新型海底管道卡压式机械连接器密封机理与多目标优化研究

"A new type subsea pipeline compression mechanical connector" which is composed of one matrix and two extruded rings achieves connecting and sealing between pipelines,which makes the extruded rings squeeze the two circular heaves of the matrix surface and then forces the two sealing rings to produce the radial contraction to snap them into the pipeline surface. The subject of compression mechanical connector uses multi-objective optimization methods to determine the structural dimensions of the major parts of the connector; according to elastic-plastic theory and metal flow seal theory, the formation processe and conditions between connectors and subsea pipelines are researched, and the stuctural design criteria of the metal sealing ring with the optimum sealing performance and the design rule of the critical contact pressure and minimum loading force with the optimum sealing performance are proposed; the mathematical model of the relationship between the optimum sealing performance and minimum loading force is established; based on the probabilistic reliability theory, the dimensional tolerances of the subsea pipeline diameter and pipeline material property differences are researched to observe how they influence the connecting reliability of the connectors. The compression mechanical connector whose structure is simple, sealing pressure is high and installation is convenient, and able to withstand the axial force and bending moment of the subsea pipelines, can be used for subsea pipelines connection.Taking the 8-inch subsea pipeline as example: the pressure within the connecting pipeline can reach 50MPa, working depth 1500m and the axial tension and compression load 70tons.

提出一种新型海底管道卡压式机械连接器构型，该连接器由基体和两个外挤压环组成，通过外力使外挤压环挤压基体外表面两道环形凸起，迫使机体内两道密封压力环产生径向收缩使两道密封压力环咬合在管道表面上，实现连接器与管道之间的连接与密封。课题采用多目标优化方法确定连接器各主要部分结构尺寸；基于弹塑性理论和金属流动密封原理，研究连接器与海底管道之间密封形成过程和条件，提出具有最佳密封性能的金属密封压力环结构设计准则和最佳密封性能的临界接触压力、最小加载力等设计规则；建立最佳密封性能与最小加载力之间关系的数学模型；采用概率可靠性理论研究海底管道外径尺寸公差，管道材料性能差异对连接器连接可靠性的影响。卡压式机械连接器结构简单、密封压力高、能承受海底管道在位的轴向力和弯矩，安装操作方便，可以用于深水管道连接。以8寸海底管道为例:连接后的管道内压可以达到50MPa、工作水深1500m、轴向拉压载荷70吨。

海底管道是油气运输的重要通道，是海上石油和天然气资源开采系统的关键构成部分。在海底的复杂环境下，管道不可避免的会出现失效的情况，及时有效的完成对管道破损部位的修复可以保证生产的正常进行，也可以减少油气泄漏带来的环境污染和损失。研究管道的连接方法、密封机理及其设计方法，对海洋油气资源的开采具有重要的意义。. 研究提出一种新型的管道连接器结构—卡压式机械连接器，该连接器由一个基本体和两个密封环组成，基体两侧各有两个密封环。连接器采用金属接触静密封方法，在加紧力的作用下，密封环径向收缩与管道表面接触实现密封。从微观尺度上研究金属接触静密封机理，建立基于统计学的粗糙表面弹塑性接触力学的数学模型，当接触压力等于两倍材料的屈服强度时可实现可靠的接触密封。基于弹性力学的叠加原理，推导出密封面平均接触压力与表面位移的数学模型，得出8inch卡压式机械连接器实现密封的临界值为361.03MPa，为连接器的设计提供理论基础。. 卡压式机械连接器密封部位的结构尺寸相互关联，通过优化设计获得最优结构参数。基于ANSYS的APDL语言建立了连接器的参数化模型，通过相关性分析获得主副密封环过盈量、密封环间距、主副密封环偏心距为密封性能的主要设计变量。以主副密封环接触压力方差为目标函数，主副密封环接触压力均值为约束变量，对连接器进行了多目标优化，结果表明：主副密封环接触压力均值大于临界值361.03MPa，可实现金属静密封；主副密封环接触压力方差分别减小了81.3%和57.4%，密封面上的接触均匀度增加，密封性能显著改善。依据可靠性基本理论并结合ANSYS软件的概率设计系统，分析连接器密封能力与管道外径、壁厚和材料参数变动的敏感程度，依据应力—强度干涉模型，计算连接器连接的可靠度为0.9999，满足使用要求。. 最后对卡压式机械连接器进行了气密性、水压、拖拉、弯曲和振动实验，承受的最大水压54.5MPa，最大轴向力75T，最大弯矩52.2kN∙m，振动次数大于1000万次，满足设计规范。该设计方法可用于其他尺寸的连接器的结构设计。