集輸管道絕緣接頭強(qiáng)度評價方法研究

陳俊文 張 倩 諶貴宇 曾 旸 任啟瑞 陳 慶

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

?

集輸管道絕緣接頭強(qiáng)度評價方法研究

陳俊文1張 倩2諶貴宇1曾 旸1任啟瑞1陳 慶1

1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司,四川 成都 6100412.中國石油天然氣股份有限公司管道建設(shè)項目經(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,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,可能會引起泄漏。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)度的評價方法。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算公式,提出了對應(yīng)的絕緣接頭強(qiáng)度校核與設(shè)計彎矩值選取方法；研究成果為絕緣接頭安全設(shè)計與強(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,用于分隔場站、線路及單體穿越等系統(tǒng)。絕緣接頭同時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,同時也帶來了因一次應(yīng)力和二次應(yīng)力對管道(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,相比抗拉或抗壓能力,其承受彎矩的能力相對有限;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)運行中絕緣接頭所受彎矩值超過其耐受極限(設(shè)計彎矩值),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,需通過對比各種運行工況下絕緣接頭可能出現(xiàn)的最大彎矩值和設(shè)計彎矩值(最大允許彎矩值),以判斷評估絕緣接頭的泄漏可能性。目前,鮮有對絕緣接頭設(shè)計彎矩值的報道,一旦廠家無法提供絕緣接頭的設(shè)計彎矩值,將對絕緣接頭強(qiáng)度校核與風(fēng)險評估帶來困難,故有必要研究一套評估絕緣接頭設(shè)計彎矩值的方法。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)計彎矩值計算公式,并基于公式變量參數(shù),提出絕緣接頭安全性的評價方法。

1 絕緣接頭設(shè)計彎矩值計算推導(dǎo)

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

2)下述推導(dǎo)過程為理論計算,絕緣接頭廠家若能提供設(shè)計彎矩值(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)行水壓試驗時[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)計彎矩值選取

根據(jù)推導(dǎo)的管道最大允許彎矩值計算式(8)～(9)(在數(shù)值上與絕緣接頭設(shè)計彎矩值一致),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,探討極限條件值,以選取絕緣接頭設(shè)計彎矩值。

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,溫差產(chǎn)生的軸向應(yīng)力使管道受壓,符號為負(fù);反之為正);彎曲管道外側(cè)受拉,符號為正,內(nèi)側(cè)受壓,符號為負(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,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)力的絕對值小于內(nèi)壓應(yīng)力,最大彎矩應(yīng)滿足:

(12)

此時,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)力的絕對值大于內(nèi)壓應(yīng)力,最大允許彎矩值應(yīng)滿足:

(13)

此時,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最大彎矩計算的影響。例如,停輸工況下,操作溫度T2必然會逐漸接近安裝溫度T1。

因此,需考慮上述條件,分別計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)計壓力工況下的設(shè)計彎矩值。

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)可計算絕緣接頭最大彎矩值,初步計算結(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,計算可得允許彎曲應(yīng)力范圍。由于彎曲應(yīng)力在管道對稱點正負(fù)異號,大小相等,故綜合工況選擇最大允許彎曲應(yīng)力時,取絕對值最小的結(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)計壓力的絕緣接頭,最大允許彎曲應(yīng)力為205.86 MPa,對應(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)力的工況所對應(yīng)的最大允許彎曲應(yīng)力會大于不存在溫差應(yīng)力工況所對應(yīng)的最大允許彎曲應(yīng)力,這既說明考慮溫差應(yīng)力對最大彎曲應(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行工況時,應(yīng)進(jìn)一步計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)計彎矩值及彎曲應(yīng)力值,對比工況下計算的絕緣接頭實際彎矩值,可判斷絕緣接頭是否存在失穩(wěn)、失效的風(fēng)險。

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,計算出運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)。對應(yīng)的絕緣接頭允許彎曲應(yīng)力和設(shè)計彎矩值計算結(jié)果列于表2。

