陳俊文 張 倩 諶貴宇 曾 旸 任啟瑞 陳 慶

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司,四川 成都 6100412.中國(guó)石油天然氣股份有限公司管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部,北京 100101

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集輸管道絕緣接頭強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法研究

陳俊文1張 倩2諶貴宇1曾 旸1任啟瑞1陳 慶1

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司,四川 成都 6100412.中國(guó)石油天然氣股份有限公司管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部,北京 100101

絕緣接頭作為陰極保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵組件,其安全性與可靠性的研究在不斷深入。由于集輸系統(tǒng)高溫、高壓的特點(diǎn),絕緣接頭必然承受由于內(nèi)壓和熱脹等導(dǎo)致的彎矩,加之其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可能會(huì)引起泄漏。為此,有必要綜合考慮工況條件,研究絕緣接頭可承受的安全彎矩值,并形成基于強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方法。根據(jù)規(guī)范要求,結(jié)合管道強(qiáng)度理論,推導(dǎo)了絕緣接頭承受彎矩范圍的計(jì)算公式,提出了對(duì)應(yīng)的絕緣接頭強(qiáng)度校核與設(shè)計(jì)彎矩值選取方法；研究成果為絕緣接頭安全設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核提供了參考與借鑒。

絕緣接頭;集輸系統(tǒng);強(qiáng)度校核;設(shè)計(jì)彎矩

0 前言

在油氣田地面工程中,絕緣接頭是最常用的一種電絕緣設(shè)備,用于分隔場(chǎng)站、線路及單體穿越等系統(tǒng)。絕緣接頭同時(shí)具備埋地鋼制管道要求的密封性能和電化學(xué)保護(hù)工程所要求的電絕緣性能。結(jié)構(gòu)上主要包括一對(duì)鋼質(zhì)凸緣法蘭、勾圈及密封件[1]。隨著油氣田開發(fā)日益加速,高溫、高壓氣田數(shù)量與日俱增,同時(shí)也帶來了因一次應(yīng)力和二次應(yīng)力對(duì)管道(管系)應(yīng)力水平增高的問題[2-5]。基于絕緣接頭的構(gòu)造特點(diǎn),相比抗拉或抗壓能力,其承受彎矩的能力相對(duì)有限;絕緣接頭通常安裝在站內(nèi)邊界,連接站外管道,因此直接承受所連管道傳遞的熱位移引起的推力或彎矩;若油氣田生產(chǎn)運(yùn)行中絕緣接頭所受彎矩值超過其耐受極限(設(shè)計(jì)彎矩值),則可能出現(xiàn)泄漏或更嚴(yán)重的問題。目前,部分學(xué)者針對(duì)絕緣接頭的結(jié)構(gòu)形式和強(qiáng)度問題,開展了大量泄漏誘因分析及綜合受力的計(jì)算研究[6-13],主要包括絕緣接頭密封性能研究、受力分析及性能失效等幾類問題,在一定程度上揭示了絕緣接頭事故的根源,推動(dòng)了絕緣接頭相關(guān)科研工作。理論上,確定絕緣接頭是否存在泄漏風(fēng)險(xiǎn),需通過對(duì)比各種運(yùn)行工況下絕緣接頭可能出現(xiàn)的最大彎矩值和設(shè)計(jì)彎矩值(最大允許彎矩值),以判斷評(píng)估絕緣接頭的泄漏可能性。目前,鮮有對(duì)絕緣接頭設(shè)計(jì)彎矩值的報(bào)道,一旦廠家無法提供絕緣接頭的設(shè)計(jì)彎矩值,將對(duì)絕緣接頭強(qiáng)度校核與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估帶來困難,故有必要研究一套評(píng)估絕緣接頭設(shè)計(jì)彎矩值的方法。為此,本文基于行業(yè)規(guī)范要求,結(jié)合管道強(qiáng)度分析理論,探索性地推導(dǎo)絕緣接頭設(shè)計(jì)彎矩值計(jì)算公式,并基于公式變量參數(shù),提出絕緣接頭安全性的評(píng)價(jià)方法。

