玻璃鋼集輸管道螺紋連接失效分析

荊 煬 孫寶財 張國強

（甘肅省特種設備檢驗檢測研究院）

玻璃鋼是玻璃纖維增強塑料（Fiberglass Reinforced Plastic，FRP）的簡稱，它是用玻璃纖維增強特定的樹脂而形成的復合材料， 具有材質輕、耐腐蝕性強、內表面光滑、摩阻系數低及傳熱系數小等優點，被廣泛用于油田的集輸管道［1～4］。但是，玻璃鋼的集輸管道在使用過程中由于受到集輸系統壓力波動、流體流動導致的振動及地溫等的影響，現場使用過程中容易出現螺紋脫扣現象［5，6］。 據相關資料顯示，油管失效事故易發生在每年季節交替之際， 且普遍發生在螺紋連接部位，嚴重影響油田作業的正常進行，同時帶來額外的經濟損失。 為此，筆者通過建立典型失效連接處的有限元模型，對玻璃鋼油管螺紋接頭處的應力應變進行分析， 以期提升玻璃鋼-鋼螺紋連接處的連接可靠性［7］。

1 失效模式

通過查閱竣工資料、 材質證明及運維記錄等，并深入現場調查取證，初步判定玻璃鋼油管螺紋接頭處的失效模式，即季節性溫差引起地溫變化而導致玻璃鋼集輸管道螺紋連接部位脫扣失效。

2 失效機理分析

2.1 地溫狀況

玻璃鋼油管螺紋接頭處的脫扣失效是由季節性溫差引起地溫變化造成的。因此，必須掌握地溫隨季節性變化的規律。根據地下溫度的變化，地殼溫度通常劃分為4 個地溫帶：溫度日常變化帶，該地溫帶溫度受每天氣溫的影響，深度范圍在1～2 m；溫度季節變化帶，該地溫帶溫度受季節性氣溫的影響，深度范圍在15～30 m；恒溫帶，該地溫帶溫度通常以當地常年平均地面溫度代替， 深度范圍在30 m 以下；增溫帶，該地溫帶溫度隨埋深的增加而升高，深度為恒溫帶以下的地層。

由于油田所用集輸管道敷設深度在2.0 m 左右，通過查閱全國凍土深度表獲悉當地凍土層在1.5 m，由此可斷定該油田所用玻璃鋼集輸管道敷設在溫度季節變化帶。 為了進一步明確溫差對玻璃鋼油管螺紋接頭處作用的時間和強度，通過中國天氣網調閱了當地近五年的歷史月平均氣溫情況。當地月平均氣溫在2～3 月份和10～12 月份間有明顯的氣溫交替性，平均氣溫交替基本在7 ℃左右。 這與油田現場工作人員反饋的在季節交替時頻發的油管螺紋接頭失效時間吻合，進一步驗證了失效模式判斷的正確性。

為了對季節性溫差引起地溫變化而導致的玻璃鋼集輸管道螺紋連接失效部位建模分析，結合玻璃鋼物性參數得到溫差引起的管道軸向應力分布如圖1 所示。

圖1 溫差引起管道軸向應力分布

由圖1 可知，月平均氣溫的變化在2～3 月份和10～12 月份引起的最大地溫變化值為-18 ℃，在管體產生5.91 MPa 的軸向拉應力。

2.2 管道螺紋連接部位有限元分析

現場收集的失效螺紋接頭結構及其尺寸如圖2 所示，按1∶1 建模，為提高計算效率截取整個模型周向的1/24 進行分析［8～10］。 采用掃掠方式進行網格劃分，螺紋接頭有限元模型及其網格劃分如圖3 所示。

圖2 螺紋接頭結構及其尺寸

圖3 螺紋接頭有限元模型及其網格劃分

軸向拉伸強度為12 MPa 時， 玻璃鋼-玻璃鋼（B-B）梯形螺紋、玻璃鋼-鋼（B-G）梯形螺紋和玻璃鋼-鋼（B-G）矩形螺紋連接部位的最大米塞斯應力和螺紋面最大接觸壓力分布云圖如圖4 所示。

圖4 不同形式螺紋連接部位應力分布云圖

為了便于分析地溫變化引起管道螺紋連接部位產生的最大應力， 通過多個載荷步加載，獲得了B-B 梯形螺紋、B-G 梯形螺紋和B-G 矩形螺紋連接部位最大米塞斯應力和螺紋面最大接觸壓力分布曲線（圖5）。 由圖5 可知：B-B 梯形螺紋接頭，管道螺紋連接部位引起的最大米塞斯應力為41 MPa；B-G 梯形螺紋接頭， 管道螺紋連接部位引起的最大米塞斯應力為23 MPa；B-G 矩形螺紋接頭，管道螺紋連接部位引起的最大米塞斯應力為53 MPa。這3 種螺紋連接部位的最大米塞斯應力均小于玻璃鋼管材的軸向拉伸強度（70 Pa）。此時，對于B-G 矩形螺紋接頭，在不計其他外部載荷與壓力的情況下，其螺紋連接部位的最大米塞斯應力已接近玻璃鋼管材的強度極限。 因此，一旦有外力的擾動（內壓波動或流體振動），極易發生螺紋連接部位的脫扣失效。

圖5 不同形式螺紋連接部位應力分布曲線

3 防護建議

為防止B-G 螺紋接頭在季節交替時的脫扣失效，提出防護建議如下：

a. 敷設管道時應給予一定的壓縮量——玻璃鋼管道每10 m 留出3 mm 的壓縮量；

b. 安裝B-G 螺紋接頭時一定要保證同軸度，以免因不對中而引起的螺紋損傷降低連接強度；

c. 對整個管系應做好保溫舉措，以削弱地溫變化對管體產生軸向拉應力的影響。

4 結束語

通過分析季節性溫差造成地溫的變化和玻璃鋼油管螺紋接頭處的應力， 確定了某油田所用玻璃鋼集輸管道玻璃鋼-鋼螺紋接頭的失效原因和強度薄弱環節，并給出防止脫扣失效的合理建議，改善玻璃鋼螺紋連接力學性能提供理論依據。