吳雨澤 龍連春 吳 奇 徐加軍 王錦程

(1.北京工業(yè)大學材料與制造學部 2.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司勝利采油廠)

0 引 言

隨著油田開采進入中后期，礦化度和含水體積分數(shù)不斷提升，導致腐蝕性離子濃度增加，傳統(tǒng)單一的碳鋼管線很難阻擋腐蝕性離子的侵蝕破壞，而采用非金屬內(nèi)襯技術(shù)可大大提升注水管線的防腐性能。于友坤[1]對接箍連接含內(nèi)襯復合管線進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，解決了接箍中間存在空隙問題，形成了連續(xù)的抗防腐層。孫貴杰等[2]介紹了高密度聚乙烯內(nèi)襯在修復管道中的應(yīng)用流程。葛鵬莉等[3]介紹了高密度聚乙烯(HDPE)內(nèi)襯修復管道技術(shù)，解決了管線頻繁穿孔的問題。王建輝[4]采用特殊工藝將HDPE或超高分子量聚乙烯(UHMWPE)內(nèi)襯襯入油管內(nèi)部，解決了鋼管和內(nèi)襯管夾層進水的問題。樊學華等[5]詳細介紹了HDPE內(nèi)襯在油氣管道上的應(yīng)用與設(shè)計，為復合管線工程應(yīng)用提供參考。

高壓注水狀態(tài)下可能導致復合管線內(nèi)襯開裂、連接件失效等問題。近年來，國內(nèi)外學者基于有限元方法對不同結(jié)構(gòu)管線多種流固耦合現(xiàn)象引起的力學響應(yīng)進行了較深入研究。B.SREEJITH等[6]提出了一種基于流固耦合影響的流體運動方程，研究了關(guān)閥狀態(tài)下高速高壓流體對管道力學特性的影響。喻萌[7]基于有限元算法，模擬了輸流管道在不同約束條件下的動力學響應(yīng)。謝安桓等[8]建立了液壓管道的流固耦合振動模型，考慮管內(nèi)非恒定阻抗的影響，研究了流體不同脈動頻率對輸液管道振動的影響規(guī)律。俞樹榮等[9]研究了不同參數(shù)、不穩(wěn)定輸水壓力下彎管的流固耦合特性。M.DAHMANE等[10]研究了不同物理參數(shù)和幾何參數(shù)下管道的單向流固耦合問題。謝翠麗等[11]針對氣液兩相流引起的輸流管道破壞，對L形彎管氣液兩相內(nèi)流致振的流固耦合進行了數(shù)值模擬，為海上管路振動問題提供了解決方案。趙江等[12]基于雙向流固耦合方法，研究了流體速度和壓力等參數(shù)對管道振動頻率的影響。楊思齊等[13]考慮彎管部位沖蝕嚴重，基于RANS方法對高壓彎管固液兩相流動及流固耦合效應(yīng)進行了仿真分析，得到支撐劑質(zhì)量濃度、流速等因素對彎管剪應(yīng)力大小及變形的影響規(guī)律。王麗娟等[14]基于流固耦合理論，研究了不同流速、壓力等參數(shù)下埋地管道的動態(tài)響應(yīng)。顧繼俊等[15]建立了兩相流緩波形立管的流固耦合模型，研究了不同工況下管道的振動規(guī)律。

管道振動疲勞壽命方面，主要集中為機械振動和壓力脈動引起的疲勞破壞。黃小光等[16]基于Miner線性累積損傷理論，研究了水流沖擊下海底管道的疲勞損傷，得到了管道疲勞壽命的數(shù)學表達式。李星等[17]研究了不穩(wěn)定壓力下管道的疲勞壽命。向敏等[18]基于有限元算法，對水流沖擊下的油氣管道進行了安全性評估。尹曉文等[19]考慮管內(nèi)流固耦合，基于有限元分析方法，研究了不同流速下高壓管道系統(tǒng)的疲勞壽命。ZHU L.等[20]基于ANSYS Workbench軟件對船舶充液管道的隨機振動和流固耦合振動聯(lián)合激勵下的疲勞壽命進行了分析。QI Z.P.等[21]基于Walker理論建立了基于應(yīng)力的數(shù)值模型，預測了多載荷下PE材料的疲勞壽命。M.AMJADI等[22-24]通過試驗及疲勞理論模型得到了平均應(yīng)力、溫度等對HDPE疲勞壽命的影響。黃朝煒等[25]提出河流沖擊裸露段管道安全評估方法，基于有限元算法，對水動力下管線的疲勞壽命進行預測。

