示 。综合这 3种 情况 ， 在 一1 0 ～1 5 。 ， 1 1 MP a以上有效接触 区域长 度呈现稳定 的趋势。故将 分析 范 围缩小 到 1 0 。 ～ 1 5 。 。对比每种情况下接触压力 分别大于 1 0 、 1 l 、 1 2 MP a的有效接触区域长度 。 山 善 出 图 7 胶筒端面角度与最大接触压力关系 曲线 暑 g 端面斜角， 。 图 8 O ～2 0 。 时胶筒 端面角度与 有效接触 区域关系 曲线 当 一1 1 。 ～1 4 。 时， 胶管压缩后与管壁 的接触路 径与接触压力关系如图 9 所示。 第 4 3卷第 5 期 张行 ， 等 油气管道球状双封封堵 器胶筒端面斜角优选 1 1 日 1 山 路径／ ram a 一 1 1 。 1 1 日 1 凸一 皇 路径／ mm b 一 1 2 。 1 1 1 宝 路径／ mm c 1 3 。 O 路径／ ram d 一 1 4 。 图 9 一1 1 。 ～1 4 。 时胶 筒压缩后与管壁 的 接触 路径与接触压力关系 曲线 由图 9可 知 1 当 一1 1 。 时 ， 最 大 接 触 应 力 为 1 2 ． 4 MP a ， 1 0 MP a以上有效接触 区域为 9 5 mm； 1 1 MP a以上 有效接触区域 为 8 0 mm； 1 2 MP a以上有效接触 区 域为 2 3 mm。 2 当 一 1 2 。 时 ， 最 大 接触 应 力 为 1 2 ． 4 MP a ， 1 0 MP a以上 有效 接触 区域 为 9 9 mm； 1 1 MP a以上 有效 接触 区域 为 8 3 mm； 1 2 MP a以上 有 效 接 触 区 域为 2 2 mm。 3 当 一1 3 。 时， 最大接触应力为 1 2 ． 3 MP a ， 1 0 MP a以上有 效 接触 区域 为 9 7 mm； 1 1 MP a以上 有效接触 区域为 8 4 mm； 1 2 MP a以上有效接触 区 域为 1 9 mm。 4 当 一1 4 。 时 ， 最 大 接 触 应力 为 1 2 ． 3 MP a ， 1 0 MP a以上有 效接 触 区域 为 9 9 mm； 1 1 MP a以上 有 效接 触 区 域 为 8 5 mm； 1 2 MP a以 上 有 效 接 触 区 域 为 1 6 mm。 由上述结果可得到 一1 1 ～1 4 。 时， 胶筒端面各 角度与最大接触应力及有效接触 区域长度的关 系， 如 图 1 0 ～1 1 所 示 。 1 3 ．0 1 2 ． 5 岂 1 2 o 1 1 ． 5 暑 吕 魁 l 1 1 2 l 3 1 4 l 5 端面斜角， f 。 图 1 0 一1 1 ～1 4 。 时胶筒端 面角度 与 最 大接 触压力关 系曲线 端面斜角 图 1 1 口 一 l l ～1 4 。 时胶筒端面角度与 有 效接触区域的关系曲线 由 图 1 O可得 在 一 1 1 ～1 4 。 ， 最 大接 触 压 力 相 差 0 ． 1 MP a ， 由此可知在 一1 0 。 ～1 5 。 ， 胶筒端面角 度 0的变化对最大接触压力影 响不大 。由图 1 1可 得 曲线整体呈上升趋势 ， 随着胶筒端面角度 0的增 加 ， 有效接触区域的长度也在增加 。 综上可得， 胶筒端面角度选择 一1 5 。 较合适。 2 O l 4年 第 4 3卷 第 5期第 l O页 石 油矿 0I L FI ELD 场 机 械 EQUI P ME NT 2 O 1 4， 4 3 5 1 0 1 3 文 章 编 号 1 0 0 1 - 3 4 8 2 2 0 1 4 0 5 一 O 0 1 O - 0 4 基于相似模型的导管架平台波浪载荷数值模拟 刘伟 。 刘金梅 东北石油 大学 机械科学与工程学院 ， 黑龙 江 大庆 1 6 3 3 1 8 摘要 为确保 海 洋平 台在 海 浪环境 下 的安全 生产 ， 研 究 波浪载 荷 的数 值模 拟 方法及 波流耦 合作 用 下 平台结构的静动力响应。以导管架平台相似模型为例， 应用有限元法， 根据 5阶 S t o k e s 波浪理论， 对平 台在波浪载荷作用下的静动力响应进行 了数值建模和仿真分析。结果表 明 在波浪栽荷作 用 下 ， 平 台结构产 生 类周期往 复运 动 ， 周 期与 波浪 周期基 本一 致 ； 平 台不 同位 置的响 应值 不 同 ， 从 泥 线 至 平 台顶 端 ， 响应 值逐 渐增 大 ； 平 台甲板 结构 变形 明显 ， 最 大应 力 出现 在桩 腿 底 部位 置 。 为 实际 工 程应用和安全诊断提供参考。 