载荷作用下整体式绝缘接头密封性能研究_张文学

第１２卷　第４期２０１７年２月中国科技论文ＣＨＩＮＡ　ＳＣＩＥＮＣＥＰＡＰＥＲＶｏｌ．１２Ｎｏ．４Ｆｅｂ．２０１７载荷作用下整体式绝缘接头密封性能研究张文学１，张仕民１，杜鑫芳２，王文明１（１．中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京１０２２４９；２．中国石油集团渤海钻探工程有限公司第五钻井工程分公司，河北河间０６２４６５）摘　要：整体式绝缘接头是油气管道的薄弱环节，因密封失效而导致油气泄漏是绝缘接头的主要失效形式。

通过ＡＢＡＱＵＳ软件建立整体式绝缘接头的有限元模型。

采用热膨胀法施加预紧力，对比分析了整体式绝缘接头在不同轴向拉力和外弯矩作用下的密封可靠性。

通过分析得出：弯矩作用下，绝缘接头一侧受拉，另一侧受压。

在受压侧，绝缘垫板受到左右法兰的挤压作用，产生明显的应力集中。

在受拉侧，绝缘接头的失效形式与轴向拉力作用下的失效形式基本相同，即最大应力首先在勾圈中间部位达到屈服极限，随变形量的增加，左右法兰端面形成间隙，从而引起密封圈压缩量减小，最终导致油气泄漏。

关键词：油气管道；整体式绝缘接头；热膨胀法；密封可靠性；弯矩；轴向拉力中图分类号：ＴＥ９７３ 文献标志码：Ａ文章编号：２０９５－２７８３（２０１７）０４－０３７９－０５Ｔｈｅ　ｓｅａｌｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｉｎｔｅｇｒａｌ　ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ　ｊｏｉｎｔ　ｕｎｄｅｒ　ｌｏａｄｉｎｇＺＨＡＮＧ　Ｗｅｎｘｕｅ１，ＺＨＡＮＧ　Ｓｈｉｍｉｎ１，ＤＵ　Ｘｉｎｆａｎｇ２，ＷＡＮＧ　Ｗｅｎｍｉｎｇ１（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ（Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２２４９，Ｃｈｉｎａ；２．Ｎｏ．５　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ＣＮＰＣ　Ｂｏｈａｉ　ＤｒｉｌｌｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈｅｊｉａｎ，Ｈｅｂｅｉ　０６２４６５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｅｇｒａｌ　ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ　ｊｏｉｎｔ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｗｅａｋ　ｌｉｎｋ　ｏｆ　ｏｉｌ　ａｎｄ　ｇａｓ　ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ，ｉｔｓ　ｍａｉｎ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｍｏｄｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｏｉｌ　ａｎｄ　ｇａｓｌｅａｋａｇｅ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｅａｌｉｎｇ　ｆａｉｌｕｒｅ．Ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｐｒｅｔｅｎｓｉｏｎ，ｔｈｅ　ｓｅａｌｉｎｇ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅ－ｇｒａｌ　ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ　ｊｏｉｎｔ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ａｘｉａｌ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｍｏｍｅｎｔ　ｗａｓ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈ－ｏｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ＡＢＡＱＵＳ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｕｎｄｅｒ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｌｏａｄ，ｏｎｅ　ｓｉｄｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｊｏｉｎｔ　ｉｓ　ｐｕｌｌｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅｏｔｈｅｒ　ｓｉｄｅ　ｉｓ　ｐｒｅｓｓｅｄ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｓｉｄｅ，ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｃｒｅａｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ　ｐａｄ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｏｆ　ｔｈｅ　ｌｅｆｔ　ａｎｄ　ｒｉｇｈｔ　ｆｌａｎｇｅｓ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｓｉｄｅ，ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｍｏｄｅ　ｉｓ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｗｉｔｈ　ｔｈａｔ　ｕｎｄｅｒ　ａｘｉａｌ　ｔｅｎｓｉｏｎ：ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｓｔｒｅｓｓｆｉｒｓｔ　ｒｅａｃｈｅｓ　ｔｈｅ　ｙｉｅｌｄ　ｌｉｍｉｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｉｄｄｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｏｏｋ　ｒｉｎｇ；ａｎｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｇａｐ　ｉｓ　ｆｏｒｍｅｄ　ｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅ　ｅｎｄ　ｆａｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｅｆｔ　ａｎｄ　ｒｉｇｈｔ　ｆｌａｎｇｅｓ，ｗｈｉｃｈ　ｗｉｌｌ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｖｏｌｕｍｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅａｌ　ｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｅｖｅｎｔｕａｌｌｙ　ｌｅａｄ　ｔｏ　ｏｉｌａｎｄ　ｇａｓ　ｌｅａｋａｇｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｉｌ　ａｎｄ　ｇａｓ　ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ；ｉｎｔｅｇｒａｌ　ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ　ｊｏｉｎｔ；ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ；ｓｅａｌｉｎｇ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ；ｂｅｎｄｉｎｇ　ｍｏｍｅｎｔ；ａｘ－ｉａｌ　ｔｅｎｓｉｏｎ收稿日期：２０１６－０６－０８基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１３０９２３７）；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（２０１３０００７１２０００８）；中国石油大学（北京）科研基金资助项目（０１ＪＢ０４０１）第一作者：张文学（１９９０－），男，硕士研究生，主要研究方向为石油装备设计通信作者：张仕民，教授，主要研究方向为管道维抢修技术及装备，ｚｓｍ７４８１９７６＠１６３．ｃｏｍ 绝缘接头是安装在２个管段之间，同时具有钢质管道要求的密封性能和电化学防护性能的电绝缘组件［１］，被广泛应用于陆地管线、海底管线和海洋石油导管架等阴极防护系统。