綜上，前期研究工作主要集中于無內(nèi)襯單一材料管線的各種流固耦合現(xiàn)象及動力學響應(yīng)分析，本文針對含內(nèi)襯復合管線在實際應(yīng)用過程中存在的內(nèi)襯材料選擇、內(nèi)襯厚度確定、管線連接處內(nèi)襯結(jié)構(gòu)選擇以及水錘沖擊下管線的疲勞壽命進行了研究，研究結(jié)果可為干線大口徑高壓復合管線的連接設(shè)計及工程應(yīng)用提供參考。

1 內(nèi)襯材料選取

為延長油田高壓注水管線使用壽命，將抗腐蝕性良好的內(nèi)襯襯管嵌入到金屬管道中形成復合管道。內(nèi)襯材料的選取需要考慮材料的力學性能、工藝性能、親水親油性能以及經(jīng)濟性等。目前常用的內(nèi)襯材料包括聚乙烯(LDPE)、HDPE、聚酮樹脂(POK)和UHMWPE等。表1對比了4種常用內(nèi)襯材料的性能。

表1 4種內(nèi)襯管材性能對比Table 1 Performance comparison of four kinds of lined pipes

由表1可以得出：LDPE屈服強度較低且耐熱老化性能較差，不適合在高壓管道鋪設(shè)；POK具有較高的強度，但硬度大不易將其嵌入到管道內(nèi)，且彈性較差不易回彈，與外鋼管貼附性較差；HDPE和UHMWPE具有較好的結(jié)構(gòu)特性和力學特性，更適合作為高壓管道內(nèi)襯材料。

2 法蘭連接內(nèi)襯設(shè)計

2.1 內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計

工程應(yīng)用中，鋼塑復合管線主要存在內(nèi)襯管和鋼管連接處滲水腐蝕問題，水內(nèi)含有大量的腐蝕性離子，如果內(nèi)襯連接處密封不緊密，將會導致連接件及整體管線的腐蝕破壞，失去內(nèi)襯防腐意義。針對此問題，本文設(shè)計了6種含內(nèi)襯復合管線法蘭連接方案(見圖1)。整體管線主要由外鋼管、帶頸對焊鋼法蘭、內(nèi)襯襯管、聚四氟乙烯密封環(huán)/盤、限位環(huán)和緊固件等組成。

1—帶頸對焊平法蘭；2—翻邊內(nèi)襯；3—螺栓緊固件；4—限位環(huán)；5—帶頸對焊凹法蘭；6—聚四氟乙烯密封環(huán)；7—帶頸對焊凹凸法蘭；8—不翻邊內(nèi)襯；9—聚四氟乙烯密封盤。圖1 法蘭連接處內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.1 Lining structure design of flange connection

選用具有高強度且適用于高壓場合的帶頸對焊法蘭，本設(shè)計中法蘭密封面包括平面和凹凸面。

內(nèi)襯材料優(yōu)先選用UHMWPE或HDPE，采用等徑壓縮技術(shù)將外徑稍大于鋼管內(nèi)徑的內(nèi)襯嵌入管內(nèi)。依據(jù)自身回彈性特點或者采用加內(nèi)壓的方法使內(nèi)襯管恢復到原來的狀態(tài)，恢復后的內(nèi)襯管與管道內(nèi)壁貼合。設(shè)計方案中復合管線連接部位內(nèi)襯形式包括2種：一是對內(nèi)襯管進行翻邊處理，制成法蘭形狀，將其同鋼法蘭連接面緊緊貼合，形成復合法蘭；二是內(nèi)襯不進行翻邊，在連接部位預留出2～5 mm，將內(nèi)襯同密封件通過螺栓預緊力進行壓緊，防止漏液。

采用聚四氟乙烯作為連接處的密封材料，本設(shè)計中主要將其制成聚四氟乙烯密封環(huán)/盤。

一端焊接在法蘭上，限位環(huán)高度應(yīng)小于兩個翻邊內(nèi)襯厚度，保證在預緊力的作用下先壓縮內(nèi)襯，密封后再同限位環(huán)另一端壓緊，內(nèi)徑較翻邊內(nèi)襯外徑大2～3 mm。限位環(huán)主要起定位和鎖緊作用。

