高壓注水復(fù)合管線連接方式優(yōu)選及仿真分析

徐加軍

中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司勝利采油廠

隨著油田開采進(jìn)入中后期，礦化度和含水量不斷提升，導(dǎo)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，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。劉碧峰等[1]采用內(nèi)襯HDPE 解決大港南部油田地面輸送管線腐蝕問(wèn)題。武玉雙等[2]基于管線頻繁穿孔問(wèn)題，介紹了三種內(nèi)襯修復(fù)管道技術(shù)。唐文輝等[3]詳細(xì)介紹了HDPE等徑壓縮內(nèi)襯穿管技術(shù)，設(shè)計(jì)了內(nèi)襯連接結(jié)構(gòu)，為復(fù)合管線實(shí)際應(yīng)用提供參考。雷國(guó)康[4]基于伊拉克艾哈代布油田注水管線腐蝕嚴(yán)重現(xiàn)象，將內(nèi)襯HDPE技術(shù)引入到單一鋼管，提高了管道的綜合性能。樊學(xué)華等[5]介紹了HDPE 內(nèi)襯在油氣管道上的應(yīng)用與設(shè)計(jì)方法。

高壓注水狀態(tài)下可能導(dǎo)致含內(nèi)襯管線的內(nèi)襯開裂、連接件失效等問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于有限元方法對(duì)不同結(jié)構(gòu)管線多種流固耦合現(xiàn)象引起的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了較深入研究。喻萌[6]基于有限元算法，模擬了輸流管道在不同約束條件下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。張盛等[7]研究了空調(diào)配管空管及流固耦合情況下管道的頻率響應(yīng)。俞樹榮等[8]研究了不同參數(shù)、不穩(wěn)定輸水壓力下彎管的力學(xué)特性。徐磊[9]對(duì)不同流速、彎徑比輸流彎管進(jìn)行了流固耦合特性分析，得到不同參數(shù)對(duì)彎頭沖蝕的影響。DAHMANE M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(wèn)題。竇益華等[11]采用有限元方法分析了流體脈動(dòng)頻率對(duì)輸流彎管振幅的影響。王曉丹等[12]研究了氣液兩相管道的振動(dòng)問(wèn)題。李璽[13]以流固耦合理論為基礎(chǔ)，建立了流體和固體有限元模型，分析了水錘作用下管道的振動(dòng)特性。

綜上，前期研究主要針對(duì)無(wú)內(nèi)襯單一材料管線的各種流固耦合現(xiàn)象及動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。本文針對(duì)含內(nèi)襯復(fù)合管線在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在的內(nèi)襯材料選擇、內(nèi)襯厚度設(shè)計(jì)以及管線連接方式的影響進(jìn)行研究，可為工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

1 內(nèi)襯材料選取

油田注入水一般含有大量的腐蝕性離子，腐蝕會(huì)造成管線穿孔、連接件破壞等問(wèn)題，將抗腐蝕性良好的內(nèi)襯襯管嵌入到金屬管道中形成復(fù)合管道可提升管道使用壽命。內(nèi)襯材料的選取需要考慮材料的力學(xué)性能、工藝性能、親水親油性能以及經(jīng)濟(jì)性等，目前常用的內(nèi)襯材料包括聚乙烯（LDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚酮樹脂（POK）和超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯（UHMWPE）等。

LDPE 屈服強(qiáng)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(qiáng)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(xué)特性。對(duì)HDPE 和UHMWPE 兩種管材的性能進(jìn)行對(duì)比（表1），由表1可知，UHMWPE內(nèi)襯具有更低的摩擦系數(shù)，不易結(jié)垢，且具有優(yōu)良的抗內(nèi)壓強(qiáng)度。

表1 兩種管材性能對(duì)比Tab.1 Performance comparison of two kinds of pipes

選用UHMWPE 作為內(nèi)襯管材，外鋼管作為保護(hù)殼體，該復(fù)合管線具有耐壓、耐腐蝕、不易結(jié)垢等優(yōu)點(diǎn)，這種復(fù)合管道不僅解決了單一鋼管容易被腐蝕的問(wèn)題，內(nèi)襯裸管也不易變形或開裂。

2 內(nèi)襯厚度設(shè)計(jì)