由此可見,不存在溫差應(yīng)力時,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)計彎矩值。

表2 某管道允許彎曲應(yīng)力與彎矩(工況2)

項目允許彎矩值范圍/(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)絕緣接頭檢測規(guī)范,結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對軸向應(yīng)力的定義式,推導(dǎo)了絕緣接頭設(shè)計彎矩值計算公式。此計算式需根據(jù)設(shè)計工況判斷、選取合適的計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，可計算特定工況下絕緣接頭的實際承受彎矩值,對比絕緣接頭最大設(shè)計彎矩值,可初步評估絕緣接頭的穩(wěn)定性及安全性。

3)絕緣接頭最大設(shè)計彎矩值隨工況變化而不同,廠家提供的彎矩實驗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,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)計彎矩值計算方法,以形成更完整的絕緣接頭可靠性分析方法體系。

[1] 孟慶鵬,李金國.長輸管道絕緣接頭的應(yīng)用及安全性分析[J].油氣儲運,2007,26(3):59-61.

Meng Qingpeng,Li Jinguo.Application and Safety Analysis on Security of Insulation Joint for Long Distance Pipeline [J].Oil & Gas Storage and Transportation,2007,26(3):59-61.

[2] 黃 坤,吳世娟,盧泓方,等.沿坡敷設(shè)輸氣管道應(yīng)力分析[J].天然氣與石油,2012,30(4):1-4.

Huang Kun,Wu Shijuan,Lu Hongfang,et al.Analysis on Stress of Gas Pipeline Laid Along Slope[J].Natural Gas and Oil,2012,30(4):1-4.

[3] 陳俊文,徐 境,邱星棟.等.埋地管道自然錨固規(guī)律研究[J].天然氣與石油,2015,33(3):11-14.

Chen Junwen,Xu Jing,Qiu Xingdong,et al.Study on Natural Anchorage Rule of Buried Pipeline[J].Natural Gas and Oil,2015,33(3):11-14.

[4] 孫 藺,余漢成,李 沫,等.長輸高陡坡段管道應(yīng)力淺析[J].天然氣與石油,2013,31(4):5-7.

Sun Lin,Yu Hancheng,Li Mo,et al.Analysis on Stress in Long-Distance Pipelines Located in High Steep Slopes[J].Natural Gas and Oil,2013,31(4):5-7.

[5] 吳曉南,鮮 燕,劉源海,等.清管過程中隧道內(nèi)輸氣管道應(yīng)力分析[J].天然氣與石油,2012,30(2):1-3.

Wu Xiaonan,Xian Yan,Liu Yuanhai,et al.Analysis on Gas Pipeline Stress in Tunnel During Pigging[J].Natural Gas and Oil,2012,30(2):1-3.

[6] 彭常飛,張志強(qiáng),趙振興,等.整體式絕緣接頭密封性能和強(qiáng)度研究[J].壓力容器,2015,32(5):58-63.

Peng Changfei,Zhang Zhiqiang,Zhao Zhenxing,et al.Sealing and Strength Research of Integral Insulation Joint[J].Pressure Vessel Technology,2015,32(5):58-63.

[7] 劉迎來.DN 350輸氣管道絕緣接頭泄漏分析[J].金屬熱處理,2014,39(11):156-162.

Liu Yinglai.Leakage Analysis of DN 350 Insulation Joint on Gas Pipeline[J].Heat Treatment of Metals,2014,39(11):156-162.

[8] 劉 武,谷雪琴,李 靜,等.大口徑高壓管道絕緣接頭彈性應(yīng)力分析[J].石油工程建設(shè),2008,34(3):6-9.Liu Wu,Gu Xueqin,Li Jing,et al.Elastic Stress Analysis of Insulating Joint of High Pressure Pipeline with Large Diameter[J].Petroleum Engineering Construction,2008,34(3):6-9.

[9] 楊 政,劉迎來.整體型絕緣接頭絕緣環(huán)應(yīng)力分析[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報,2016,33(1):50-54.