緊固件采用普通鋼螺栓。

2.2 內(nèi)襯壁厚確定

油田采用高壓注水，復合管道內(nèi)部不含氣體，不同口徑復合管線內(nèi)襯襯管厚度依據(jù)抗軸向和徑向凹陷準則進行設(shè)計計算[5]。以干線大口徑注水鋼管為例，選用外徑分別為168和245 mm，壁厚分別為13和18 mm的鋼管，計算2種口徑復合管線的最優(yōu)內(nèi)襯壁厚。

含內(nèi)襯復合管線內(nèi)部徑向抗凹陷應(yīng)力pcrs由式(1)確定，pcrs≥0.15 MPa。

(1)

式中：E為5%應(yīng)變時內(nèi)襯材料的切線模量，UHMWPE取400 MPa，HDPE取450 MPa；μ為內(nèi)襯材料的泊松比，UHMWPE取0.46，HDPE取0.38；S為徑厚比，即內(nèi)襯材料管外徑/壁厚；f為內(nèi)襯管缺陷指數(shù)。

(2)

式中：H為內(nèi)襯缺陷尺寸，取2 mm；d為外鋼管內(nèi)徑，分別為142和209 mm。

由式(1)和式(2)計算得到：?168 mm復合管，內(nèi)襯為UHMWPE的徑厚比S≤38.57，內(nèi)襯為HDPE的徑厚比S≤39.22；?245 mm復合管，內(nèi)襯為UHMWPE的徑厚比S≤39.41，內(nèi)襯為HDPE的徑厚比S≤40.01。

含內(nèi)襯復合管線內(nèi)部軸向抗凹陷系數(shù)ξcrs由式(3)確定，ξcrs≤ξaxSF。

(3)

其中：

(4)

(5)

式中：ζax為軸向應(yīng)變；α為內(nèi)襯材料的熱膨脹系數(shù)，UHMWPE取150×10-6℃-1，HDPE取120×10-6℃-1；ΔT為工作溫度與環(huán)境溫度差值的絕對值，取ΔT=45 ℃；Rb為內(nèi)襯管不產(chǎn)生裂紋時的最小彎曲半徑，取40 mm；SF為單向水下的安全系數(shù)，取1.5。

由式(3)～式(5)計算得到：?168 mm復合管，內(nèi)襯為UHMWPE的徑厚比S≤58.66，內(nèi)襯為HDPE的徑厚比S≤67.14；?245 mm復合管，內(nèi)襯為UHMWPE的徑厚比S≤72.10，內(nèi)襯為HDPE的徑厚比S≤83.17。

綜上，取?168 mm復合管，內(nèi)襯為UHMWPE的徑厚比S≤38.57，內(nèi)襯為HDPE的徑厚比S≤39.22；?245 mm復合管，內(nèi)襯為UHMWPE的徑厚比S≤39.41，內(nèi)襯為HDPE的徑厚比S≤40.01。

考慮管道由于外界因素可能產(chǎn)生形變，為減小變形量，一般保證徑厚比S值在26～32之間，這里取S為26，得到?168和?245 mm 2種口徑復合管線的內(nèi)襯壁厚分別為4.4～5.5 mm和6.5～8.0 mm。最終取?168 mm管線內(nèi)襯厚度為5 mm，?245 mm管線內(nèi)襯厚度為7 mm。

3 數(shù)值模擬

3.1 有限元模型

為減少計算量提高計算效率，取管線入口段進行流固耦合分析，建立管道長度2 m，鋼管外徑分別為168和245 mm，內(nèi)徑分別為142和209 mm，內(nèi)襯襯管厚度分別為5和7 mm的復合管線有限元模型。

在ANSYS Workbench中建立不同連接方式復合管線的有限元模型，流體域和固體域均使用軟件自帶的Mesh進行網(wǎng)格劃分(見圖2)。

圖2 復合管線有限元模型Fig.2 Finite element model of composite pipeline

3.2 載荷及邊界條件

2種復合管線均采用流量400 m3/d進行注水，左端為壓力入口，右端為壓力出口。?168 mm管線入口壓力為16 MPa，出口壓力為15.999 890 MPa；?245 mm管線入口壓力為16 MPa，出口壓力為15.999 978 MPa。