1 絕緣接頭設(shè)計(jì)彎矩值計(jì)算推導(dǎo)

1)絕緣接頭為合格產(chǎn)品,材質(zhì)及尺寸滿足設(shè)計(jì)要求數(shù)值。

2)下述推導(dǎo)過程為理論計(jì)算,絕緣接頭廠家若能提供設(shè)計(jì)彎矩值(最大允許彎矩值),則以廠家提供的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

根據(jù)ASME B 31.8《Gas Transmission and Distribution Piping Systems》規(guī)定,受約束管道的軸向應(yīng)力由溫差、泊松效應(yīng)和彎曲引起,可表示為(應(yīng)力符號(hào)約定受拉為正,受壓為負(fù)):

SL=SP+ST+SX+SB

(1)

式中:SP為由內(nèi)壓引起的軸向應(yīng)力,MPa;ST為由溫度引起的軸向應(yīng)力,MPa;SX為由其他軸向荷載引起的軸向應(yīng)力,MPa;SB為由彎曲引起的軸向應(yīng)力,MPa。

由內(nèi)壓引起的軸向應(yīng)力為:

SP=0.3SH

(2)

(3)

式中:SH為環(huán)向應(yīng)力,MPa;P為管道內(nèi)壓力,MPa;D為管道外徑,mm;t為管道壁厚,mm。

由溫度引起的軸向應(yīng)力為:

ST=αE(T1-T2)

(4)

式中:α為管道熱膨脹系數(shù),1/℃;T1為管道安裝溫度,℃;T2為管道操作溫度,℃;E為鋼管彈性模量,MPa。

由彎曲產(chǎn)生的軸向應(yīng)力為:

(5)

(6)

式中:M為管道所受力矩,N·m;Wz為抗彎截面模量,m3;Do為管道外徑,m;Di為管道內(nèi)徑,m。

根據(jù)管道彎曲受力規(guī)律,彎曲過程中,外側(cè)受拉,內(nèi)側(cè)受壓[19]。因此,管道的軸向應(yīng)力計(jì)算式應(yīng)有區(qū)分并分別表示彎曲管道外側(cè)和內(nèi)側(cè)的受力情況,如下式:

(7)

式中:μ為泊松比。

由式(7)可推導(dǎo)保證絕緣接頭強(qiáng)度安全情況下的管道軸向應(yīng)力判別式:

(8)

另外,進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)[20],由于施工安排在死口焊接后進(jìn)行,且試壓介質(zhì)能夠與大氣充分換熱,其溫度接近死口焊接時(shí)的環(huán)境溫度,即可忽略溫度應(yīng)力的影響;停輸工況下,介質(zhì)經(jīng)過長(zhǎng)期與環(huán)境熱交換,停輸后溫度也可能趨于接近安裝溫度,此類工況產(chǎn)生的最大彎矩值需滿足:

(9)

2 絕緣接頭設(shè)計(jì)彎矩值選取

根據(jù)推導(dǎo)的管道最大允許彎矩值計(jì)算式(8)～(9)(在數(shù)值上與絕緣接頭設(shè)計(jì)彎矩值一致),需進(jìn)一步明確公式中總軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的符號(hào),探討極限條件值,以選取絕緣接頭設(shè)計(jì)彎矩值。

一般情況下,在錨固管道中,由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向應(yīng)力使管道受拉,符號(hào)為正;由溫度差產(chǎn)生的軸向應(yīng)力可使管道受拉或受壓(操作溫度大于安裝溫度時(shí),溫差產(chǎn)生的軸向應(yīng)力使管道受壓,符號(hào)為負(fù);反之為正);彎曲管道外側(cè)受拉,符號(hào)為正,內(nèi)側(cè)受壓,符號(hào)為負(fù)。

(10)

由于內(nèi)壓引起的軸向應(yīng)力一般為正,溫差引起的軸向應(yīng)力與操作溫度和安裝溫度相關(guān),則對(duì)管道最大允許彎矩值的討論需細(xì)分:

