雙層管道錨固件有限元分析及校核

唐丕鑫，楊 旭，董德龍

(中海油研究總院有限責任公司，北京 100028)

0 引言

管道是油氣輸送的主要方式，對于有保溫要求的管道通常采用雙層管型式[1]。為了提高雙層管內(nèi)外管之間的應力傳遞[2]，將內(nèi)管的溫度效應傳遞到外管，同時當內(nèi)外管泄漏時，可以阻斷泄漏原油和外部海水的大面積擴散，保證保溫效果，通常在內(nèi)外管之間設(shè)置錨固件進行連接[3]。

為保證整體結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用，避免應力集中導致?lián)p壞，錨固件需鍛造制成，制成后的錨固件具有結(jié)構(gòu)簡單合理，整體性能優(yōu)良，連接過渡平滑，安裝簡單方便等特點，在實際工程中應用廣泛[4]。

在實際應用中，錨固件通常分為Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅰ型主要在雙層管與雙層管連接中應用，Ⅱ型主要在雙管和單層管連接中應用[5]，常在管道的端部使用。

1 校核準則

對于管道附屬構(gòu)件，通常采用ASME規(guī)范進行校核，以便確定附屬構(gòu)件在外力作用后是否滿足規(guī)范規(guī)定的要求。ASME VIII DIVISION 2可應用于錨固件的校核[6]，其規(guī)定需要校核的應力強度為一次總體薄膜應力Pm、一次局部薄膜應力PL、一次局部薄膜應力PL+一次彎曲應力Pb。校核準則如表1所示。

表1 ASME規(guī)范錨固件校核準則

Sm的計算表達式如下：

(1)

式中:YStemp為最小屈服強度;SMTS為極限拉伸強度。

在實際的工程計算中，需要對有限元軟件計算出的結(jié)果進行后處理，根據(jù)ASME VIII DIVISION 2校核的3種應力強度必須全部在許用應力范圍內(nèi)，方可認定所設(shè)計的錨固件滿足規(guī)范要求，可在實際工程中應用。

2 工程算例

以某16英寸(1英寸=0.0254 m)油砂項目雙層保溫管道設(shè)計為例，設(shè)計壽命40 a，設(shè)計溫度150 ℃，預熱溫度90 ℃，環(huán)境溫度-35 ℃。由于運行溫度過高，環(huán)境溫度過低，為達到保溫效果，需在錨固件外側(cè)設(shè)立保溫外套管，從而在錨固件處形成內(nèi)管、外管、保溫套管三層結(jié)構(gòu)形式。

2.1 錨固件結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)管道管徑、壁厚等尺寸信息，結(jié)合管道運行參數(shù)，設(shè)計的Ⅰ型錨固件與管體連接如圖1所示，錨固件設(shè)計參數(shù)如表2所示，管道設(shè)計參數(shù)如表3所示，錨固件的外徑、壁厚與連接管道的外徑、壁厚保持一致。

圖1 Ⅰ型錨固件與管體連接示意圖

表2 錨固件設(shè)計參數(shù) mm

表3 管道設(shè)計參數(shù)

2.2 錨固件有限元設(shè)計

2.2.1 建立幾何模型

根據(jù)表2和表3的錨固件和管道基本參數(shù)，依次在有限元軟件中建立錨固件、內(nèi)管、外管、保溫套管三維幾何模型，如圖2所示。錨固件局部放大圖如圖3所示。

圖2 錨固件三維幾何模型

圖3 錨固件局部放大圖

2.2.2 設(shè)定邊界條件

為模擬真實情況，將連接外管兩端設(shè)置為6個方向自由度全約束狀態(tài)，錨固件與內(nèi)管、錨固件與外管、外管與保溫套管之間設(shè)置為綁定約束，便于力與彎矩的傳遞。

2.2.3 施加載荷工況

在整個模型中施加重力載荷，在內(nèi)管內(nèi)表面施加設(shè)計壓力，由于需要埋設(shè)，需在外管外表面施加周圍土壤壓力。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，分別設(shè)定水壓試驗、操作、停產(chǎn)和事故4種工況，根據(jù)工藝計算結(jié)果，加載不同的溫度壓力組合。

2.2.4 網(wǎng)格劃分

有限元分析時，網(wǎng)格的劃分大小直接影響計算結(jié)果的精度。網(wǎng)格劃分過密，會導致計算量偏大，時間過長；網(wǎng)格劃分過疏，會導致計算結(jié)果不準確。根據(jù)本項目的模型特點和計算結(jié)果要求，采用六面體單元作為基本單元形狀，以5 cm作為布種間隔進行有限元網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格后的錨固件模型如圖4所示。

圖4 錨固件網(wǎng)格劃分模型

2.3 錨固件有限元分析及校核

建立有限元模型后，開展水壓試驗工況、操作工況、停產(chǎn)工況和事故工況的分析作業(yè)，得到有限元分析結(jié)果。根據(jù)分析結(jié)果可知，保溫套管和外管的等效應力值均較小，錨固件中間處等效應力值較小，過渡到與內(nèi)管連接處時等效應力值逐步增大，內(nèi)管的等效應力值最大，等效應力傳遞效果良好。

依據(jù)ASME VIII DIVISION 2規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)的最大應力值應小于許用應力值，該結(jié)構(gòu)方可滿足應用條件。錨固件在水壓試驗、操作、停產(chǎn)、事故工況的校核結(jié)果如表4～表7所示。

表4 錨固件水壓試驗工況計算結(jié)果校核 MPa

表5 錨固件操作工況計算結(jié)果校核 MPa

表6 錨固件停產(chǎn)工況計算結(jié)果校核 MPa

表7 錨固件事故工況計算結(jié)果校核 MPa

從校核結(jié)果可以看出，錨固件在水壓試驗、操作、停產(chǎn)、事故工況下，3種應力強度最大應力值均小于其規(guī)范規(guī)定的許用應力值，滿足ASME VIII DIVISION 2規(guī)范的要求，設(shè)計結(jié)果安全可靠。

3 結(jié)束語

雙層海底管道通常在內(nèi)外管之間設(shè)置錨固件進行結(jié)構(gòu)連接，可以有效進行載荷的傳遞。通過建立某油砂雙層保溫管道錨固件及其連接內(nèi)外管的有限元模型，設(shè)定相關(guān)模型參數(shù)，通過分析計算，得到的4種工況下錨固件最大應力值均小于ASME VIII DIVISION 2規(guī)范規(guī)定的許用應力值，滿足工程應用條件。