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接頭密封一直是隔水管設計和分析的重點。接頭密封失效直接影響隔水管系統連接的可靠性，一旦失效，就會使鉆井作業(yè)停止，增加鉆井時間和成本，同時隔水管鉆井液泄漏還會污染海洋環(huán)境。隨著海洋石油開采不斷向超深水發(fā)展，隔水管長度的增加導致鉆井液壓力急劇增大，隔水管接頭密封設計與有限元分析越來越受到作業(yè)人員的重視。
國外對隔水管接頭節(jié)流壓井管線密封及失效形式展開了研究，提出了隔水管接頭密封失效的修復方案，陳國定等進行了密封圈的有限元分析。雖然在其他領域針對密封有限元分析有較多的研究，但專門針對隔水管接頭的密封有限元分析卻極少。筆者以隔水管接頭主管和輔助管線密封圈為研究對象，進行隔水管接頭的密封有限元分析，研究隔水管接頭的密封性能，探討工作壓力對接頭密封的影響。隔水管接頭主管Y形密封圈和輔助管線雙彈性體密封圈的內圈均為橡膠材料，雙彈性體密封圈的外圈一般為比橡膠稍硬的高分子聚合物。橡膠材料的應力應變關系極為復雜，非線性特征明顯。Abaqus超彈性本構模型，Mooneylivlin模型適合于模擬中小應變的橡膠材料力學行為。在該模型中，通過附加體積約束能量項，得到修正應變能函數，利用該修正的函數將原來的體積約束變分問題轉化為無條件變分問題。
上、下法蘭之間嵌有密封襯套，在襯套和法蘭之間設置密封圈防止鉆井液泄漏。通常在密封襯套的上、下端各設置2對密封，并將密封圈的開口側朝向需要承受鉆井液壓力的一側。密封襯套的外部末端直徑較小，中心直徑較大，因此裝配很方便，相對于法蘭體容易更換，將容易損壞的結構如密封圈溝槽設置在襯套上，當密封溝槽損壞時只需更換襯套。
Y形密封圈是隔水管接頭主管常用的一種密封圈形式。Y形密封圈依靠其張開的唇邊貼于密封副藕合面。無內壓時，僅僅因唇尖的變形而產生很小的接觸應力。在密封的情況下，與密封介質接觸的每一點上均有與介質壓力相等的法向壓力，接觸應力增加。當內壓再升高時，接觸應力的分布形式和大小進一步改變，唇部與密封面配合更緊密，所以密封性更好，這就是Y形圈的自封作用。
節(jié)流和壓井管線采用雙彈性體密封圈來實現密封，是U形密封圈內嵌入1個。形圈而形成的特殊的密封圈。這種密封圈使用彈性模量大、摩擦因數小的高分子聚合物作為密封圈外圈材料，在外圈中間嵌入橡膠材質的U形密封圈，靠U形圈被擠壓的彈性勢能來保持密封所需要的接觸應力。在內壓的作用下，U形圈產生較大的壓縮變形，提供給外密封圈足夠的密封接觸應力，并對外密封圈的磨損起補償作用。
由于載荷和結構的對稱性，密封圈問題屬于軸對稱問題，所以可以把對密封圈的研究由三維問題變成二維問題。建立計算模型時，選取密封襯套、法蘭體和密封圈進行研究。建模過程中，由于密封襯套和法蘭體的剛度是橡膠的幾萬倍，所以不考慮其變形，作為剛體考慮。為了進一步簡化模型，剛體均用線代表平面。建模過程中省略了部分密封襯套和法蘭材料，這并不影響計算分析，因為密封圈的失效主要發(fā)生在接觸面上。對于靜密封，當工作壓力超過32 MPa時，應考慮在低壓側設置密封擋圈。
分析中橡膠材質采用近似不可壓縮彈性材料的Mooneylirlin模型，和材料的應變能偏量部分有關的2個材料常數C1和C，分別為1.514和0.473，Y形圈密封模型包含3類接觸：密封圈和法蘭內表面之間的接觸；密封圈和密封溝槽的側面之間的接觸；密封圈和密封溝槽底部的接觸。輔助管線密封模型包含4類接觸：密封圈外圈和法蘭內表面之間的接觸，密封圈外圈和密封溝槽側面之間的接觸，密封圈外圈和內圈之間的接觸。在有限元模型中，為了得到較好的網格，對密封圈進行了剖分，單元全部采用四節(jié)點四邊形單元，而密封襯套和法蘭則不劃分網格。
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