1)若操作溫度T2低于安裝溫度T1,則溫差應(yīng)力使管道受拉,與內(nèi)壓應(yīng)力方向一致,最大允許彎矩值應(yīng)滿足:

(11)

此時(shí),應(yīng)考慮彎曲管道外側(cè)拉力為推算最大彎矩的約束條件。

2)若操作溫度T2高于安裝溫度T1,則溫差應(yīng)力使管道受壓,與內(nèi)壓應(yīng)力方向一致,但溫度應(yīng)力的絕對(duì)值小于內(nèi)壓應(yīng)力,最大彎矩應(yīng)滿足:

(12)

此時(shí),應(yīng)考慮外側(cè)拉力為推算最大允許彎矩值的約束條件。

3)若操作溫度T2高于安裝溫度T1,則溫差應(yīng)力使管道受壓,與內(nèi)壓應(yīng)力方向一致,但溫度應(yīng)力的絕對(duì)值大于內(nèi)壓應(yīng)力,最大允許彎矩值應(yīng)滿足:

(13)

此時(shí),應(yīng)考慮內(nèi)側(cè)壓力為推算最大彎矩的約束條件。

另外,由于操作溫度T2一般隨工況改變而變化,故應(yīng)充分考慮不同工況下操作溫度對(duì)最大彎矩計(jì)算的影響。例如,停輸工況下,操作溫度T2必然會(huì)逐漸接近安裝溫度T1。

因此,需考慮上述條件,分別計(jì)算各種工況下管道的可承受彎矩范圍,并最終選取最小值(安全值),作為該絕緣接頭在設(shè)計(jì)壓力工況下的設(shè)計(jì)彎矩值。

3 算例及分析

某集氣管道出站壓力14 MPa,管道材質(zhì)X 52 N,管道規(guī)格Φ 406.4 mm×16 mm。絕緣接頭為鍛件,兩端接管規(guī)格與管道材質(zhì)相同。管道最高操作溫度60 ℃,安裝溫度30 ℃(工況1)。出站為2處45°彎頭入地,15 m后接水平80°彎頭,向站外敷設(shè)。

根據(jù)式(8)～(13)可計(jì)算絕緣接頭最大彎矩值,初步計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 某管道允許彎曲應(yīng)力與彎矩(工況1)

項(xiàng)目允許彎矩值范圍/(t·m)允許彎曲應(yīng)力范圍/MPa停輸工況或試壓工況(不存在溫差應(yīng)力工況)-579.80～379.39-312.54～205.86正常工況(存在溫差應(yīng)力工況)-438.66～516.72-238.02～280.38

由表1可見,利用前述推導(dǎo)公式,計(jì)算可得允許彎曲應(yīng)力范圍。由于彎曲應(yīng)力在管道對(duì)稱點(diǎn)正負(fù)異號(hào),大小相等,故綜合工況選擇最大允許彎曲應(yīng)力時(shí),取絕對(duì)值最小的結(jié)果作為此絕緣接頭在額定壓力工況下的最大允許彎曲應(yīng)力。因此,滿足該工況設(shè)計(jì)壓力的絕緣接頭,最大允許彎曲應(yīng)力為205.86 MPa,對(duì)應(yīng)最大允許彎矩值為379.39 t·m。

另外,由式(2)、(4)可知,內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向應(yīng)力SP為53.3 MPa，溫差產(chǎn)生的軸向應(yīng)力ST為 -74.5 MPa,可見由于安裝溫度T1低于操作溫度T2,故運(yùn)行中的管道在熱膨脹作用下成受壓狀態(tài),表明存在溫差應(yīng)力,內(nèi)壓產(chǎn)生的管道受拉作用將一定程度弱化,在許用軸向應(yīng)力一定的情況下,允許最大彎曲應(yīng)力相應(yīng)升高,因此,存在溫差應(yīng)力的工況所對(duì)應(yīng)的最大允許彎曲應(yīng)力會(huì)大于不存在溫差應(yīng)力工況所對(duì)應(yīng)的最大允許彎曲應(yīng)力,這既說明考慮溫差應(yīng)力對(duì)最大彎曲應(yīng)力的影響是非常必要的,也提醒工程人員在安裝溫度低于操作溫度的運(yùn)行工況時(shí),應(yīng)進(jìn)一步計(jì)算停輸或試壓這類操作溫度接近安裝溫度的工況,以探尋出最安全的極端彎曲應(yīng)力。

