Analysis of Factors Affecting Sealing Performance of Subsea Wellhead Connector

Subsea wellhead connector is the key equipment for offshore oil and gas production. The working water depth is generally more than 500 m, so it has higher requirements for its sealing performance. In this paper, the VX gasket matched with H-4 subsea wellhead connector is taken as the research object, and the mechanical analysis under preload and production conditions is carried out. The finite element model of subsea wellhead connector is established by ABAQUS software, and the influence of axial preload, production pressure and material properties on the sealing performance of VX gasket is studied. The results show that the greater the axial preload, the greater the contact stress on the gasket surface;the contact stress decreases first and then increases linearly with the increase of production pressure;the material properties of the gasket are also an important factor affecting its sealing performance, 316L stainless steel is more suitable for gasket material than 304 stainless steel and Inconel625.

不同温度下胶乳复合垫片蠕变松弛特性分析

螺栓法兰接头的垫片在高温下长期使用,会发生蠕变松弛。垫片的蠕变松弛会导致接头内部流体泄漏,因此建立一种预测密封垫片蠕变和应力松弛的方法尤为重要。利用三参量开尔文流体模型建立一种预测垫片高温蠕变残余应力随时间变化的解析模型,并对胶乳复合垫片进行不同温度、不同应力载荷的蠕变松弛实验。研究结果表明:胶乳复合垫片在相同应力载荷下温度越高残余应力整体下降越明显,且应力载荷越大,损失的应力越多,随时间的推移,残余应力下降逐渐平缓;垫片的高温蠕变松弛行为会导致垫片质量和厚度下降,但随着垫片应力载荷的继续增加,垫片质量和厚度下降的趋势会有所减缓,而随温度的增加,质量和厚度持续降低,且下降趋势不会变缓。三参量开尔文流体模型的预测值与实验数据非常接近,最大误差为4.104%,该模型可以准确地描述垫片的力学行为以及垫片由于蠕变松弛引起的应力载荷损失。

Al包覆层厚度对Al-NiTi复合垫片密封面压紧力影响的有限元分析

用ABAQUS分析了法兰连接中不同Al包覆层厚度下Al-NiTi复合垫片密封面压紧力的分布,并与同等加载条件下的NiTi垫片、金属石墨缠绕垫片进行了对比。结果表明,相比NiTi垫片,Al包覆层降低了密封面的压紧力,随包覆层厚度增加,降低幅度增加;包覆Al层后,垫片密封面压紧力沿径向分布呈现波纹起伏,随包覆层厚度增加,波动幅度增加;Al-NiTi复合垫片内外侧附近出现密封压紧力急剧上升的突变,且随垫片厚度减少,突变值增加,这有利于提高密封效果;Al包覆层厚度为0.2 mm时,密封面压紧力数值较为理想,甚至超过NiTi垫片和金属石墨缠绕垫片。

硅橡胶密封垫的应力弛豫特性

利用材料的应力与应变的映射关系设计了适合密封垫层材料应力弛豫性能测试的实验装置。硅橡胶中加入白碳黑不仅可以使硅橡胶增强 ,且具有良好的应力弛豫性能 ,实验表明 :初期应力弛豫性能有较快下降的趋势 ,然后趋于一个较稳定的值 ,反映出硅橡胶的应力随时间的变化与滞弹性体应力弛豫的普遍规律一致。

不锈钢柔性石墨缠绕垫片基本性能研究

对不锈钢柔性石墨缠绕垫片进行了常温机械性能和密封性能的试验研究,找出了垫片常温密封的基本规律,提出了较好地表征该垫片压缩回弹特性、应力松弛特性和基本密封特性的公式,通过试验数据的回归分析,得到公式中的各系数,为螺栓法兰垫片连接的紧密性分析和密封件的工程选用提供了依据.

螺栓法兰接头安全密封技术(一)——安装螺栓载荷

安装螺栓载荷不足和安装不当是引起螺栓法兰接头泄漏的主要原因,结合螺栓载荷和垫片应力的相关定义,针对目前在安装螺栓载荷上的一些认识问题进行分析和探讨,以引起工程设计和现场安装人员的重视,为安全密封提供应用参考。