油田采用高壓式注水，復(fù)合管道內(nèi)部不含氣體，不同口徑復(fù)合管線內(nèi)襯襯管厚度依據(jù)抗軸向和徑向凹陷準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。以支干線小口徑注水鋼管為例（外徑分別為76 mm和89 mm，鋼管壁厚分別為7 mm 和8 mm），計(jì)算兩種口徑復(fù)合管線的最優(yōu)內(nèi)襯壁厚。

UHMWPE 內(nèi)襯材料復(fù)合管線內(nèi)部徑向抗凹陷應(yīng)力由式（1）確定：

式中：Pcrs為臨界徑向抗凹陷應(yīng)力，MPa；E為5%應(yīng)變時(shí)內(nèi)襯的切線模量，400 MPa；μ為材料的泊松比，0.46；Sdt為內(nèi)襯材料徑厚比（外徑/壁厚=：d為外徑，t為厚度）。

f指數(shù)由式（2）確定：

式中：Η為內(nèi)襯缺陷尺寸，取2 mm；d為外鋼管內(nèi)徑，分別選62 mm和73 mm。

由式（1）計(jì)算得到76 mm管Sdt≤35.57，89 mm管Sdt≤36.34。UHMWPE內(nèi)襯材料復(fù)合管線內(nèi)部軸向抗凹陷由式（3）確定：

式中：ξcrs為坍塌點(diǎn)處的臨界軸向應(yīng)變；ξax為軸向應(yīng)變；α為材料熱膨脹系數(shù)，取150×10-6/℃；ΔT為工作溫度與環(huán)境溫度差值的絕對(duì)值，取45 ℃；Rb為內(nèi)襯管不產(chǎn)生裂紋時(shí)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（5）計(jì)算得到ξax=0.022 4，由式（3）、（4）得到76 mm管Sdt≤32.26，89 mm管Sdt≤35.53。綜上，取76mm管Sdt≤32.26，89mm管Sdt≤35.53。

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Sdt在20～26 之間，得到兩種口徑復(fù)合管線內(nèi)襯壁厚分別為2.4 mm ≤t76≤3.1 mm，2.8 mm ≤t89≤3.6 mm 。最終選取76 mm和89 mm管線內(nèi)襯厚度均為3 mm。

3 流固耦合分析方法

流固耦合問(wèn)題是流體與固體相互作用產(chǎn)生的力學(xué)問(wèn)題，研究流體流經(jīng)固體內(nèi)壁時(shí)，流體與固體之間的相互影響。本文復(fù)合管道為長(zhǎng)直管道且固體形變相對(duì)很小，故采用單向流固耦合分析方法。

單向流固耦合計(jì)算過(guò)程中應(yīng)滿足流體守恒定律和固體守恒定律。流體流動(dòng)過(guò)程中遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒，本文問(wèn)題不涉及熱量及能量交換。

質(zhì)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程

式中：t為時(shí)間；ρf為流體密度；ff為流體體積力矩；v為流體速度矢量；τf為流體剪切長(zhǎng)量。

固體守恒方程基于牛頓第二定律推理得出，如式（8）所示

式中：ρs為固體密度；σs為柯西應(yīng)力張量；fs為體積力矢量；為固體域當(dāng)?shù)丶铀俣仁噶俊?/p>

流固耦合交界面應(yīng)滿足以下方程：

式中：τf、τs為流體和固體應(yīng)力；nf、ns為流體和固體方向向量；df、ds為流體和固體位移。

4 數(shù)值模擬

4.1 模型建立

為減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率，取管線入口段進(jìn)行流固耦合分析，管道長(zhǎng)度為2 m，鋼管外徑分別為76 mm、89 mm，內(nèi)徑分別為62 mm、73 mm，內(nèi)襯襯管厚度為3 mm。

復(fù)合管線主要連接方式包括法蘭連接、由壬連接和接箍連接等。注水過(guò)程中管線連接處振動(dòng)最為顯著，容易造成漏液。為防止內(nèi)襯和鋼管夾層進(jìn)水，法蘭連接和由壬連接均對(duì)內(nèi)襯進(jìn)行翻邊處理，接箍連接采用中間加聚四氟乙烯密封環(huán)進(jìn)行壓緊密封。

