整體式絕緣接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

， 振興， ， ， ， (.中國石油管道局工程有限公司， 河北 廊坊 065000； 2.中國石油天然氣管道局 a.東南亞(東亞 南亞)項目經(jīng)理部； b.國際事業(yè)部， 河北 廊坊 065000)

整體式絕緣接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

趙赫1，趙振興2a，許遠(yuǎn)斌2a，申奇1，劉丹丹2b，辛寬2b
(1.中國石油管道局工程有限公司， 河北 廊坊 065000； 2.中國石油天然氣管道局 a.東南亞(東亞 南亞)項目經(jīng)理部； b.國際事業(yè)部， 河北 廊坊 065000)

絕緣接頭是油氣管道陰極保護中重要的管道安全附件，絕緣接頭的設(shè)計直接關(guān)系到絕緣接頭的密封和絕緣性能。對于絕緣接頭的設(shè)計計算，國內(nèi)沒有相關(guān)的規(guī)范規(guī)定，也沒有相關(guān)的文獻(xiàn)供參考?；诙嗄陣忭椖拷^緣接頭廠家技術(shù)文件的審查經(jīng)驗，認(rèn)為可依據(jù)ASME BPV Code Section Ⅷ Div.1規(guī)范進(jìn)行絕緣接頭計算，與按照GB 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計》中的整體法蘭計算結(jié)果一致，僅所用符號不同。從結(jié)構(gòu)形式、強度計算等方面介紹了絕緣接頭密封結(jié)構(gòu)、法蘭結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算，具有一定的參考價值。

絕緣接頭； 結(jié)構(gòu)； 密封； 法蘭； 設(shè)計

隨著高壓力、大口徑管線的發(fā)展，整體式絕緣接頭已成為干線管道陰極保護中十分重要的管道安全附件，能夠確保管線安全運行[1，2]。絕緣接頭內(nèi)部是不同部件的組合件，每個部件都具有一種或多種可能的失效方式[3]。絕緣接頭的設(shè)計決定了其絕緣性、密封性、預(yù)緊力、強度和剛度等性能指標(biāo)。在實際工程中，往往因絕緣接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理或計算不正確等原因，導(dǎo)致絕緣接頭內(nèi)部發(fā)生泄漏，出現(xiàn)密封失效、絕緣性能破壞等問題，嚴(yán)重影響管道的投運。對于絕緣接頭的設(shè)計計算，目前國內(nèi)沒有相關(guān)的規(guī)范規(guī)定，也沒有相關(guān)的文獻(xiàn)供參考。筆者通過對國外絕緣接頭計算書的審查研究，認(rèn)為可依據(jù)ASME BPV Code Section Ⅷ Div.1—2011《Rules for Construction of Pressure Vessels》[4]進(jìn)行絕緣接頭的計算，其計算結(jié)果與GB 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計》中整體法蘭的計算結(jié)果一致，僅所用符號不同[5]。

1 絕緣接頭整體結(jié)構(gòu)形式

常規(guī)的整體式絕緣接頭由焊接在一起的3個法蘭鍛件組成，鍛件兩側(cè)焊接短節(jié)，以便與工藝管線連接，見圖1。

圖1 整體式絕緣接頭結(jié)構(gòu)

鍛件之間安裝絕緣環(huán)以實現(xiàn)電絕緣，絕緣環(huán)的材料通常采用環(huán)氧玻璃布層壓板。根據(jù)介質(zhì)特性，在絕緣環(huán)和鍛件之間采用一道或者多道密封。絕緣環(huán)周邊的縫隙填注環(huán)氧樹脂。絕緣接頭兩端分別和已設(shè)置陰極保護的管段和未設(shè)置陰極保護的管段相連接[3]。

2 絕緣接頭密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

絕緣接頭密封元件采用O形自緊式密封圈或其它適宜形式，密封元件整體模壓成型。U形密封圈結(jié)構(gòu)具有較好的密封性能和耐高壓性能。O形密封圈應(yīng)采用合適的密封溝槽結(jié)構(gòu)。各種密封結(jié)構(gòu)見圖2～圖4。單V形溝槽結(jié)構(gòu)密封性能優(yōu)于矩形溝槽密封性能[6-9]。

圖2 單V形溝槽結(jié)構(gòu)示圖

圖3 矩形溝槽結(jié)構(gòu)示圖

圖4 U形密封結(jié)構(gòu)示圖

根據(jù)密封理論，O形密封圈實現(xiàn)可靠密封的充分必要條件是O形密封圈兩個法蘭之間連續(xù)界面上的接觸壓強不小于被密封壓力[8]，即：

p≤min(σ1，σ2)

式中，p為計算壓力，σ1、σ2為接觸面上、下表面的接觸壓力，MPa。

3 絕緣接頭法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計

絕緣接頭主要由3個法蘭鍛件組焊而成，法蘭1和法蘭2為整體法蘭，法蘭3為反向法蘭(勾圈)，法蘭間實際上為全平面接觸。通過對比意大利和德國絕緣接頭計算書發(fā)現(xiàn)，國外絕緣接頭計算依據(jù)的是ASME BPV Code Section Ⅷ Div.1—2011，其與GB 150.3—2011提供的整體法蘭計算方法相同，計算結(jié)果一致，僅所用符號不同。按整體法蘭計算結(jié)果偏保守，計算法蘭強度時未考慮外加彎矩，而檢驗時又要求能承受內(nèi)壓加外彎矩致絕緣接頭在相接管子上產(chǎn)生72%材料屈服強度的軸向拉力，最終結(jié)果是絕緣接頭既能承受內(nèi)壓又能承受彎矩[10]。

