外連接預應力隔熱管改進及受力分析

(1.遼河油田 鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124010； 2. 遼河鉆采裝備分公司，遼寧 盤錦 124010)

在注蒸汽開采稠油過程中，由于注入蒸汽與地層之間存在溫差而產生能量損失，影響了油田的開發效果。下入隔熱管是提高井筒熱阻、降低熱損失的主要措施之一[1-4]，既能提高井底注入蒸汽的干度，保證更多能量進入油層，又能降低套管溫度，防止套管和水泥環產生熱損壞，提高套管的使用壽命。

國內外學者針對隔熱管，在結構設計、材料性能及焊接工藝等方面進行了研究[5-6]，指出了隔熱管在接箍處熱損失較大[7]，并通過室內試驗得出接箍與隔熱管外壁處存在長度約為0.5 m的熱橋[8]，但未提出降低隔熱管接箍熱損失的改進措施。同時，在受力分析時，隔熱管柱的熱伸長量常采用經驗公式確定，未考慮隔熱管預應力和內外管受熱不均的影響。閆相禎等[9]建立了考慮內外管裝配應力的隔熱管最佳脹率設計方法，但在裝配載荷計算時未考慮內外管初始長度不同的影響。

本文在前人研究的基礎上，提出降低隔熱管接箍處熱損失的改進方案。建立考慮裝配應力和內外管溫差影響的隔熱管綜合受力分析模型，對提高隔熱管隔熱性能和使用壽命均具有重要的意義。

1 外連接預應力隔熱管結構

預應力隔熱管結構包括外連接、內連接及無接箍內連接等方式，其中外連接方式應用最多。外連接預應力隔熱管結構如圖1，主要由接箍、外管、內管及隔熱層組成，其隔熱效果由視導熱系數標定。

圖1 外連接隔熱管結構

在內外管焊接時，通過對內管施加拉應力，補償受熱伸長影響，降低隔熱管內應力，提高隔熱管的使用安全性。隔熱層常采用鋁箔和玻璃纖維，纏繞在內管外壁上，組合內外管環空抽真空方式，提高隔熱管隔熱效果。同時，在環空要添加鋯釩鐵等吸氣劑，既可維持環空真空度，又可吸附環空中H2，防止隔熱管在工作時氫滲而產生氫脆，引起隔熱管斷裂。近年來，也有設計者嘗試采用氣凝膠作為隔熱材料，以提高內外管環空泄露時的隔熱效果。

2 降低接箍熱損失措施

隔熱管接箍處與蒸汽直接接觸，是注汽管柱的主要熱損失部位。為降低隔熱管接箍處熱損失，可采用3種改進方法：安裝接箍密封器、改進內外管焊接位置或使用隔熱接箍。

2.1 安裝接箍密封器

接箍密封器由上支撐環、下支撐環及隔熱套3部分組成。在隔熱管柱連接入井過程中，兩端隔熱管壓緊接箍密封器(如圖2)，在隔熱管柱接箍處形成了具備伸縮空間的密閉隔熱層，具有提高接箍處熱阻的作用[10]，還可補償管柱的熱伸長。同時，由于接箍密封器內通徑與隔熱管一致，也提高了后續隔熱管柱內部測調工具的起下安全性。在現場應用時，為控制生產成本，蒸汽吞吐常采用B級隔熱效果的接箍密封器，蒸汽驅常采用C級隔熱效果的接箍密封器。

圖2 接箍密封器連接結構

2.2 改進內外管焊接位置

在隔熱管內外管預應力焊接時，如圖3所示，盡量縮短外管端面與環焊縫的距離，以減少隔熱管柱接箍位置未受隔熱系統保護處與注入蒸汽的接觸面積，起到降低接箍處熱損失的作用。

2.3 使用隔熱接箍

隔熱接箍包括外套、隔熱套及接箍3部分。如圖4所示，隔熱接箍在管柱接箍處的外面包裹了一層隔熱材料，起到提高隔熱管接箍熱阻的作用，減小接箍處向環空的熱輻射，進而降低隔熱管柱接箍處的熱損失。

a 改進前

b 改進后

圖4 安裝隔熱接箍的外連接隔熱管結構

3 受力分析

隔熱管在使用過程中受力情況復雜，包括預應力裝配載荷、熱載荷、軸向載荷及內外壓等。

3.1 裝配載荷

如圖5所示，假設內管初始長度為l，裝配時熱伸長量為Δl。

圖5 外連接隔熱管的裝配關系示意

外管初始長度為：

Lout=l+Δl

(1)

內管初始長度為：

Lin=l

(2)

由變形協調得：

(3)

由受力平衡得：

Nin=Nout

(4)

聯立式(3)和式(4)得，內管常溫裝配力(拉應力，符號正)和外管常溫裝配力(壓應力，符號負)分別為：

(5)

式中：Δl為內管裝配時加熱伸長量，mm；ΔLin為內管冷卻至室溫時伸長量，mm；ΔLout為外管冷卻至室溫時壓縮量，mm；Lin為內管原始長度，mm；Nin為內管冷卻至室溫時拉力，N；Nout為外管冷卻至室溫時壓力，N；E為隔熱套管材料彈性模量，MPa；Ain為內管橫截面積，mm2；Aout為外管橫截面積，mm2。

