大口徑高鋼級(jí)管道低溫絕緣接頭的設(shè)計(jì)

張海倫，顧曉婷，王宇，閆鋒，支樹潔

（1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100；2.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430100；3.國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司管道科技研究中心，河北廊坊 065000）

近些年來中國油氣管道行業(yè)快速發(fā)展，西氣東輸、中緬、中俄東線等大口徑、大輸量、高壓力天然氣管道[4]陸續(xù)建成運(yùn)營，形成重要的天然氣能源陸上運(yùn)輸通道，以中俄東線管道為例，中俄東線天然氣管道是我國運(yùn)營的首條采用X80 管材、1 422 mm 口徑管道。因此長(zhǎng)輸油氣管道建設(shè)趨向高壓力、大口徑和高鋼級(jí)方向發(fā)展，同時(shí)也對(duì)絕緣接頭的設(shè)計(jì)方法和生產(chǎn)質(zhì)量提出了更高的要求。

國內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)絕緣接頭設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。KEN等[5]通過對(duì)整體絕緣接頭整體結(jié)構(gòu)的研究，分析了絕緣接頭失效的原因；CAI等[6]將有限元理論與數(shù)值計(jì)算方法結(jié)合，模擬了焊接過程產(chǎn)生的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)對(duì)于絕緣接頭密封圈性能的影響；張文學(xué)等[7]通過ABAQUS 建立整體絕緣接頭的有限元模型，分析了不同軸向拉力和外彎矩作用下的密封可靠性；彭常飛等[8]通過有限元的方法，建立不同的整體絕緣接頭模型，分析了不同工況下絕緣接頭O 型密封圈的密封性能；楊政等[9]通過分析絕緣環(huán)的應(yīng)力分布以及影響因素，發(fā)現(xiàn)絕緣環(huán)的壓應(yīng)力與絕緣接頭制造時(shí)的預(yù)壓應(yīng)力有關(guān)。雖然國內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)絕緣接頭進(jìn)行了深入研究，但目前為止國內(nèi)還未出現(xiàn)一部針對(duì)中俄東線大口徑、高壓力、高寒環(huán)境的絕緣接頭設(shè)計(jì)的國家標(biāo)準(zhǔn)。絕緣接頭的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，國內(nèi)參考的規(guī)范主要是SY/T 0516—2016 和NB/T 47054—2016，但這些規(guī)范都有一定的局限性：SY/T 0516—2016 適用范圍為介質(zhì)溫度不超過100 ℃，未明確指出最低適用溫度；NB/T 47054—2016適用范圍為公稱直徑不大于1 400 mm，與中俄東線1 422 mm 管線不符合。筆者通過翻閱和調(diào)研國外對(duì)于絕緣接頭設(shè)計(jì)方案，認(rèn)為可依據(jù)ASME BPV Code Section ⅧDvi.1—2011 進(jìn)行絕緣接頭的計(jì)算?；诖耍瑢?duì) SY/T 0516—2016、NB/T 47054—2016 與 ASME BPV Code Section ⅧDvi.1—2011 中關(guān)于絕緣接頭法蘭計(jì)算、絕緣環(huán)選材以及檢驗(yàn)、絕緣填料選材、密封圈選材與檢驗(yàn)、短管選材設(shè)計(jì)等絕緣接頭設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題的差異進(jìn)行對(duì)比分析。

1 絕緣接頭設(shè)計(jì)

絕緣接頭[10]是廣泛應(yīng)用于油氣管道陰極保護(hù)中重要的管道安全附件，用來把有陰極保護(hù)的管段和無陰極保護(hù)管段隔離開的連接裝置。絕緣接頭[11]不僅具備電化學(xué)保護(hù)要求的電絕緣性能和耐擊穿性能，還具備埋地鋼質(zhì)管道要求的密封性能和強(qiáng)度性能。絕緣接頭主要由鋼質(zhì)凸緣法蘭、固定套、密封件、法蘭間的絕緣環(huán)、絕緣填料以及與法蘭小端分別焊接的一對(duì)鋼質(zhì)短管多種部件構(gòu)成，具體見圖1。

圖1 絕緣接頭結(jié)構(gòu)