法蘭螺栓力為內(nèi)壓產(chǎn)生的載荷，法蘭1、法蘭2的螺栓力均來自法蘭3，法蘭3的螺栓力來自法蘭2，力的作用圓為兩接觸面的中心圓。O形密封圈尺寸小且材料的彈性模量小，取窄面法蘭墊片壓緊力FG=0[11，12]。

3.1 法蘭1

操作狀態(tài)下法蘭1的螺栓載荷W、軸向應(yīng)力FD及其作用位置見圖5。圖5中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5 法蘭1結(jié)構(gòu)尺寸及受力

內(nèi)壓引起的總軸向力F為：

F=0.785DG2p

(1)

內(nèi)壓引起的作用于法蘭頸部小端內(nèi)徑截面上的法向力Fb為：

Fb=0.785Dip

(2)

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)壓引起的總軸向力F與FD之差為：

FT=F-FD

(3)

法蘭1設(shè)計力矩M0：

M0=FDLD+FTLTm

(4)

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：

(5)

(6)

(7)

組合應(yīng)力需滿足以下條件：

(8)

剛度指數(shù)J為：

(9)

3.2 法蘭2

法蘭2結(jié)構(gòu)尺寸及受力情況見圖6。圖6中h2為法蘭頸部高度，δf2為法蘭2有效厚度。法蘭2的計算公式與法蘭1相同，但其中δ0=δ1。

圖6 法蘭2結(jié)構(gòu)尺寸及受力情況

3.3 法蘭3

法蘭3結(jié)構(gòu)尺寸及受力情況見圖7。

法蘭3設(shè)計力矩M0：

M0=WLD

(10)

其中

W=FD+FT=F

(11)

法蘭3頸部軸向應(yīng)力σHr、外徑處徑向應(yīng)力σRr、外徑處環(huán)向應(yīng)力σTr及內(nèi)徑處環(huán)向應(yīng)力σTr′分別為：

(12)

(13)

(14)

(15)

組合應(yīng)力需滿足：

(16)

式(12)～式(16)中，fr為反向法蘭應(yīng)力校正系數(shù)；Df為反向法蘭環(huán)內(nèi)徑，δf為法蘭3有效厚度，mm；Kr、Yr、er、λr為系數(shù)。

4 結(jié)語

絕緣接頭內(nèi)部主要承受3個法蘭間相互作用力和來自管道的軸向應(yīng)力和內(nèi)壓，因此除了應(yīng)力分析方法，通過對每個法蘭進(jìn)行受力分析，采取整體法蘭的計算方法是滿足規(guī)范要求的，計算結(jié)果偏保守。

絕緣接頭計算中僅考慮了操作狀態(tài)下的載荷，未考慮外加彎矩。設(shè)計文件中需提出絕緣接頭進(jìn)行水壓加彎矩試驗的要求，要求在設(shè)計壓力和附加彎矩共同作用下，相接管線管段內(nèi)產(chǎn)生的縱向應(yīng)力不應(yīng)小于72%的管材標(biāo)準(zhǔn)屈服強度下限值[13-16]。

絕緣接頭的封閉焊縫宜設(shè)置在端部，優(yōu)點是焊縫遠(yuǎn)離密封材料和絕緣材料，焊接產(chǎn)生的熱量對其影響較小，焊接質(zhì)量不受厚度大小的影響，但需校核該焊縫的剪切強度，允許剪切強度為允許抗拉強度的58%[17]。

對不同的絕緣接頭密封結(jié)構(gòu)形式，其計算方法與O形密封圈計算方法相同。各廠家的絕緣接頭結(jié)構(gòu)有所不同，但形式大同小異，可參照文中方法進(jìn)行計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計。

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(GB 50017—2014，Design Code of Steel Structures[S].)

StructuralDesignMethodofMonolithicInsulatingJoint

ZHAOHe1，ZHAOZhen-xing2a，XUYuan-bin2a，SHENQi1，LIUDan-dan2b，XINKuan2b
(1.China Petroleum Pipeline Engineering Co. Ltd.， Langfang 065000， China；2.China Petroleum Pipeline Engineering Co. Ltd.， a.Southeast & East & South Asia； b.International Business Department， Langfang 065000， China)

Insulating joints are very important pipeline safety accessories in oil & gas pipeline cathodic protection，of which design directly related to the sealing and insulating performance of insulating joints. There are no literature and books related to the design calculation of insulating joints available for reference. It is discovered that the results from ASME BPV Code Section Ⅷ Div.1 which is the standard that followed abroad in the calculating of insulating joints is consistent with the integral flange calculation results from the domestic standard GB 150.3—2011 “PressureVessels—Part3:Design” except for the symbol usage，based on years of experience in the review of technical document from insulating joint manufacturer in the project overseas. The design and calculation of the sealing structure of the insulating joint and the design of the flange structure are introduced from the aspects of structure and strength calculation，and it has certain reference value.

insulating joint； structure； sealing； flange； design

1000-7466(2017)06-0030-04

2017-05-28

趙 赫(1987-)，男，黑龍江賓縣人，助理工程師，碩士，現(xiàn)主要從事油氣長輸管道及石油儲庫設(shè)計工作。

TQ055.8； TE973.1

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.06.006

(張編)