荊 煬 孫寶財(cái) 張國強(qiáng)
(甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院)
玻璃鋼是玻璃纖維增強(qiáng)塑料(Fiberglass Reinforced Plastic,F(xiàn)RP)的簡稱,它是用玻璃纖維增強(qiáng)特定的樹脂而形成的復(fù)合材料, 具有材質(zhì)輕、耐腐蝕性強(qiáng)、內(nèi)表面光滑、摩阻系數(shù)低及傳熱系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于油田的集輸管道[1~4]。但是,玻璃鋼的集輸管道在使用過程中由于受到集輸系統(tǒng)壓力波動(dòng)、流體流動(dòng)導(dǎo)致的振動(dòng)及地溫等的影響,現(xiàn)場使用過程中容易出現(xiàn)螺紋脫扣現(xiàn)象[5,6]。 據(jù)相關(guān)資料顯示,油管失效事故易發(fā)生在每年季節(jié)交替之際, 且普遍發(fā)生在螺紋連接部位,嚴(yán)重影響油田作業(yè)的正常進(jìn)行,同時(shí)帶來額外的經(jīng)濟(jì)損失。 為此,筆者通過建立典型失效連接處的有限元模型,對(duì)玻璃鋼油管螺紋接頭處的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析, 以期提升玻璃鋼-鋼螺紋連接處的連接可靠性[7]。
通過查閱竣工資料、 材質(zhì)證明及運(yùn)維記錄等,并深入現(xiàn)場調(diào)查取證,初步判定玻璃鋼油管螺紋接頭處的失效模式,即季節(jié)性溫差引起地溫變化而導(dǎo)致玻璃鋼集輸管道螺紋連接部位脫扣失效。
玻璃鋼油管螺紋接頭處的脫扣失效是由季節(jié)性溫差引起地溫變化造成的。因此,必須掌握地溫隨季節(jié)性變化的規(guī)律。根據(jù)地下溫度的變化,地殼溫度通常劃分為4 個(gè)地溫帶:溫度日常變化帶,該地溫帶溫度受每天氣溫的影響,深度范圍在1~2 m;溫度季節(jié)變化帶,該地溫帶溫度受季節(jié)性氣溫的影響,深度范圍在15~30 m;恒溫帶,該地溫帶溫度通常以當(dāng)?shù)爻D昶骄孛鏈囟却妫?深度范圍在30 m 以下;增溫帶,該地溫帶溫度隨埋深的增加而升高,深度為恒溫帶以下的地層。
由于油田所用集輸管道敷設(shè)深度在2.0 m 左右,通過查閱全國凍土深度表獲悉當(dāng)?shù)貎鐾翆釉?.5 m,由此可斷定該油田所用玻璃鋼集輸管道敷設(shè)在溫度季節(jié)變化帶。 為了進(jìn)一步明確溫差對(duì)玻璃鋼油管螺紋接頭處作用的時(shí)間和強(qiáng)度,通過中國天氣網(wǎng)調(diào)閱了當(dāng)?shù)亟迥甑臍v史月平均氣溫情況。當(dāng)?shù)卦缕骄鶜鉁卦?~3 月份和10~12 月份間有明顯的氣溫交替性,平均氣溫交替基本在7 ℃左右。 這與油田現(xiàn)場工作人員反饋的在季節(jié)交替時(shí)頻發(fā)的油管螺紋接頭失效時(shí)間吻合,進(jìn)一步驗(yàn)證了失效模式判斷的正確性。
為了對(duì)季節(jié)性溫差引起地溫變化而導(dǎo)致的玻璃鋼集輸管道螺紋連接失效部位建模分析,結(jié)合玻璃鋼物性參數(shù)得到溫差引起的管道軸向應(yīng)力分布如圖1 所示。
圖1 溫差引起管道軸向應(yīng)力分布
由圖1 可知,月平均氣溫的變化在2~3 月份和10~12 月份引起的最大地溫變化值為-18 ℃,在管體產(chǎn)生5.91 MPa 的軸向拉應(yīng)力。
現(xiàn)場收集的失效螺紋接頭結(jié)構(gòu)及其尺寸如圖2 所示,按1∶1 建模,為提高計(jì)算效率截取整個(gè)模型周向的1/24 進(jìn)行分析[8~10]。 采用掃掠方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分,螺紋接頭有限元模型及其網(wǎng)格劃分如圖3 所示。
圖2 螺紋接頭結(jié)構(gòu)及其尺寸
圖3 螺紋接頭有限元模型及其網(wǎng)格劃分
軸向拉伸強(qiáng)度為12 MPa 時(shí), 玻璃鋼-玻璃鋼(B-B)梯形螺紋、玻璃鋼-鋼(B-G)梯形螺紋和玻璃鋼-鋼(B-G)矩形螺紋連接部位的最大米塞斯應(yīng)力和螺紋面最大接觸壓力分布云圖如圖4 所示。
圖4 不同形式螺紋連接部位應(yīng)力分布云圖
為了便于分析地溫變化引起管道螺紋連接部位產(chǎn)生的最大應(yīng)力, 通過多個(gè)載荷步加載,獲得了B-B 梯形螺紋、B-G 梯形螺紋和B-G 矩形螺紋連接部位最大米塞斯應(yīng)力和螺紋面最大接觸壓力分布曲線(圖5)。 由圖5 可知:B-B 梯形螺紋接頭,管道螺紋連接部位引起的最大米塞斯應(yīng)力為41 MPa;B-G 梯形螺紋接頭, 管道螺紋連接部位引起的最大米塞斯應(yīng)力為23 MPa;B-G 矩形螺紋接頭,管道螺紋連接部位引起的最大米塞斯應(yīng)力為53 MPa。這3 種螺紋連接部位的最大米塞斯應(yīng)力均小于玻璃鋼管材的軸向拉伸強(qiáng)度(70 Pa)。此時(shí),對(duì)于B-G 矩形螺紋接頭,在不計(jì)其他外部載荷與壓力的情況下,其螺紋連接部位的最大米塞斯應(yīng)力已接近玻璃鋼管材的強(qiáng)度極限。 因此,一旦有外力的擾動(dòng)(內(nèi)壓波動(dòng)或流體振動(dòng)),極易發(fā)生螺紋連接部位的脫扣失效。
圖5 不同形式螺紋連接部位應(yīng)力分布曲線
為防止B-G 螺紋接頭在季節(jié)交替時(shí)的脫扣失效,提出防護(hù)建議如下:
a. 敷設(shè)管道時(shí)應(yīng)給予一定的壓縮量——玻璃鋼管道每10 m 留出3 mm 的壓縮量;
b. 安裝B-G 螺紋接頭時(shí)一定要保證同軸度,以免因不對(duì)中而引起的螺紋損傷降低連接強(qiáng)度;
c. 對(duì)整個(gè)管系應(yīng)做好保溫舉措,以削弱地溫變化對(duì)管體產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力的影響。
通過分析季節(jié)性溫差造成地溫的變化和玻璃鋼油管螺紋接頭處的應(yīng)力, 確定了某油田所用玻璃鋼集輸管道玻璃鋼-鋼螺紋接頭的失效原因和強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié),并給出防止脫扣失效的合理建議,改善玻璃鋼螺紋連接力學(xué)性能提供理論依據(jù)。