1.1 絕緣接頭法蘭計(jì)算

國外對(duì)于絕緣接頭的設(shè)計(jì)計(jì)算參考ASME BPV Code Section ⅧDvi.1—2011，其計(jì)算結(jié)果與我國GB/T 150.3《壓力容器 第3 部分：設(shè)計(jì)》中提供整體法蘭計(jì)算結(jié)果相同，僅僅是公式中的符號(hào)表達(dá)不同。法蘭的螺栓力是內(nèi)壓產(chǎn)生的載荷，以下為在操作狀態(tài)下，法蘭1、法蘭2 和法蘭3 應(yīng)力計(jì)算和校核的方法。

1.1.1 凸緣法蘭 左凸緣法蘭的結(jié)構(gòu)尺寸和受力圖見圖2，其中W 為螺栓載荷；FD為軸向應(yīng)力，h 為法蘭頸部高度，Db為螺栓中心直徑，LA為螺栓中心至法蘭頸部（或焊縫）與法蘭背面交點(diǎn)的徑向距離，LG為螺栓中心至墊片壓緊力作用位置處的徑向距離。

圖2 左凸緣法蘭的結(jié)構(gòu)尺寸和受力

內(nèi)壓引起的總軸向應(yīng)力F 為：

內(nèi)壓引起的作用于法蘭頸部下端內(nèi)徑截面上的法向力Fb為：

內(nèi)壓引起的作用于法蘭內(nèi)徑截面上的軸向力為FD，則內(nèi)壓引起的總軸力F 與FD之差為：

法蘭設(shè)計(jì)力矩M0：

法蘭頸部軸向應(yīng)力σH、法蘭環(huán)徑向應(yīng)力σR及法蘭環(huán)切向應(yīng)力σT分別為：

組合應(yīng)力需滿足以下條件：

剛度指數(shù)J 為：

式中：DG-墊片壓緊力作用中心圓直徑，mm；P-計(jì)算壓力，MPa；Di-扣除腐蝕裕量后的法蘭或筒體端部結(jié)構(gòu)內(nèi)直徑，mm；m-墊片系數(shù)；LD-螺栓中心至FD作用位置處的徑向距離，mm；LT-螺栓中心至FT作用位置處的徑向距離，mm；δ1-法蘭端面大端有效厚度，mm；δf-法蘭有效厚度，mm；M0-法蘭的設(shè)計(jì)力矩，N·mm；-設(shè)計(jì)溫度下法蘭材料的許用應(yīng)力，MPa；f-整體法蘭頸部應(yīng)力校正系數(shù)；λ、β、Y、Z-相關(guān)系數(shù)；V1-整體法蘭系數(shù)；E-法蘭材料的彈性模量，MPa；δ0-法蘭頸部小端有效厚度，mm；K-法蘭外徑與內(nèi)徑比值；h0-參數(shù)。

法蘭1 左凸緣法蘭與法蘭2 右凸緣法蘭的計(jì)算方法相同。

1.1.2 法蘭3（固定套）法蘭3（固定套）結(jié)構(gòu)尺寸和受力見圖3。

圖3 法蘭3（固定套）的結(jié)構(gòu)尺寸和受力

法蘭3 設(shè)計(jì)力矩M0：

法蘭3 法蘭頸部軸向應(yīng)力σHr、法蘭環(huán)徑向應(yīng)力σRr、法蘭環(huán)切向應(yīng)力σTr及內(nèi)徑處環(huán)向應(yīng)力σTr'分別為：

組合應(yīng)力需滿足以下條件：

式中：fr、λr、βr、Yr-相關(guān)系數(shù)；Df-反向法蘭環(huán)內(nèi)直徑，mm；er-參數(shù)，mm-1；Kr-反向法蘭外徑D0與內(nèi)徑Df之比。

1.2 絕緣接頭短管設(shè)計(jì)