法蘭連接復(fù)合管線幾何模型由外鋼管、翻邊內(nèi)襯、限位環(huán)、帶頸對(duì)焊法蘭及緊固件等組成。其中限位環(huán)起密封鎖緊和定位作用，限位環(huán)內(nèi)徑較翻邊內(nèi)襯外徑大2～3 mm。含內(nèi)襯管線法蘭連接如圖1所示。

圖1 含內(nèi)襯復(fù)合管線法蘭連接模型Fig.1 Flange connection model of composite pipeline with inner liner

復(fù)合管線由壬連接主要由外鋼管、由壬公頭、由壬母頭、鎖緊螺母、翻邊內(nèi)襯、聚四氟乙烯密封環(huán)等組成。含內(nèi)襯管線由壬連接如圖2所示。

圖2 含內(nèi)襯復(fù)合管線由壬連接模型Fig.2 Union connection model of composite pipeline with inner liner

復(fù)合管線接箍連接主要由外鋼管、內(nèi)襯襯管、接箍、聚四氟乙烯密封環(huán)等組成。含內(nèi)襯管線接箍連接如圖3所示。

圖3 含內(nèi)襯復(fù)合管線接箍連接模型Fig.3 Coupling connection model of composite pipeline with inner liner

復(fù)合管線分析所用鋼管、內(nèi)襯材料、密封材料及流體屬性如表2所示。

表2 材料屬性Tab.2 Material properties

4.2 有限元模型

在ANSYS Workbench中建立復(fù)合管線三種連接方式的有限元模型，固體域和流體域均使用Mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分。固體有限元模型如圖4所示。

圖4 三種連接方式有限元模型Fig.4 Finite element models of three connection modes

4.3 載荷及邊界條件

76 mm 和89 mm 兩種管線均采用流量為100、400、1 000、1 500 和2 000 m3/d 五種工況進(jìn)行注水，復(fù)合管線左端為壓力進(jìn)口，右端為壓力出口。各工況下出、入口壓力如表3所示。

表3 各工況下出入口壓力Tab.3 Inlet and outlet pressure under various working conditions

輸流復(fù)合管道流固耦合接觸面的固體域及流體域如圖5所示。

圖5 輸流復(fù)合管道固體域及流體域Fig.5 Solid domain and fluid domain of composite pipe conveying fluid

放松管道兩端徑向位移，限制其余方向位移，保證管道在力的作用下可以膨脹或收縮。

5 結(jié)果分析

對(duì)76 mm和89 mm復(fù)合管線進(jìn)行了單向流固耦合有限元分析，以89 mm復(fù)合管線注水流量100 m3/d工況為例，得到了復(fù)合管線三種連接方式在高壓注水下的應(yīng)力分布。

5.1 連接件應(yīng)力分析

連接件應(yīng)力分析結(jié)果表明，在管線連接部位，法蘭、由壬和接箍三種連接方式連接處鋼管最大Mises 應(yīng)力分別為69.80、75.38 和43.44 MPa，且均分布在內(nèi)襯和連接件接觸端面位置，具體位置如圖6所示。

圖6 三種連接方式鋼管應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of steel pipe with three connection modes

5.2 內(nèi)襯管應(yīng)力分析

法蘭、由壬和接箍連接時(shí)，內(nèi)襯最大應(yīng)力分別為16.53、17.849 和14.59 MPa。法蘭和由壬連接時(shí)，內(nèi)襯最大應(yīng)力均出現(xiàn)在內(nèi)襯與連接件相交根部位置附近，因內(nèi)襯翻邊壓緊使根部產(chǎn)生應(yīng)力集中。接箍連接時(shí)，內(nèi)襯最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)襯與聚四氟乙烯壓緊端部附近。三種連接方式內(nèi)襯應(yīng)力分布如圖7所示。

圖7 內(nèi)襯應(yīng)力分布Fig.7 Stress distribution of lining

5.3 復(fù)合管線不同連接方式結(jié)果評(píng)估

提取復(fù)合管線三種連接方式下內(nèi)襯管線各部件應(yīng)力結(jié)果，在相同幾何尺寸和邊界條件的情況下，對(duì)比各部件的最大應(yīng)力值，優(yōu)選出最佳連接方式。對(duì)比情況如表4、表5所示。