绝缘接头作为管道的一部分，在温度变化、地质沉降、地震等工况下，极易受到牵拉和外弯矩作用。

由于其内部的密封材料和绝缘组件不能像钢结构那样很好的传递载荷，因而在载荷作用下变得异常脆弱。

据了解，自２０１４年６月至今，仅中贵天然气管道和中缅天然气管道（国内段）就陆续发现了１０多处绝缘接头泄漏。

由于绝缘接头被永久焊接在管道上，无法快速更换失效零件，因而维修时间长，部分管段需根据实际情况采取降压停输等措施进行更换修补，这不仅造成巨大的经济损失，也对周边环境构成极大隐患。

因此，研究绝缘接头在载荷作用下的强度和密封可靠性，确保管道安全、平稳、高效的运行具有重要意义。

１　绝缘接头的有限元研究方法根据ＳＹ／Ｔ　０５１６—２００８《绝缘接头与绝缘法兰技术规范》［１］的规定，绝缘接头在出厂前必须进行水压试验。

水压试验需要专门的加载设备，实验过程复杂，成本较高，而且对具有较高管内压力的绝缘接头施加弯矩具有很大的危险性。

有限元分析方法能够很好的解决上述问题，因而已成为研究绝缘接头的重要手段。

近年来，许多学者通过有限元法对绝缘接头进行了相关研究。

杨国标等［２－３］通过ＡＮＳＹＳ中国科技论文第１２卷　软件对１００ｍｍ燃气管道绝缘接头的强度进行了模拟分析并进行了实验研究；彭常飞等［４］针对工程中经常出现的绝缘接头泄漏问题，利用ＡＢＡＱＵＳ软件分析比较了单Ｖ形沟槽和矩形沟槽的密封效果；马青浩等［５］通过ＡＮＳＹＳ软件建立了绝缘接头三维有限元模型，并对焊接过程中的温度场进行了研究，得到了残余应力对绝缘接头的影响规律［５］。