管線一端固定，另一端限制周向以及徑向位移，軸向自由；螺栓孔處施加螺栓預緊力，分別為117 kN(?168 mm管線)和235 kN(?245 mm管線)。

3.3 模擬結(jié)果分析

對2種復合管線及2種內(nèi)襯材料組成的6種結(jié)構(gòu)方案進行了有限元仿真計算，得到了在相同約束條件及注水壓力下整體管線及各個零件的應(yīng)力分布，整理2種口徑復合管線6種方案應(yīng)力，結(jié)果見表2和表3。以內(nèi)襯材料UHMWPE、?168 mm管線方案五為例，得到各零件的應(yīng)力分布云圖，如圖3所示。

表2 內(nèi)襯為HDPE有限元結(jié)果對比分析 MPaTable 2 Comparative analysis of finite element results of HDPE(high-density polyethylene)lining MPa

表3 內(nèi)襯為UHMWPE有限元結(jié)果對比分析 MPaTable 3 Comparative analysis of finite element results of UHMWPE lining MPa

圖3 ?168 mm復合管線等效應(yīng)力分布圖Fig.3 Equivalent stress distribution diagram of Φ168 mm composite pipeline

對比表2和表3中不同方案應(yīng)力結(jié)果可得，6種連接方式整體復合管線最大應(yīng)力均在螺栓連接處，內(nèi)襯連接處振動破壞最為嚴重。以?168 mm復合管線、內(nèi)襯為UHMWPE為例，最大注水壓力16 MPa時，6種方案連接處內(nèi)襯最大應(yīng)力分別為22.76、38.16、61.25、27.93、22.56和15.05 MPa。除方案一外，聚四氟乙烯密封墊最大應(yīng)力分別為38.75、15.49、53.66、28.58和21.00 MPa，在其余部件應(yīng)力滿足強度要求的基礎(chǔ)上，保證內(nèi)襯和密封墊最大應(yīng)力遠低于材料的屈服極限。因此，方案一、方案五和方案六中所有部件均符合要求。且2種內(nèi)襯材料復合管線的應(yīng)力結(jié)果相差較小，但UHMWPE內(nèi)襯具有更好的抗壓強度、耐開裂以及耐疲勞性，可作為優(yōu)選內(nèi)襯材料。

在實際工程應(yīng)用中，方案六未對內(nèi)襯襯管采取翻邊處理，隨著注水壓力及溫度的變化，內(nèi)襯管會相應(yīng)地收縮或伸長，導致連接處流體泄漏，失去了內(nèi)襯防腐的意義。高壓注水下連接處最易產(chǎn)生振動滑移，對比方案一和方案五，方案一連接接觸面少，在限位環(huán)的保護下，內(nèi)襯被鎖緊，具有較強的密封性及可靠性。所以優(yōu)選方案一作為大口徑管線的連接方式。

4 水錘沖擊下注水管線疲勞壽命分析

在高壓管道中，由于水泵工作突然停止，管內(nèi)流速發(fā)生了改變，導致管道內(nèi)壓力突然升或降，這種壓力的瞬間波動稱為水錘。水錘現(xiàn)象會引起復合管線振動，造成管線在連接處破裂。本節(jié)采用數(shù)值模擬方法模擬突然停機水錘過程中流體的壓力變化及復合管線的疲勞壽命。

4.1 模擬工況選擇

基于單向流固耦合分析，研究脈沖(開關(guān)機)下管道內(nèi)壓力的變化情況及連接處內(nèi)襯最大應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律，編寫UDF控制文件，將入口端壓力設(shè)置為式(6)的正弦脈動。

p=a+bsin(4πt-π/2)

(6)

其中a、b均為8 MPa，研究管道注水入口壓力變化幅度為0～16 MPa。設(shè)置關(guān)機水錘周期為0.5 s，水錘壓力變化時間為1.0 s。

4.2 管內(nèi)流場壓力分析

設(shè)定停機水錘模擬時間為1.0 s，對計算結(jié)果分10步進行數(shù)據(jù)采集，得到流場每經(jīng)過0.1 s復合管線內(nèi)壓力的變化,如圖4所示。由于水錘效應(yīng)影響，管線內(nèi)部還存在負壓，圖4上方為注水管道入口。

圖4 流體流場0.6 s內(nèi)壓力分布云圖Fig.4 Cloud chart of pressure distribution of fluid field in 0.6 s