表4 76 mm復(fù)合管線三種連接方式結(jié)果Tab.4 Results of three connection modes for 76 mm composite pipeline MPa

表5 89 mm復(fù)合管線三種連接方式結(jié)果Tab.5 Results of three connection modes for 89 mm composite pipeline MPa

由復(fù)合管線不同連接方式的應(yīng)力結(jié)果對(duì)比可得，三種連接方式下管線最大Mises 應(yīng)力相差不大，且均分布在管道的入口端和出口端，這是由管道端部約束導(dǎo)致。復(fù)合管線中鋼管主要承受內(nèi)部壓力，內(nèi)襯承受少部分壓力，沿半徑向外，應(yīng)力逐漸減小。連接處內(nèi)襯是復(fù)合管線最易損壞的位置，不同連接方式下內(nèi)襯最大Mises 應(yīng)力相差較小，且均遠(yuǎn)低于材料的屈服極限。

接箍連接復(fù)合管線內(nèi)襯最大Mises 應(yīng)力相對(duì)較小，但鋼管設(shè)計(jì)制造工序復(fù)雜，且內(nèi)襯同密封環(huán)連接如果不緊密導(dǎo)致漏液，將對(duì)連接處螺紋造成嚴(yán)重腐蝕，致使連接件失效，故這種連接方式一般用于壓力較低的工況下。法蘭連接和由壬連接兩種連接方式適用于壓力較高的場(chǎng)合，可靠性較強(qiáng)，兩種連接方式整體管線應(yīng)力符合強(qiáng)度要求，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其中法蘭成本相對(duì)較高，運(yùn)輸過(guò)程更易損壞，基于安全性與經(jīng)濟(jì)性，針對(duì)分析的復(fù)合管線管徑，由壬連接方式具有優(yōu)勢(shì)。

5.4 注水流量對(duì)內(nèi)襯應(yīng)力的影響

采用單個(gè)或幾個(gè)泵同時(shí)注水時(shí)，由于注入水流量不同，導(dǎo)致水流速度及出入口壓差不同，影響對(duì)管線的作用力。對(duì)比了76、89 mm管線在注水流量為100、400、1 000、1 500 和2 000 m3/d 時(shí)內(nèi)襯的最大應(yīng)力。76 mm復(fù)合管線和89 mm復(fù)合管線應(yīng)力對(duì)比結(jié)果分別見表6和表7。

表6 76 mm復(fù)合管線不同流量下應(yīng)力對(duì)比Tab.6 Comparison of stess of 76 mm composite pipeline under different flow rates

表7 89 mm復(fù)合管線不同流量下應(yīng)力對(duì)比Tab.7 Comparison of stress of 89 mm composite pipeline under different flow rates

從兩種口徑復(fù)合管線三種連接方式下內(nèi)襯最大應(yīng)力對(duì)比可得，在一定注水流量范圍內(nèi)，隨著注水流量增加，76 mm三種連接方式復(fù)合管線內(nèi)襯應(yīng)力最大增長(zhǎng)16.4%，89 mm 三種連接方式復(fù)合管線內(nèi)襯應(yīng)力最大增長(zhǎng)15.3%。

6 結(jié)論

（1）綜合四種材料力學(xué)性能，超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯具有較高的抗內(nèi)壓強(qiáng)度和高耐磨性，與鋼管形成鋼襯復(fù)合管，減小了管道的摩擦力，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，作為高壓注水管道首選內(nèi)襯材料。

（2）復(fù)合管線內(nèi)部軸、徑向抗凹陷設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為內(nèi)襯管壁厚設(shè)計(jì)提供了計(jì)算方法和依據(jù)，其對(duì)單向水復(fù)合管線Sdt公式可以通用。

（3）針對(duì)復(fù)合管線設(shè)計(jì)的三種連接方式，分析了高壓注水下的應(yīng)力分布及不同注水流量對(duì)連接處內(nèi)襯應(yīng)力的影響。考慮安全性及經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)選由壬連接作為小口徑高壓管線的連接方式。設(shè)計(jì)分析結(jié)果可為復(fù)合管線的工程應(yīng)用提供參考。