3.2 熱載荷

1) 熱應力。

假設隔熱管在承受熱載荷時長度不變，則內外管熱作用力分別為：

(7)

式中：Fin為內管熱作用力，N；Fout為外管熱作用力，N；λ為鋼材線膨脹系數，1/℃；A為管柱的橫截面積，mm2；Tin為內管受熱后溫度，℃；Tout為外管受熱后溫度，℃；T0為初始溫度，℃。

2) 熱伸長量。

在隔熱管受熱時，由于內外管裝配預應力、內外管溫差及變形協調方程的影響，內外管伸長并不能按照理論伸長量簡單計算。假設隔熱管受熱后伸長量為ΔLth，則內外管受力平衡方程為：

(8)

化簡后得，隔熱管熱伸長為：

(9)

3.3 軸向載荷

隔熱管承受軸向載荷由內外管共同承受。

(10)

式中：Qin和Qout為分別為內管和外管承受的軸向力，N；Fax為隔熱管整體承受的軸向力，N。

3.4 內外壓力

由于隔熱管內外管間抽真空，外管僅承受外壓，內管僅承受內壓，由厚壁圓筒的拉梅公式可推出內外管危險處應力值。

(11)

式中：σr_in和σr_out為分別為內管和外管承受的徑向應力，MPa；σθ_in和σθ_out為分別為內管和外管承受的周向應力，MPa；pin為內管承受的內壓，MPa；pout為外管承受的外壓，MPa；Rin和rin為分別為內管的外徑和內半徑，mm；Rout和rout為分別為外管的外徑和內半徑，mm。

4 計算實例

采用MATLAB軟件建立了常用的114 mm×76 mm隔熱管(參數如表1)的分析模型。

表1 114 mm×76 mm隔熱管技術參數

4.1 裝配載荷分析

在內管裝配拉伸量為1～3 mm/m的條件下，對隔熱管裝配應力和內管伸長量進行了分析，計算結果如圖6。隨著內管裝配拉伸量的增加，內外管裝配應力和內管伸長量均線性增加，內管承受拉應力，外管承受壓應力。由于內外管在裝配時變形協調的影響，內管在裝配過程中的拉伸回縮量隨內管裝配拉伸量的增加而增加，當內管裝配拉伸量為3 mm/m時，內管裝配后的拉伸回縮量為11.82 mm。

4.2 熱載荷分析

在隔熱管內管裝配拉伸量為1.8 mm/m的條件下，分別對隔熱管在裝配載荷、熱載荷及熱伸長釋放載荷綜合作用下的應力和熱伸長進行分析，計算結果如圖7。

a 裝配應力

b 內管伸長量

a 熱伸長量

b 綜合應力

由圖7a可知，隔熱管熱伸長量隨內管和外管溫度的升高而增加，由于裝配載荷和內外管變形協調的影響，熱伸長量小于簡單計算得到的結果。由圖7b可知，在內管溫度不變的條件下，隨著外管溫度的升高，內管綜合應力逐步由壓應力轉變為拉應力，外管綜合應力逐步由拉應力轉變為壓應力。這是由于內外管溫差和裝配載荷的存在，在外管溫度低時，外管阻礙了內管熱伸長變形，而外管溫度較高時，外管因熱伸長增加，釋放了內管熱膨脹變形能力。在隔熱管內管300 ℃、外管80 ℃時，隔熱管的熱伸長為14.06 mm，內管綜合應力為-46.24 MPa，外管綜合應力為35.87 MPa。

4.3 綜合載荷分析

在隔熱管內管溫度350 ℃、承受內外壓17 MPa的條件下，分別對內管裝配拉伸量1～3 mm/m和外管溫度80～140 ℃時隔熱管的Mises應力進行分析，計算結果如圖8。

a 外管

b 內管

考慮隔熱管綜合受力(包括裝配載荷、熱載荷、內外壓)影響的基礎上，如圖8a，隔熱管外管Mises應力隨外管溫度和內管裝配拉伸量的增加而降低。如圖8b，內管Mises應力隨外管溫度升高而降低、隨內管裝配拉伸量的增加先降低后增加。在外管溫度100 ℃、內管裝配拉伸量1.8 mm/m時，外管和內管的Mises應力分別為220.39 MPa和148.89 MPa。在隔熱管裝配拉伸量設計和管柱受力分析時，可利用建立的模型，根據隔熱管隔熱性能和工作環境進行模擬，以有效提高隔熱管安全性和使用壽命。

5 結論

1) 介紹了外連接預應力隔熱管的結構和隔熱原理，提出了3種降低隔熱管接箍處熱損失的措施：安裝接箍密封器、改進內外管焊接位置或使用隔熱接箍。

2) 建立了考慮內外管變形協調和溫差影響的隔熱管裝配載荷、熱載荷、軸向載荷及內外壓受力分析模型。

3) 采用建立的模型，對隔熱管不同條件下的裝配載荷、熱載荷及綜合載荷進行了分析，分析結果與現場實際符合。

4) 建立的分析模型可用于隔熱管裝配拉伸量設計和管柱受力分析，以提高隔熱管的使用壽命。