垫片接触应力测试研究

提出了一种垫片接触应力测试方法，并对实际的螺栓法兰连接垫片的接触应力进行了测试。

基于螺栓力的法兰接头泄漏率预测模型研究

螺栓法兰接头在石化装置中应用广泛,也是频繁泄漏部位之一,主要是由于螺栓力不足导致密封垫片应力下降从而引起泄漏,因此接头运行过程中螺栓力变化对于其密封性能至关重要。针对该问题,提出以泄漏率为指标,研究法兰接头螺栓力与垫片应力的关系,构建基于螺栓力的法兰接头泄漏率模型,并开展接头螺栓力和泄漏率试验,验证模型可靠性。实验结果表明,随着内压升高,螺栓力增大、垫片应力下降,螺栓力和垫片应力存在单调对应关系,垫片应力理论计算值与试验值之间对应较好,接头泄漏率理论值同实验值相比具有较好的可比性。因此,基于接头螺栓力预测泄漏率是可行的,同时该模型对于监测法兰接头服役过程中螺栓力的变化具有重要的理论意义。

金属垫片接触应力分布解析算法

金属垫片密封是压力容器和管道中常见的密封形式,其失效极少是因强度不足引起的,泄漏是连接系统失效的主要原因。在真实螺栓法兰金属垫片连接结构中,垫片的局部接触应力对螺栓法兰连接结构密封性能的影响较垫片的平均压紧应力更大。笔者在Warters法的基础上,考虑了操作压力的影响,对法兰变形进行理论分析,推导了法兰偏转角的计算公式。根据法兰偏转角和金属垫片力学性能,提出了金属垫片接触应力分布的解析算法。解析计算得到的平均应力与数值模拟结果较为接近,但垫片外缘的最大应力小于数值模拟值,金属垫片接触应力的解析计算方法可作为一种保守的工程算法,可用于真实螺栓法兰金属垫片连接结构的设计。

法兰泄漏校核方法的探讨

分析了法兰泄漏的原因与影响因素,介绍和对比了5种常用的法兰泄漏校核方法,提出了一种全面考虑管道外力、螺栓预紧力和垫片密封性能的法兰泄漏校核新方法,并给出了计算实例说明方法应用的关键点,同时通过工程实践应用证明该方法科学合理简单易用,并且在进行法兰泄漏校核的同时提出对法兰安装预紧力的要求,可用于指导法兰现场施工。

导电橡胶在电子设备密封设计中的应用

主要研究导电橡胶在电子设备密封设计中的选型、设计沟槽、计算压力和安装方式等。简要介绍了垫片密封的密封形式,阐述了橡胶垫片密封原理以及不同压缩量对密封性能的影响,说明了导电橡胶的种类、特点和应用范围,提出了导电橡胶安装时的注意事项。通过实例详细说明了在实际设计中如何选择导电橡胶、计算导电橡胶的换算弹性模量及应力,并设计结构件密封沟槽尺寸和螺钉直径、数量以产生足够压力保证的导电橡胶压缩量,实现密封。通过实验验证该设计方法是科学、有效的。

垫片密封连接综合应力加速寿命试验谱的研究

加速寿命试验是垫片密封连接系统寿命预测和可靠性评价的重要手段。以纤维增强橡胶基垫片——螺栓法兰连接系统为研究对象,分析了密封连接的故障模式;建立了系统故障树,并对其最小割集进行了定性分析;结合系统故障机理分析,确定了加速应力,制定了连接系统综合应力恒加速寿命试验谱;通过试验验证了该试验谱的可行性。

盾构法联络通道密封垫设计及防水试验研究

为探究适合盾构法联络通道工程的密封垫断面形式,以宁波市轨道交通3号线第1条盾构法联络通道为工程背景,针对遇水膨胀橡胶设计阴阳凹凸、圆形孔洞、梳形、矩形等4类断面。对各断面形式进行可行性分析,选取阴阳凹凸断面与矩形断面作为初选方案。利用Abaqus/Explicit计算模块对2种断面的接触应力进行有限元分析,通过设计"一"字缝耐水压力试验,验证数值模拟中接触应力较大的矩形断面的防水能力。研究表明:1)数值模拟结果显示,接触面最大接触应力与平均接触应力均随着张开量的增加而减小;同等张开量与错台量下,在压缩与膨胀2个阶段中,矩形断面的接触应力均大于阴阳凹凸断面,因此选取矩形断面作为备选方案。2)"一"字缝耐水压力试验结果表明,矩形断面密封垫保压48 h后耐水压力明显提升,且张开量越大耐水压力提升幅度越大。3)综合数值模拟与试验结果可知,该矩形断面密封垫满足0.6 MPa的防水要求。

