摘 要：在水下连接系统中，密封圈是进行水下密封的常用的主要密封件.由于密封圈在深水环境下不仅需要克服内部高温高压油气的压力，还需要克服外部低温深水压力，因此难免会出现失效的情况。当这种情况发生时，会造成非常严重的后果。为了防止密封圈的失效，需要定期的进行密封圈的更换。而密封圈更换工具主要用于人类无法进行相关辅助工作的水深超过1000m的海底，能够在水下机器人ROV协助下完成密封圈拆卸更换工作，而避免将密封圈及整套连接器回收至陆地进行更换的过程，有效减少作业时间，节约更换成本，提高工作效率，保证工程质量。
关键词：密封圈；更换工具；节约成本；提高效率
在海洋工程应用中，金属密封圈由于其自身的材料特性和良好的机加工性能，经常被应用于密封领域。在水下管道连接器中经常被当做的主要密封件使用。其中，自紧式密封中一种常见类型是径向球面密封，金属球面密封在水下各类结构的连接中经常被作为主要的密封形式。由于复合式密封圈同时具备密封管道低温海水外压及高温油气内压的能力，在海洋工程领域的应用中，对于解决海洋工程的水下密封问题有很大帮助，因而被普遍应用于海洋工程的水下密封问题。但在深水环境下，由于密封圈不仅需要克服外部低温深水压力，还需要克服内部高温高压油气的压力，因此，不管密封圈选用何种材料，出现失效的情况在所难免。但是，每当密封圈失效时，将会发生泄漏事件，不仅会造成资源浪费还会造成环境污染危及海洋生物的生命等种种问题，并且不易补救，后果十分严重。因此，我们应当避免这种情况发生。为了防止密封圈的失效，最好的方法就是定期进行密封圈更换。将整个水下连接器从海底吊出，然后在陆上从连接器内将密封圈取出并进行更换是更换密封圈最直接的方法，但此种方法有个缺点，就是需要消耗大量的人力、物力、财力，经济性较差。同时，水下连接器一般在水深超过1000m的深水海域工作，在该水深下人类无法进行相关辅助工作。因此设计一种能够在水下实现密封圈更换任务的工具就显得尤为必要。为了解决这个问题，我们设计了针对此密封圈的深水水下更换工具，该工具能够在水下机器人ROV的协助下完成对密封圈的更换任务，而避免将密封圈及整套连接器收回至陆地进行更换过程，有效地减少了作业时间，节约了更换成本，提高了工作效率，从而保证了工程质量。本文主要对该密封圈更换工具的设计与工作过程进行介绍。
1 密封圈更换工具结构介绍
该应用于水下的密封圈更换工具外部结构如图1所示，包括一个ROV把手、工具基体、弹性环、保护环、挡板和沿周向分布的六个竖直卡销、卡销弹簧、水平弹销、弹销弹簧、支撑块等零部件。其中：ROV把手、弹性环、保护环、挡板等零部件均通过螺栓联接固定在工具基体上；工具基体沿周向均匀分布六个轴向和径向的圆孔，并且两个方向的圆孔不在同一截面上，而是错开一定距离；六个轴向和径向圆孔分别放置六个竖直卡销、卡销弹簧、水平弹销、弹销弹簧；支撑块通过螺钉连接在水平弹销末端。
图1 密封圈更换工具
1.ROV把手2.挡板3.工具基体4.弹性环
ROV把手由两个弯管与一个平板焊接而成，安装时两弯管插入基体侧面的两孔中，再通过螺钉在底部固定；弹性环、挡板、保护环都通过沿周向均匀分布的几个螺钉固定在工具基体上；由于其存在与下法兰和密封圈碰撞或碰撞的可能性，因此材料选为聚四氟乙烯，以避免对下法兰和密封圈造成损伤。竖直卡销和水平弹销外均套有弹簧，卡销弹簧放置在工具基体的轴向孔内，对竖直弹销的运动起到缓冲作用；弹销弹簧初始工作状态为压缩状态，起到为水平弹销弹出提供能量的作用。竖直卡销的末端和水平弹销中间部位分别设有凹槽，初始状态竖直卡销卡住水平弹销的凹槽，阻止其水平方向的弹出；竖直卡销垂直向下运动，当竖直卡销凹槽与水平弹销凹槽在同一水平位置时，水平弹销的运动不再受竖直卡销的阻碍，在弹销弹簧的回复力作用下沿水平方向弹回；竖直卡销的中部加工有导向槽，在竖直卡销向下运动过程中，该导向槽与在基体上固定的导向螺钉配合防止卡销运动过程的偏移。所述六个支撑块在周向通过螺钉连接在水平弹销上，共同支撑新密封圈。
2 密封圈更换过程
该密封圈更换工具的主要作用就是在人类无法进行相关辅助工作的深水海域进行密封圈的更换，该密封圈的工作过程为：
ROV操作连接器安装工具将上法兰提升至一定高度，上法兰依靠沿周向均匀分布的三个密封圈支撑弹销携带旧密封圈一同上升；待上法兰上升过程结束后，ROV机械手夹持ROV把手将携带有新密封圈的整个密封圈更换工具放置在下法兰上，放置时，密封圈更换工具底部的保护环被置于比其外轮廓尺寸略大的下法兰的沟槽中；挡板内径比下法兰外径略大，在放置过程中，起到一定的导向作用。
密封圈更换工具在未进行更换密封圈之前竖直卡销7依靠处于自由状态的卡销弹簧支撑在工具基体的竖直方向内孔中，弹销弹簧处于压缩状态，使得水平弹销有沿工具基体径向向外的的运动趋势，但由于水平弹销的凹槽卡在竖直卡销底部外轮廓上，使得水平弹销的运动受阻；周向分布的6个水平弹销末端连接的6个支撑块支撑着新密封圈。
密封圈更换工具的工作过程：ROV操作连接器安装工具将上法兰下落，下落过程中，上法兰底端的凸缘与竖直卡销接触，推动竖直卡销竖直向下运动，卡销弹簧在竖直卡销运动过程中起到一定的缓冲作用；当竖直卡销7向下运动至其上凹槽与水平弹销凹槽在同一水平位置时，水平弹销的运动不再受到竖直卡销的阻碍，在压缩状态下的弹销弹簧回复力的作用下沿工具基体径向向外弹出，带动与其末端连接的支撑块向外弹出，致使原本放置在个支撑块上的新密封圈垂直落入到下法兰上；与此同时，在上法兰下降过程中，弹性环插入到旧密封圈与密封圈支撑弹销形成的环形间隙中，下法兰继续下降，弹性环与密封圈支撑弹销接触，并推动密封圈支撑弹销沿上法兰径向向外运动，致使原本放置在3个密封圈支撑弹销上的旧密封圈垂直落入到工具基体上。最终，更换前上法兰携带的旧密封圈落入到密封圈更换工具中，密封圈更换工具携带的新密封圈落入到下法兰上。
ROV操作连接器安装工具再次提升下法兰至一定高度，ROV机械手夹持ROV把手将携带着旧密封圈的密封圈更换工具从下法兰上移除，至此完成了密封圈的更换工作。
在推动水平弹销运动过程中，弹簧受力满足：
其中：F：弹簧所受拉力；
k：弹簧弹性系数；
x：弹簧长度变化量。
图2 弹簧受力分析图
3 结论
本密封圈更换工具经过试验证明，完全可以在ROV的帮助下实现密封圈的水下更换，完全符合设计要求，这大大节省了更换密封圈的时间，对于提高效率，节约成本具有重要意义。