結(jié)合推算所得的絕緣接頭設(shè)計(jì)彎矩值及彎曲應(yīng)力值,對(duì)比工況下計(jì)算的絕緣接頭實(shí)際彎矩值,可判斷絕緣接頭是否存在失穩(wěn)、失效的風(fēng)險(xiǎn)。

借助CAESARⅡ應(yīng)力分析軟件,將絕緣接頭視為剛體,并根據(jù)算例工況建立絕緣接頭受力模型,計(jì)算出運(yùn)行工況下絕緣接頭所受彎矩為10 t·m,此值遠(yuǎn)低于前文推算的設(shè)計(jì)彎矩值379.39 t·m。因此,可認(rèn)為此工況下,絕緣接頭具有較高的穩(wěn)定性。

為進(jìn)一步研究第2節(jié)中提及的溫度應(yīng)力對(duì)最大允許彎矩值選取問題,假設(shè)上述算例的安裝溫度T1為60 ℃,操作溫度T2為30 ℃,其余參數(shù)設(shè)置不變(工況2)。對(duì)應(yīng)的絕緣接頭允許彎曲應(yīng)力和設(shè)計(jì)彎矩值計(jì)算結(jié)果列于表2。

由此可見,不存在溫差應(yīng)力時(shí),允許彎曲應(yīng)力大于存在溫差應(yīng)力的結(jié)果。這是由于操作溫度小于安裝溫度,進(jìn)而溫差應(yīng)力使管道受拉,與內(nèi)壓應(yīng)力方向相同導(dǎo)致的。因此,考慮存在溫差應(yīng)力的工況將獲得更保守的最大允許彎曲應(yīng)力和最大設(shè)計(jì)彎矩值。

表2 某管道允許彎曲應(yīng)力與彎矩(工況2)

項(xiàng)目允許彎矩值范圍/(t·m)允許彎曲應(yīng)力范圍/MPa停輸工況或試壓工況(不存在溫差應(yīng)力工況)-579.80～379.39-312.54～205.86正常工況(存在溫差應(yīng)力工況)-713.33～242.05-387.06～131.34

4 結(jié)論

1)根據(jù)絕緣接頭檢測(cè)規(guī)范,結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)軸向應(yīng)力的定義式,推導(dǎo)了絕緣接頭設(shè)計(jì)彎矩值計(jì)算公式。此計(jì)算式需根據(jù)設(shè)計(jì)工況判斷、選取合適的計(jì)算值作為絕緣接頭最大允許彎矩值。

2)通過CAESARⅡ應(yīng)力分析軟件，可計(jì)算特定工況下絕緣接頭的實(shí)際承受彎矩值,對(duì)比絕緣接頭最大設(shè)計(jì)彎矩值,可初步評(píng)估絕緣接頭的穩(wěn)定性及安全性。

3)絕緣接頭最大設(shè)計(jì)彎矩值隨工況變化而不同,廠家提供的彎矩實(shí)驗(yàn)值可能未考慮操作工況的溫差影響,因此分析絕緣接頭穩(wěn)定性時(shí),宜借助本文所推導(dǎo)公式進(jìn)行復(fù)核。

4)露空安裝的絕緣接頭,其附近管系可能存在附加位移。建議進(jìn)一步研究非約束狀態(tài)下絕緣接頭最大設(shè)計(jì)彎矩值計(jì)算方法,以形成更完整的絕緣接頭可靠性分析方法體系。

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2016-03-10

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司重點(diǎn)工程資助項(xiàng)目(Z 2011-15)

陳俊文(1987-)，男，四川成都人，工程師，碩士，主要從事天然氣儲(chǔ)運(yùn)研究與設(shè)計(jì)工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.004