設計一種適用于1500m水深，油氣壓力為34.5MPa的304.8mm管道的連接器鎖緊機構的透鏡式密封件。該密封件由透鏡密封和O型圈密封雙重密封組成，具有良好的對中性，可降低轂座法蘭的預緊所需的軸向預緊力(減小轂座法蘭的尺寸)，具有一定的溫度補償能力，適應U級溫度(-18～121℃)的工作環境。利用雙重密封之間的間隙，設計密封性能測試方案。建立密封件實際模型并對其進行有限元分析，評估密封效果，驗證雙重密封的合理性和可行性，為樣機設計提供理論依據。

　　深水連接器是連接海底油氣管線和跨接管的一種必須的水下連接設備，隨著我國的油氣開發走向海洋并逐步走向深海，水下管匯連接器將有廣闊的市場應用前景。目前我國深水油氣的開發技術剛剛起步，鎖緊技術還屬空白。作為連接器的關鍵部件，鎖緊機構的密封可靠性至關重要。

　　某深水連接器鎖緊機構密封件的設計要求是，能對1500m水深、油氣壓力為34.5MPa的、直徑為304.8mm的管道進行密封，同時適應U級(-18～121℃)溫度的工作環境。因此，該大直徑的密封件要求具有良好的對中性，且轂座法蘭的軸向預緊力小，并具有一定的溫度補償能力。然而，真空技術網(http://203scouts.com/)認為對于在深水高壓、腐蝕條件下安裝和服役的大直徑的密封件，如何保證良好的對中性，如何降低轂座法蘭的軸向預緊力(減小轂座法蘭的尺寸)，如何使密封件具備一定的溫度補償能力及如何設置密封性測試方案等都是亟待解決的技術難題。

　　透鏡密封的密封面為球面，對中性好，密封時接觸為狹窄環帶，需要的預緊力小，因而滿足深水大直徑密封件的對中性和減小轂座軸向預緊力的要求。然而透鏡式密封應用還不成熟，直徑大于152mm的透鏡式密封還沒有成熟的設計方案。

　　本文作者設計了應用于直徑304.8mm管道的透鏡式密封，確定了其尺寸參數，并對其結構進行優化；另外，在其結構上增設了O型圈非金屬密封作為二重密封，以具備溫度補償能力和保證密封的高可靠性；此外，巧妙地利用金屬密封和非金屬密封中間的間隙作為密封性能測試的空間；最后，采用有限元方法建立了實體分析模型，并對其性能進行了評估，驗證了雙重密封的合理性和可行性，為今后樣機設計提供了理論依據。

1、深水連接器鎖緊機構密封設計

　　1.1、連接器鎖緊機構工作原理

　　如圖1所示，設計的鎖緊機構由限位螺栓、驅動環、卡爪、上轂座和下轂座組成。鎖緊前，下轂座與管匯位于海底，當連接器安裝工具攜帶著鎖緊機構上端下放至下轂座上方后，驅動環在液壓缸的驅動下向下運動，從而推動卡爪向內收攏，進而鎖緊上、下轂座壓緊密封件，實現管道的連接，之后安裝工具撤離。解鎖時，驅動環在液壓缸的拉力下向上運動，驅動環驅動卡爪向外張開，從而實現管道的解鎖。

圖1 鎖緊機構剖視圖

　　1.2、透鏡式密封件結構設計

　　由于連接器鎖緊機構在深水1500m和油氣壓力為34.5MPa條件下服役，且深水下安裝要求密封件的對中性相當高，所以密封件的工作環境為高溫高壓，且對中性要求很高。高壓管道連接中，廣泛使用透鏡墊密封結構。由于其接觸面是由球面和斜面自然形成，墊片易對中，其具有耐高溫高壓、密封性持久可靠、適應載荷頻變等特性，符合設計要求。然而，目前透鏡密封只用于公稱通徑為3～200mm的高壓管道，對于大直徑管道的密封，必須重新設計透鏡密封。

　　透鏡墊的密封面均為球面，與轂座錐形密封面相接觸，初始狀態為一環線。在預緊力作用下，透鏡墊在接觸處產生變形，環線變成環帶，通過回彈力在接觸面形成接觸壓力，密封性能較好。透鏡密封的密封性能取決于接觸壓力、材料特性、表面摩擦因數及密封尺寸。

　　對于透鏡密封的設計，首先根據規范DIN2696中透鏡墊尺寸的設計方法，并根據304.8mm管道的基本參數，確定設計所需的初始參數；然后按照規范的設計方法計算出其他參數；最后通過有限元分析對其密封效果進行驗證。

5、結論

　　設計了一種適用于1500m水深，油氣壓力為34.5MPa的304.8mm管道的連接器鎖緊機構的密封件，可適應U級(-18～121℃)溫度的工作環境；同時，利用雙重密封之間的間隙，設計了密封性能的測試方案。該雙重密封具有良好的對中性，可降低轂座法蘭的預緊所需的軸向預緊力(減小轂座法蘭的尺寸)，并具備一定的溫度補償能力。對雙密封實際模型進行了有限元分析，并對整體特性進行了評估分析，驗證了雙重密封的合理性和可行性，為今后樣機設計提供了重要的理論依據。

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