由圖4可得：在0.2 s時，管線入口處的壓力達到最大，隨著時間周期變化；在0.3 s時，管內(nèi)流體入口的壓力已經(jīng)小于流體出口的壓力，表明在0.2～0.3 s之間，管內(nèi)流體壓力最大值已經(jīng)過分析管段，管內(nèi)壓力出現(xiàn)下降趨勢；0.5 s時管內(nèi)流體壓力達到最小值；0.6 s時開始新的周期，且流體壓力變化同前一個周期變化基本一致。

4.3 注水管道疲勞壽命預測

連接件處內(nèi)襯應(yīng)力最大，最容易疲勞破壞。針對擬選用的法蘭連接方式，注水流量為400 m3/d時，?168 mm復合管線方案一計算得到內(nèi)襯的最大應(yīng)力為22.76 MPa；?245 mm復合管線方案一計算得到內(nèi)襯的最大應(yīng)力為21.98 MPa。2種管線最大應(yīng)力位置均分布在翻邊法蘭邊緣處。

設(shè)入口壓力在0～16 MPa間脈動周期變化，根據(jù)中間計算點插值擬合得到最大應(yīng)力的變化情況，再結(jié)合脈動頻率與假設(shè)函數(shù)形態(tài)，即可得到最大應(yīng)力隨時間的歷程曲線。以?168 mm復合管線為例，得到方案一連接處應(yīng)力變化曲線，如圖5所示。

圖5 連接處最大應(yīng)力隨時間變化曲線圖Fig.5 Change curve of maximum stress at the connection with time

當UHMWPE內(nèi)襯承受中等應(yīng)力作用，材料經(jīng)歷微裂紋形核萌生、慢速主裂紋擴展(SCG)，最終而發(fā)生準脆性失效。這是注水管線的實際服役情況。基于Walker疲勞壽命模型，應(yīng)力作用下UHMWPE材料的疲勞壽命計算見下式。

(7)

(8)

前述壽命計算模型是以室溫試驗條件得到的數(shù)據(jù)進行推導建立的，而對于油田地面注水管線，其工作溫度跟隨季節(jié)變化，溫度范圍為0～75 ℃。然而隨著溫度的不斷變化UHMWPE材料的力學性能會受影響。為此，提出一個溫度折減系數(shù)δT，用于等效估算溫度達到75 ℃時UHMWPE材料的循環(huán)次數(shù)Nf75。δT的取值以美國孟菲斯大學研究結(jié)果作為依據(jù)[22-24]，M.AMJADI等學者給出了PE材料在82 ℃時的疲勞壽命，與本文工況溫度相接近，最終選取折減系數(shù)δT值為0.025 87。

最終得到復雜應(yīng)力作用下UHMWPE的疲勞壽命Nf的計算方程：

(9)

在持續(xù)性交變應(yīng)力作用下，注水管道容易發(fā)生疲勞失效，致使管道破裂和損壞。?168和?245 mm管線法蘭連接方案一的疲勞壽命分別為開關(guān)機600次和476次。對于水錘沖擊來說，可以通過在柱塞泵出口位置增加泄壓閥門的方式，讓水錘沖擊產(chǎn)生的壓力值釋放一部分，從而達到保護管道的目的。

5 結(jié) 論

(1)綜合4種材料力學性能，超高分子量聚乙烯具有較高的抗內(nèi)壓強度和高耐磨性，與鋼管形成鋼襯復合管，大大減小了管道的摩擦因數(shù)，在單一鋼管承壓能力的基礎(chǔ)上，使管線內(nèi)部壓力分布更加均勻，提高了管道的整體性能，適合作為高壓注水管道內(nèi)襯材料。

(2)基于復合管線內(nèi)部軸徑向抗凹陷設(shè)計準則，為內(nèi)襯管壁厚設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)和依據(jù)，對單向水復合管線徑厚比S通用。

(3)設(shè)計了6種法蘭連接復合管線內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，建立了流固耦合分析模型，實現(xiàn)流固耦合分析并優(yōu)選連接方式，有效地解決了內(nèi)襯管和鋼管連接處滲水腐蝕問題，設(shè)計分析結(jié)果可為復合管線在工程應(yīng)用提供參考。

(4)考慮關(guān)機水錘效應(yīng)，基于Walker方法及疲勞損傷理論，獲得停機水錘下內(nèi)襯最大應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律，并對復合管線的疲勞壽命進行了預測，可為頻繁停機復合管線安全性評估提供參考。