目前，对整体式绝缘接头的研究方法中，通常采用施加作用力的方式形成预紧力。

该方法在分析绝缘接头承受拉力载荷时，由于施加的作用力会和轴向拉力相互抵消，因而不能得到准确的计算结果。

在现有的文献中，还没有对整体式绝缘接头在轴向拉力作用下密封可靠性的相关报道。

本文通过ＡＢＡＱＵＳ软件，采用热膨胀法施加预应力，将密封圈的接触压力作为密封可靠性的判断依据，对绝缘接头在弯矩和轴向拉力作用下的密封可靠性进行了研究。

计算结果表明，该方法能够很好的模拟预紧力的作用，为绝缘接头在复杂应力作用下的密封可靠性提供依据。

２　有限元计算２．１　整体式绝缘接头结构整体式绝缘接头结构如图１所示，其主要由左右法兰、密封圈、绝缘垫板、勾圈、接管等几部分组成。

安装时绝缘接头的２个法兰分别与２段接管焊接，两法兰在勾圈作用下连接在一起，法兰之间通过密封材料和绝缘材料隔开，从而达到绝缘和密封的效果。

图１　整体式绝缘接头结构示意图绝缘接头是典型的对称结构，过轴线的剖面将其分割为相同的２个部分，以其中一侧作为研究对象。

忽略填料和绝缘垫板Ⅱ对密封结构的影响，建立外径为１０８ｍｍ，壁厚为５ｍｍ满足实际工况要求的绝缘接头有限元模型，如图２所示。

根据圣维南原理，当模型中接管长度大于２．５槡Ｒｔ（Ｒ、ｔ分别为图２　整体式绝缘接头的有限元模型接管内径和管壁厚度）时，边界影响可忽略不计。

为了使计算结果准确，取单侧接管长度为８０ｍｍ。

２．２　有限元模型的建立采用八节点线性六面体实体单元Ｃ３Ｄ８Ｒ对短管、法兰、绝缘垫板进行网格划分。

采用含杂交单元的八节点六面体实体单元Ｃ３Ｄ８ＲＨ对密封圈进行网格划分。

绝缘接头两端网格比较稀疏，中间部分进行网格细划，这样既可以节省计算时间又能提高计算精度。

网格划分后的模型如图３所示。

图３　整体式绝缘接头的网格模型２．３　材料参数整体式绝缘接头的勾圈、左右法兰和接管材料为１６Ｍｎ（Ｑ３４５），绝缘垫板材料为环氧玻璃布层压板，相关材料参数如表１所示。

表１　材料参数材料弹性模量／ＧＰａ泊松比屈服强度／ＭＰａ线膨胀系数／℃－１Ｑ３４５　２１０　０．３　３４５　１．２×１０－５环氧玻璃布层压板２４．９　０．３８　３４５— 橡胶密封圈是典型的超弹性材料，在有限元分析过程中，通常采用两参数的Ｍｏｏｎｅｙ－Ｒｉｖｌｉｎ模型描述橡胶材料复杂的应力－应变关系。

该模型的应变能函数表达式为Ｗ＝Ｃ１０（Ｉ１－３）＋Ｃ０１（Ｉ２－３）。

（１）式中：Ｗ为应变能密度；Ｃ１０、Ｃ０１为材料参数；Ｉ１、Ｉ２分别为第１、第２应变张量不变量。

氟橡胶由于其具有低吸水性、高抗压强度等优点而被广泛用作绝缘接头的密封材料。

本文采用的是满足绝缘接头与绝缘法兰技术规范、硬度为７０的氟橡胶，其材料参数Ｃ１０为１．１３８，Ｃ０１为０．０２３［６－７］。

２．４　施加载荷和边界条件分别在左右接管外端面的中心位置创建２个参考点Ｒ１、Ｒ２，并将参考点与端面耦合在一起。

通过参考点Ｒ１限制绝缘接头左接管沿径向移动。

通过参考点Ｒ２对右接管建立铰接约束。

为限制绝缘接头沿对称面的法向产生转动，在模型对称截面上施加对称约束。

整体式绝缘接头的载荷通过３个步骤进行施加：１）通过热膨胀法完成预紧力的施加，即将左法兰降至低温后完成装配，再将温度升高至室温２０℃，法兰因发生轴向膨胀挤压密封圈，从而形成初０８３　第４期张文学，等：载荷作用下整体式绝缘接头密封性能研究始密封压力；２）对预紧后的整体式绝缘接头施加２．５ＭＰａ的管内流体压力；３）通过参考点Ｒ１施加弯矩或轴向拉力。