Yang Zheng,Liu Yinglai.Stress Analysis on Insulation Ring of Monobloc Isolating Joint[J].Chinese Journal of Applied Mechanics,2016,33(1):50-54.

[10] 陳乃琦,米 靜.管道絕緣接頭理論研究[J].河南科技,2013,(10):71.

Chen Naiqi,Mi Jing.The Research for Pipeline Insulating Joints[J].Journal of Henan Science and Technology,2013,(10):71.

[11] 楊云蘭,鄒 峰,楊朝陽,等.JYJT-U整體式絕緣接頭[J].石油科技論壇,2012,31(6):62-63.

Yang Yunlan,Zou Feng,Yang Chaoyang,et al.JYJT-U Monolithic Insulating Joint[J].Oil Forum,2012,31(6):62-63.

[12] 彭 博,陳 博,陳繼旺,等.某油田單井管線絕緣接頭的腐蝕原因[J].腐蝕與防護(hù),2015,36(12):1202-1204.

Peng Bo,Chen Bo,Chen Jiwang,et al.Corrosion Reason for Insulating Joint in an Oil Field [J].Corrosion & Protection,2015,36(12):1202-1204.

[13] 陳振華,薛致遠(yuǎn),于少鵬,等.在役管道絕緣接頭絕緣性能測試技術(shù)應(yīng)用[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2013,(2):1-3.

Chen Zhenhua,Xue Zhiyuan,Yu Shaopeng,et al.Application of Insulation Test Technology of Insulated Joint for In-Service Pipeline[J].Pipeline Technology and Equipment,2013,(2):1-3.

[14] 國家發(fā)展和改革委員會.絕緣接頭與絕緣法蘭技術(shù)規(guī)范：SY/T 0516-2008[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008:8.

National Development and Reform Commission.Technical Code For Insulating Joint and Insulating Flange： SY/T 0516-2008 [S].Beijing:Standards Press of China,2008:8.

[15] The American Society of Mechanical Engineers.Gas Transmission and Distribution Piping Systems:ASME B 31.8-2012[S].New York:ASME Press,2012:30-33.

[16] 宋岢岢.工業(yè)管道應(yīng)力分析與工程應(yīng)用[M].北京:中國石化出版社,2011:4- 9.

Song Keke.Industrial Piping Stress Analysis and Engineering Application[M].Beijing:China Petrochemical Press,2011:4- 9.

[17] 唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析(第二版)[M].北京:中國石化出版社,2007:25- 32.

Tang Yongjin.Stress Analysis of Pressure Pipeline(The Second Edition)[M].Beijing:China Petrochemical Press,2007:25- 32.

[18] The American Society of Mechanical Engineers.ASME B 31.4-2012,Pipeline Transportation Systems for Liquids and Slurries[S].New York:ASME Press,2012:13-19.

[19] 劉玉卿,鐘桂香,趙子峰.油氣管道規(guī)范中彈性敷設(shè)彎曲應(yīng)力公式的改進(jìn)[J].油氣儲運,2014,33(4):429-432.

Liu Yuqing,Zhong Guixiang,Zhao Zifeng.Improvement of Elastic Laying Bending Stress Formula in Oil and Gas Pipeline Standard [J].Oil & Gas Storage and Transportation,2014,33(4):429-432.

[20] 潘永東,張洪元.溫度變化對鋼質(zhì)管道水壓試驗的影響[J].石油工程建設(shè),2006,32(5):10-13.Pan Yongdong,Zhang Hongyuan.Effect of Temperature Variation on Hydraulic Pressure Test of Steel Pipelines [J].Petroleum Engineering Construction,2006,32(5):10-13.

2016-03-10

中國石油天然氣集團(tuán)公司重點工程資助項目(Z 2011-15)

陳俊文(1987-)，男，四川成都人，工程師，碩士，主要從事天然氣儲運研究與設(shè)計工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.004