金属齿形石墨组合垫片开裂失效分析

对316L齿形石墨组合垫片的宏观形貌、断口微观形貌、金相组织及表面化学成分进行了试验研究,并借助ABAQUS对垫片冷弯工艺进行了有限元模拟。结果表明,氯离子应力腐蚀是造成该垫片开裂泄漏的根本原因,其中冷加工造成的残余应力与粘胶剂高温分解产生的氯离子是导致垫片开裂的直接原因。

金属与金属接触型石墨密封垫片高温力学性能的试验研究

研究了金属与金属接触型石墨密封垫片在高温下的力学性能,包括压缩性能、回弹性能和蠕变松弛性能。根据试验结果获得了表征石墨垫片力学性能的拟合曲线和曲线方程,同时得到了石墨垫片在各温度下发生金属与金属接触时对应的接触应力。试验结果表明,温度影响石墨密封垫片的力学性能和接触应力。

水下井口连接器密封结构性能分析

水下井口连接器在生产过程中面临的工况和环境较复杂.通过有限元计算, 分析了连接器在安装预紧工况和生产工况下密封圈的密封性能.研究了轴向预紧力、密封圈接触应力和径向压缩量等参数之间的相互影响规律.通过编写Abaqus 的inp 程序, 分析完井与修井工况下承受弯矩载荷的井口连接器密封性能, 研究了金属密封圈左右接触面不同弯矩载荷下的接触应力相互影响规律.分析结果表明, 连接器在承受2.02×10^6 N·m 的弯矩条件下, 金属密封圈虽然发生面积较大的屈服, 但是仍然具有密封性, 能够有效密封内压.研究成果可为水下井口连接器的安全应用提供参考.

发动机点火线圈密封垫密封性试验与计算研究

利用大型有限元仿真计算软件ABAQUS对某款发动机点火线圈密封垫的密封性能进行研究。详细阐述了点火线圈密封垫二维轴对称有限元模型的建立过程,对密封垫密封面处的接触压力、密封垫的Von.Mises应力与脱落力进行计算,仿真计算结果证明该密封垫满足密封性、强度与防脱性设计要求。对密封垫进行了静态面压试验,试验结果与仿真计算结果吻合较好,验证了有限元数值方法的合理性。探讨了密封垫高度压缩率、橡胶材料参数对最大接触压力与Von.Mises应力的影响。计算分析表明:密封垫的高度压缩率越大,密封效果越好;Von.Mises应力随着高度压缩率与橡胶材料硬度的增大而增大;橡胶材料硬度对密封垫的密封性影响较小。

高温闸阀不同升温保温时间下瞬态密封分析

均匀的螺栓载荷是实现闸阀法兰长期有效密封的保证。针对工业中开停工温度波动引起的法兰变形等问题,建立了闸阀瞬态热-结构耦合有限元模型,搭建了高温闸阀试验装置并验证了模型的准确性,研究了不同升温保温时间组合下螺栓载荷与垫片应力的变化规律。实验结果表明,随着升温时间的延长,螺栓平均载荷下降速度减缓,螺栓间不均匀程度逐渐降低。在保温过程中,平均载荷有所回升,不均匀程度进一步降低,最小垫片应力的变化同步于螺栓载荷的变化。研究指出,多段温度连续加热中,最后阶段升温时间的长短是决定整个法兰系统密封性能的关键。

基于有效接触应力的大张开量盾构隧道密封垫防水性能分析

针对高水压作用下大张开量盾构隧道接缝防水密封垫的设计与选型,提出有效接触应力概念。依托南京和燕路过江隧道工程,利用大型有限元软件ABAQUS建立完整的沟槽、橡胶止水条带与弹性密封垫的数值模型,对典型错台及张开工况下管片接缝防水性能进行分析,揭示大张开量条件下管片接缝密封垫错台及张开时的变形与接触应力分布特性。研究结果表明:1)密封垫与密封垫接触面上的扭曲交互能提高接触面上的有效应力占比;2)圆形孔密封垫错台情况下,密封垫与沟槽之间的有效应力占比要低于密封垫与密封垫之间的有效应力占比,密封垫与沟槽间的渗水路径在密封垫防水设计时需重点考虑。

盖板隔膜密封热交换器隔膜垫片结构分析及比较

针对高压热交换器隔板隔膜密封的核心部件隔膜垫片进行定性判断,构建3种隔膜垫片模型进行了应力分析,计算出危险截面的应力水平,确定了垫片厚度差对其端部密封焊缝的影响,此计算结果可为隔膜垫片的工程应用提供一定的参考。