基于深水管道连接的大直径金属透镜垫密封机理研究

深水管道连接器是一种重要的水下输油管汇连接设备，由于连接器服务对象的特殊性，深水连接方法及密封方法是国内外公认的、制约我国深水石油开采业发展的难题之一。解决这一难题的关键是对自紧式金属透镜垫的密封机理及其使用标准进行深入研究。本项目将研究大直径金属透镜垫用于卡爪式法兰密封的密封机理，分析透镜垫密封的泄漏现象，建立基于振动和热变形的泄露模型，揭示界面泄漏与密封表面形貌、压紧应力以及介质压力之间的关系，获得工程工况下的最佳密封比压；建立透镜垫的设计方法和使用方法，揭示参数所对应的物理意义，确定卡爪连接器的力学特性；研究密封构件材料、强度和连接系统的变形协调关系，建立适合于工程应用的高温、高压、大直径的自紧式金属透镜垫用于卡爪式连接器的使用规范，并满足试验的要求；研究负载变化对卡爪连接器的力学特性和密封效果的影响规律，制定一套适合在水下复杂环境下实现管道快速连接方法。

针对深水输油管道连接方法及密封方法问题，研究了大直径透镜垫的密封机理及使用标准等内容。引入透镜垫刚度及法兰刚度，提出一种新的半径向自紧密封的自紧系数计算方法，通过对透镜垫进行接触力学分析，推导出透镜垫表面形貌、压紧压力及介质压力间的相互关系，获得最佳密封比压。该方法可以避免轴向退让系数在密封比压计算上的复杂性，大大提高了应用程度。针对透镜垫的使用规范问题，提出了直径大于6英寸的金属透镜垫的设计方法和使用方法，补充了我国现有透镜垫规格标准中缺乏的数据；对大直径金属透镜垫进行了改型设计，改型后的透镜垫密封时所需的预紧力比未改型时降低50%，结构尺寸减小30%，改型后的透镜垫结构紧凑、重量减轻，更适合用于水下管道密封。针对深水环境下输油管道所受到的干扰因素，分析了透镜垫泄漏的原因，分析了温度效应和振动效应对密封的影响，建立了透镜垫泄漏模型。该模型非常适用于车削加工的、粗糙金属表面的、微观螺旋通道的泄漏量预测。以深水管道连接与密封为应用背景，研究了透镜垫卡爪式快速连接方法，设计了一种卡爪式连接器并提出了安装适应性控制方法。所提出的方法不仅可以应用于整体式卡爪连接，也可用于回收式卡爪连接、回收式卡箍连接，所设计的连接器及连接方法经过了深水管道双卡爪连接试验验证。本课题的研究成果为大直径透镜垫在深海管道连接的进一步工程应用方面提供了理论指导。