針對(duì)短管的材質(zhì)：SY/T 0516—2016 規(guī)定，短管的材質(zhì)應(yīng)與絕緣接頭相連管道的材質(zhì)相同或相近，并具有良好的可焊性；而NB/T 47054—2016 規(guī)定短管材質(zhì)應(yīng)符合GB/T 9711 要求的鋼管，也可采用符合GB/T 6479 要求的鋼管。針對(duì)短管的制作：NB/T 47054—2016 中規(guī)定可以采用符合GB/T 713 和GB/T 3531 規(guī)定的鋼板卷制；而SY/T 0516—2016 規(guī)定鋼質(zhì)短管可采用與管道鋼管材質(zhì)相同或相近的鋼板卷制。兩標(biāo)準(zhǔn)均強(qiáng)調(diào)卷制鋼板應(yīng)符合GB 150.2 的要求，但SY/T 0516—2016 要求鋼質(zhì)短管的公稱直徑大于或等于DN350 才可以進(jìn)行鋼板卷制（表1）。

表1 短管制作

國內(nèi)絕緣接頭短管壁厚的計(jì)算公式主要參考的是GB 50251—2015，國外主要參考的是ASME B 31.8—2012。國標(biāo)和美標(biāo)壁厚計(jì)算方法[12]是相同的，僅部分參數(shù)表述略有差異（表2），國標(biāo)中焊縫系數(shù)φ，在美標(biāo)中是軸向連接系數(shù)Ja，但其物理意義是相同的，因此在相同工況條件下，按照國標(biāo)和美標(biāo)的壁厚計(jì)算值是相同的。GB 50251—2015 對(duì)于[13]一級(jí)一類地區(qū)規(guī)定設(shè)計(jì)系數(shù)可以選擇0.8 或者0.72，ASME B 31.8—2012 對(duì)于一級(jí)一類地區(qū)規(guī)定設(shè)計(jì)系數(shù)選擇0.8。中東線可以根據(jù)實(shí)際工況選取設(shè)計(jì)系數(shù)。

表2 短管壁厚設(shè)計(jì)公式差異

2 絕緣件

絕緣件是整體式絕緣接頭的重要組成部分，其不僅對(duì)絕緣接頭起到電絕緣作用，在絕緣接頭承受內(nèi)壓和彎矩時(shí)還是一個(gè)承壓元件。絕緣接頭主要的絕緣件有絕緣環(huán)、絕緣填料、密封圈以及內(nèi)、外涂層。

2.1 絕緣接頭絕緣環(huán)

絕緣環(huán)主要起阻斷法蘭間電流傳導(dǎo)作用，鑲嵌于法蘭間。絕緣環(huán)的材料選擇應(yīng)考慮在設(shè)計(jì)年限內(nèi)具有良好的電絕緣性能、耐腐蝕性能。在制作方面，SY/T 0516—2016 規(guī)定絕緣接頭中的絕緣環(huán)應(yīng)該是通過整體絕緣板制作而成（表3），這樣相對(duì)于通過拼接的方式制作的絕緣板具有更高的安全可靠性。在選材方面，SY/T 0516—2016 對(duì)于設(shè)計(jì)壓力大于或者等于6.3 MPa時(shí)，宜選用環(huán)氧層壓玻璃布板制作；NB/T 47054—2016對(duì)于長(zhǎng)期暴露在輸送介質(zhì)中的絕緣環(huán)，宜選用高強(qiáng)度環(huán)氧玻璃布層壓板制作。通過對(duì)于絕緣材料的調(diào)研研究，結(jié)合中俄東線高寒的工況，絕緣環(huán)宜選用環(huán)氧樹脂制作。環(huán)氧樹脂[14]具有良好的粘接性能、化學(xué)穩(wěn)定性、加工性能及絕緣強(qiáng)度高，在低溫條件下穩(wěn)定性更高。在厚度要求方面，由于SY/T 0516—2016 綜合輸油和輸氣兩種管道運(yùn)輸考慮的，規(guī)定公稱直徑大于DN100 的絕緣接頭，所用絕緣環(huán)和絕緣密封件的厚度不應(yīng)小于12 mm，但對(duì)于中俄東線高壓、低溫輸氣工況應(yīng)提高絕緣環(huán)厚度。

