整體式絕緣接頭結構設計方法

， 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)項目經理部； b.國際事業部， 河北 廊坊 065000)

整體式絕緣接頭結構設計方法

趙赫1，趙振興2a，許遠斌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)項目經理部； b.國際事業部， 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，絕緣接頭的設計直接關系到絕緣接頭的密封和絕緣性能。對于絕緣接頭的設計計算，國內沒有相關的規范規定，也沒有相關的文獻供參考。基于多年國外項目絕緣接頭廠家技術文件的審查經驗，認為可依據ASME BPV Code Section Ⅷ Div.1規范進行絕緣接頭計算，與按照GB 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設計》中的整體法蘭計算結果一致，僅所用符號不同。從結構形式、強度計算等方面介紹了絕緣接頭密封結構、法蘭結構的設計計算，具有一定的參考價值。

絕緣接頭； 結構； 密封； 法蘭； 設計

隨著高壓力、大口徑管線的發展，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]。絕緣接頭的設計決定了其絕緣性、密封性、預緊力、強度和剛度等性能指標。在實際工程中，往往因絕緣接頭結構設計不合理或計算不正確等原因，導致絕緣接頭內部發生泄漏，出現密封失效、絕緣性能破壞等問題，嚴重影響管道的投運。對于絕緣接頭的設計計算，目前國內沒有相關的規范規定，也沒有相關的文獻供參考。筆者通過對國外絕緣接頭計算書的審查研究，認為可依據ASME BPV Code Section Ⅷ Div.1—2011《Rules for Construction of Pressure Vessels》[4]進行絕緣接頭的計算，其計算結果與GB 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設計》中整體法蘭的計算結果一致，僅所用符號不同[5]。

1 絕緣接頭整體結構形式

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

圖1 整體式絕緣接頭結構

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

2 絕緣接頭密封結構設計

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形密封圈結構具有較好的密封性能和耐高壓性能。O形密封圈應采用合適的密封溝槽結構。各種密封結構見圖2～圖4。單V形溝槽結構密封性能優于矩形溝槽密封性能[6-9]。

圖2 單V形溝槽結構示圖

圖3 矩形溝槽結構示圖

圖4 U形密封結構示圖

根據密封理論，O形密封圈實現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 絕緣接頭法蘭結構設計

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現，國外絕緣接頭計算依據的是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，計算結果一致，僅所用符號不同。按整體法蘭計算結果偏保守，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壓加外彎矩致絕緣接頭在相接管子上產生72%材料屈服強度的軸向拉力，最終結果是絕緣接頭既能承受內壓又能承受彎矩[10]。

法蘭螺栓力為內壓產生的載荷，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

操作狀態下法蘭1的螺栓載荷W、軸向應力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結構尺寸及受力

內壓引起的總軸向力F為：

F=0.785DG2p

(1)

內壓引起的作用于法蘭頸部小端內徑截面上的法向力Fb為：

Fb=0.785Dip

(2)

內壓引起的作用于法蘭內徑截面上的軸向力為FD，則內壓引起的總軸向力F與FD之差為：

FT=F-FD

(3)

法蘭1設計力矩M0：

M0=FDLD+FTLTm

(4)

法蘭頸部軸向應力σH、法蘭環徑向應力σR及法蘭環切向應力σT分別為：

(5)

(6)

(7)

組合應力需滿足以下條件：

(8)

剛度指數J為：

(9)

3.2 法蘭2

法蘭2結構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結構尺寸及受力情況

3.3 法蘭3

法蘭3結構尺寸及受力情況見圖7。

法蘭3設計力矩M0：

M0=WLD

(10)

其中

W=FD+FT=F

(11)

法蘭3頸部軸向應力σHr、外徑處徑向應力σRr、外徑處環向應力σTr及內徑處環向應力σTr′分別為：

(12)

(13)

(14)

(15)

組合應力需滿足：

(16)

式(12)～式(16)中，fr為反向法蘭應力校正系數；Df為反向法蘭環內徑，δf為法蘭3有效厚度，mm；Kr、Yr、er、λr為系數。

4 結語

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

絕緣接頭計算中僅考慮了操作狀態下的載荷，未考慮外加彎矩。設計文件中需提出絕緣接頭進行水壓加彎矩試驗的要求，要求在設計壓力和附加彎矩共同作用下，相接管線管段內產生的縱向應力不應小于72%的管材標準屈服強度下限值[13-16]。

絕緣接頭的封閉焊縫宜設置在端部，優點是焊縫遠離密封材料和絕緣材料，焊接產生的熱量對其影響較小，焊接質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構形式，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構有所不同，但形式大同小異，可參照文中方法進行計算和結構設計。

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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，現主要從事油氣長輸管道及石油儲庫設計工作。

TQ055.8； TE973.1

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.06.006

(張編)