玻璃鋼集輸管道螺紋連接失效分析

荊 煬 孫寶財(cái) 張國強(qiáng)

（甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院）

玻璃鋼是玻璃纖維增強(qiáng)塑料（Fiberglass Reinforced Plastic，F(xiàn)RP）的簡稱，它是用玻璃纖維增強(qiáng)特定的樹脂而形成的復(fù)合材料， 具有材質(zhì)輕、耐腐蝕性強(qiáng)、內(nèi)表面光滑、摩阻系數(shù)低及傳熱系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，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(tǒng)壓力波動(dòng)、流體流動(dòng)導(dǎo)致的振動(dòng)及地溫等的影響，現(xiàn)場使用過程中容易出現(xiàn)螺紋脫扣現(xiàn)象［5，6］。 據(jù)相關(guān)資料顯示，油管失效事故易發(fā)生在每年季節(jié)交替之際， 且普遍發(fā)生在螺紋連接部位，嚴(yán)重影響油田作業(yè)的正常進(jìn)行，同時(shí)帶來額外的經(jīng)濟(jì)損失。 為此，筆者通過建立典型失效連接處的有限元模型，對(duì)玻璃鋼油管螺紋接頭處的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)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(zhì)證明及運(yùn)維記錄等，并深入現(xiàn)場調(diào)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(jié)性溫差引起地溫變化而導(dǎo)致玻璃鋼集輸管道螺紋連接部位脫扣失效。

2 失效機(jī)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(jié)性溫差引起地溫變化造成的。因此，必須掌握地溫隨季節(jié)性變化的規(guī)律。根據(jù)地下溫度的變化，地殼溫度通常劃分為4 個(gè)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(jié)變化帶，該地溫帶溫度受季節(jié)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(dāng)?shù)爻Ｄ昶骄孛鏈囟却妫?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(shè)深度在2.0 m 左右，通過查閱全國凍土深度表獲悉當(dāng)?shù)貎鐾翆釉?.5 m，由此可斷定該油田所用玻璃鋼集輸管道敷設(shè)在溫度季節(jié)變化帶。 為了進(jìn)一步明確溫差對(duì)玻璃鋼油管螺紋接頭處作用的時(shí)間和強(qiáng)度，通過中國天氣網(wǎng)調(diào)閱了當(dāng)?shù)亟迥甑臍v史月平均氣溫情況。當(dāng)?shù)卦缕骄鶜鉁卦?～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(xiàn)場工作人員反饋的在季節(jié)交替時(shí)頻發(fā)的油管螺紋接頭失效時(shí)間吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了失效模式判斷的正確性。

為了對(duì)季節(jié)性溫差引起地溫變化而導(dǎo)致的玻璃鋼集輸管道螺紋連接失效部位建模分析，結(jié)合玻璃鋼物性參數(shù)得到溫差引起的管道軸向應(yīng)力分布如圖1 所示。

圖1 溫差引起管道軸向應(yīng)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(chǎn)生5.91 MPa 的軸向拉應(yīng)力。

2.2 管道螺紋連接部位有限元分析

現(xiàn)場收集的失效螺紋接頭結(jié)構(gòu)及其尺寸如圖2 所示，按1∶1 建模，為提高計(jì)算效率截取整個(gè)模型周向的1/24 進(jìn)行分析［8～10］。 采用掃掠方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，螺紋接頭有限元模型及其網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

圖2 螺紋接頭結(jié)構(gòu)及其尺寸

圖3 螺紋接頭有限元模型及其網(wǎng)格劃分

軸向拉伸強(qiáng)度為12 MPa 時(shí)， 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(yīng)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(yīng)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(chǎn)生的最大應(yīng)力， 通過多個(gè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力為53 MPa。這3 種螺紋連接部位的最大米塞斯應(yīng)力均小于玻璃鋼管材的軸向拉伸強(qiáng)度（70 Pa）。此時(shí)，對(duì)于B-G 矩形螺紋接頭，在不計(jì)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(yīng)力已接近玻璃鋼管材的強(qiáng)度極限。 因此，一旦有外力的擾動(dòng)（內(nèi)壓波動(dòng)或流體振動(dòng)），極易發(fā)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(yīng)力分布曲線

3 防護(hù)建議

為防止B-G 螺紋接頭在季節(jié)交替時(shí)的脫扣失效，提出防護(hù)建議如下：

a. 敷設(shè)管道時(shí)應(yīng)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(shí)一定要保證同軸度，以免因不對(duì)中而引起的螺紋損傷降低連接強(qiáng)度；

c. 對(duì)整個(gè)管系應(yīng)做好保溫舉措，以削弱地溫變化對(duì)管體產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力的影響。

4 結(jié)束語

通過分析季節(jié)性溫差造成地溫的變化和玻璃鋼油管螺紋接頭處的應(yīng)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(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)，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(xué)性能提供理論依據(jù)。