表3 絕緣接頭絕緣環(huán)設(shè)計(jì)差異

對(duì)比國內(nèi)外絕緣環(huán)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，絕緣環(huán)的部分檢測(cè)項(xiàng)目存在差異（表4），相同檢測(cè)項(xiàng)目性能指標(biāo)也存在差異。出現(xiàn)這種差異的根本原因在于國內(nèi)外對(duì)于檢測(cè)項(xiàng)目的工藝流程要求的不同以及對(duì)于絕緣板性能要求的不同。中俄東線可結(jié)合實(shí)際工況需求以及檢驗(yàn)設(shè)備，在不影響絕緣環(huán)性能的條件下可適當(dāng)調(diào)整檢測(cè)項(xiàng)目。

表4 絕緣環(huán)檢測(cè)差異

2.2 絕緣接頭絕緣填料

絕緣填料主要應(yīng)用于絕緣接頭的縫隙內(nèi)，主要起著絕緣和密封作用，因此需要一定的抗壓、抗拉強(qiáng)度以及電絕緣性能。對(duì)于絕緣填料材料對(duì)比見表5：SY/T 0516—2016 規(guī)定，環(huán)氧樹脂作為主要材料；但在NB/T 47054—2016 中絕緣填料選擇的是氟橡膠或者氟硅橡膠。氟橡膠是一種主鏈碳原子或側(cè)鏈碳原子上連接有氟原子的一種合成橡膠，其特點(diǎn)是耐高溫、耐油及耐多種化學(xué)藥品，而環(huán)氧樹脂[15-18]是一種常用的基體樹脂材料，具有粘結(jié)力強(qiáng)、電絕緣性能優(yōu)良、易加工成型、填料組合性能好、耐磨性能優(yōu)異等特點(diǎn)。對(duì)比兩種材料以及結(jié)合中俄東線環(huán)境特點(diǎn)，絕緣填料選用選用環(huán)氧樹脂更加適合。

表5 絕緣填料標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

2.3 絕緣接頭密封圈

針對(duì)密封圈選材（表6），NB/T 47054—2016 和SY/T 0516—2016 均規(guī)定可以選用氟橡膠制作，但NB/T 47054—2016 規(guī)定在一些情況下也可以用氟硅橡膠制作；國外標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1418—2017 規(guī)定，密封圈宜采用硅橡膠制作。這三種膠料都具有良好的彈性和電絕緣性能、低吸水性、高抗壓強(qiáng)度，在高壓密封的情況下，氟橡膠對(duì)壓縮率更為敏感，但一般通過調(diào)節(jié)氟硅橡膠的壓縮率可以達(dá)到密封要求。關(guān)于密封圈的密封形式，SY/T 0516—2016 規(guī)定密封圈宜采用U 型和O 型的自緊式密封結(jié)構(gòu)，ASTM D1418—2017 規(guī)定密封圈采用O 型密封圈。相較于O 型自緊式密封圈，U 型自緊式密封圈具有更加優(yōu)良的密封效果。

表6 密封圈設(shè)計(jì)對(duì)比

對(duì)所選氟硅橡膠材料進(jìn)行性能測(cè)試，國內(nèi)檢測(cè)項(xiàng)目相較于國外檢測(cè)項(xiàng)目更多，性能指標(biāo)高于國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（表7）。針對(duì)于中俄東線高寒、高壓的特點(diǎn)可以選用U 型自緊式密封圈，密封圈可用氟硅橡膠制作。

表7 國內(nèi)密封圈檢測(cè)

2.4 絕緣接頭內(nèi)、外涂層

針對(duì)內(nèi)、外涂層的選材（表8），NB/T 47054—2016規(guī)定以非導(dǎo)電環(huán)氧類底漆和面漆作為內(nèi)、外涂層的涂料；而SY/T 0516—2016 規(guī)定以無溶劑型液體環(huán)氧涂料、環(huán)氧酚醛涂料或熔結(jié)型環(huán)氧粉末作為涂料。國外對(duì)于內(nèi)、外涂層主要參考的是AWWA-C210—2015 標(biāo)準(zhǔn)，選擇液體環(huán)氧涂層作為內(nèi)、外涂層材料。相較于液體環(huán)氧涂層，無溶劑型液體環(huán)氧涂料、環(huán)氧酚醛涂料或熔結(jié)型環(huán)氧粉末[19]性能特點(diǎn)相近，都具有較強(qiáng)的附著能力、對(duì)陰極保護(hù)電流無屏蔽、耐高寒和高溫環(huán)境以及在溫差較大的地段耐土壤應(yīng)力和陰極剝離性能好。針對(duì)中俄東線高寒環(huán)境，可以選擇無溶劑型液體環(huán)氧涂料、環(huán)氧酚醛涂料或熔結(jié)型環(huán)氧粉末作為內(nèi)、外涂層的涂料。