关键 词 导管 架平 台 ； 相似模 型 ； 波浪 载荷 ； 数 值模 拟 ； 静 动 力响应 中图分类 号 TE 9 5 1 文献标 识码 A Nu me r i c a l S i mu l a t i o n o f J a c k e t Pl a t f o r m u n d e r W a v e Lo a d Ba s e d O N S i mi l a r M o d e l LI U W e i 。 LI U J i n - me i Co l l e ge o f M e c h a n i c a l S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g， No r t h e a s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y， Da q i n g 1 6 3 3 1 8， C h i n a Ab s t r a c t To e ns u r e o f f s h or e pl a t f o r m wor k i ng i n p r od uc t i o n s a f e l y i n t he ma r i n e e nv i r on me nt ， t h e 4 结论 1 在球状双封封堵器密封胶筒的其他参数取 定值 的情况下 ， 胶筒与管道密封峰值接触压力随着 胶筒 端 面斜角 的增大 而呈 现 出上升趋 势 。 2 密封胶筒与管道内壁的接触路径上 ， 大于 1 0 MP a的有效 接触区域 总体呈上升趋势 ， 而在接 触压 力大于 1 l MP a和 1 2 MP a的接触 区域 只在 1 0 ～1 5 。 之 间更为稳 定 。 3 进一 步 分 析 1 O ～ 1 5 。 的 模 型 后 ， 得 到 接 触 压力 曲线整体呈较平稳上升趋势 ， 即胶筒端面角度 值在 0 ～2 O 。 存在最优值 ， 最优值 的选取对密封胶筒 密封 性能 的优 化起到 了较 为重要 的作 用 。 参考文献 E l i 江龙强． 管道封堵抢修技术现状及发展[ J ] ． 内蒙古石 油 化 工 ， 2 O 1 1 2 1 0 0 1 。 3 ． 中国石 油 大学 北 京 ． 一种 球 状双 封 封堵 器 中 国 ， C N2 0 1 3 1 0 2 2 4 5 2 8 ． 2 [ P ] ． 2 0 1 3 - 0 9 0 4 ． 伍开松 ， 翟志茂 ， 古剑飞 ， 等． 封隔器胶筒几何参数优 选 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 1 0 6 8 7 1 ． 葛松 ． 压缩式封 隔器密封胶 筒有 限元分 析及改 进[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 1 2 9 2 9 5 ． 湛精华 ， 王 国荣 ， 刘清友 ． 井下 封隔器 工作行 为仿 真研 究 [ J ] ． 石 油矿场机 械， 2 0 0 6 ， 3 5 2 9 - 1 2 ． 王海 兰， 辜利江 ， 刘清友． 井下 封隔器胶 筒橡胶 材料 力 学性 能 试 验 研 究 [ J ] ． 石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 0 6 ， 3 5 3 57 59 ． 张辛 ， 徐兴平 ， 王雷． 封隔器胶 筒结构改 进及优 势分 析 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 3 ， 4 2 1 6 2 6 6 ． 韩 国有 ， 李楠 ， 李强 ， 等． 基于有限元的封隔器密封性 能 影 响因素分析 I- J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 2 ， 4 1 6 1 7 2 O ． 收稿 日期 2 0 1 3 1 i - 2 2 基金项 目 中国石油科技创新基金 2 0 1 3 D- 5 0 0 6 0 6 0 4 ； 黑龙江省教育厅科学技术研究项 目 1 2 5 4 1 0 5 7 作者简介 刘伟 1 9 8 9 一 ， 男 ， 湖北枝 江人 ， 硕士研究生 ， 主要从海洋平 台结构性能评价方 面的研究 ， E m a i l l i u we i 0 7 1 7 1 6 3． t o m 。 ] ] ] ] ] ] ]