表8 內(nèi)、外涂層選材

3 絕緣接頭檢測(cè)

3.1 試驗(yàn)與檢驗(yàn)

對(duì)整體式絕緣接頭進(jìn)行試驗(yàn)與檢驗(yàn)（表9），不同規(guī)范的檢驗(yàn)和試驗(yàn)項(xiàng)目各有不同，國外規(guī)范未對(duì)絕緣接頭檢驗(yàn)項(xiàng)目做具體說明。但檢測(cè)項(xiàng)目主要從以下幾點(diǎn)出發(fā)：絕緣接頭是否滿足強(qiáng)度要求；絕緣接頭的密閉性是否良好；絕緣接頭絕緣性能是否符合要求；內(nèi)、外涂層性能是否滿足需要；外觀是否平整美觀。

表9 試驗(yàn)和檢驗(yàn)對(duì)比

3.2 無損檢測(cè)

對(duì)于絕緣接頭的無損檢驗(yàn)，SY/T 0516—2016 規(guī)范相對(duì)于ASME BPV Code Section ⅧDvi.1—2011 規(guī)范，在進(jìn)行無損檢測(cè)時(shí)增加了超聲檢測(cè)。在驗(yàn)收規(guī)則上，SY/T 0516—2016 規(guī)范要求射線檢測(cè)達(dá)到Ⅱ級(jí)、磁粉檢測(cè)達(dá)到Ⅰ級(jí)和滲透檢測(cè)達(dá)到Ⅰ級(jí)，而ASME BPV Code Section ⅧDvi.1—2011 規(guī)范根據(jù)顯示結(jié)果來確定是否達(dá)到要求（表10）。由于超聲波檢測(cè)是利用缺陷端點(diǎn)的衍射波信號(hào)來檢測(cè)缺陷并測(cè)定其尺寸，具有缺陷檢出率高、定量精度高、定位準(zhǔn)確、操作方便及檢測(cè)成本低等特點(diǎn)，可用于檢測(cè)和判別管體和長(zhǎng)裂縫缺陷。故針對(duì)中俄東線大口徑、高鋼級(jí)的實(shí)際工況，應(yīng)該增加超聲波檢測(cè)。

表10 無損檢測(cè)的對(duì)比

4 結(jié)論

（1）絕緣接頭中整體法蘭計(jì)算方法可以按照GB 150.3 規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，也可以參考ASME BPV Code Section ⅧDvi.1—2011 規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，兩種方法在計(jì)算公式上是相同的，僅僅只有公式中的符號(hào)不同。短管的設(shè)計(jì)可以參考GB 50251—2015 也可以參考ASME B 31.8—2012 規(guī)范，在設(shè)計(jì)系數(shù)選擇上可參考實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)選。

（2）考慮到中俄東線天然氣管道工程，壓力高、管徑大和溫度低以及材料的性能，得出：絕緣環(huán)材料應(yīng)由大規(guī)格絕緣板制成，材料選擇環(huán)氧樹脂，最小厚度可以相較于SY/T 0516—2016 規(guī)定的12 mm 進(jìn)行適當(dāng)提高；絕緣填料可選用氟橡膠或者氟硅橡膠；密封圈應(yīng)選用氟硅橡膠制作，密封元件采用U 型自緊式結(jié)構(gòu)，且應(yīng)整體模壓成型；內(nèi)、外涂層的涂料應(yīng)用無溶劑型液體環(huán)氧涂料、環(huán)氧酚醛涂料或熔結(jié)型環(huán)氧粉末制作。

（3）對(duì)于絕緣接頭的試驗(yàn)與檢驗(yàn)，可以參考SY/T 0516—2016。主要測(cè)試了整體式絕緣接頭的強(qiáng)度、密封性、絕緣性能以及內(nèi)、外涂層是否符合要求。在進(jìn)行無損檢測(cè)時(shí)應(yīng)增加超聲波檢測(cè)技術(shù)。