油田地面內(nèi)襯管線連接的優(yōu)化設(shè)計

劉峰 劉曉瑋 訾曉晨 謝文獻 王錦程 董德寶

1中國石油大學(xué)（華東）機電工程學(xué)院

2河北華北石油港華勘察規(guī)劃設(shè)計有限公司

3勝利油田分公司勝利采油廠

勝利油田從開采至今已經(jīng)歷了40 余年的歷程，現(xiàn)已進入特高含水期，特別是“十一五”末，老油田各種開發(fā)矛盾逐步加劇，主要為井網(wǎng)老化、井筒老化和地面設(shè)備老化的“三老”現(xiàn)象[1]?！笆濉币詠?，勝利油田圍繞“打造整裝水驅(qū)示范油田”，持續(xù)開展老油田治理，井網(wǎng)老化、井筒老化得到有效治理，開發(fā)經(jīng)營形勢持續(xù)向好。但由于地面設(shè)備老化，特別是地面管網(wǎng)腐蝕問題尚無有效的治理措施，管線穿孔頻率居高不下，嚴重影響了地面系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。由于地面管網(wǎng)采出液具有高H2O、高礦化度、高出砂“三高”特點[2-3]，油井產(chǎn)液工況介質(zhì)環(huán)境日趨復(fù)雜，管線內(nèi)腐蝕嚴重。據(jù)統(tǒng)計，管線內(nèi)腐蝕導(dǎo)致穿孔占70.2%，管線外腐蝕導(dǎo)致穿孔占25.3%，其他原因?qū)е麓┛變H占4.5%。研制的環(huán)氧粉末涂層、膠粘劑層和聚乙烯層三層防護已解決管線外層的腐蝕問題[4]。綜合考慮管內(nèi)涂層襯非金屬、金屬材料的工藝性，性能及防腐效果等方面因素，管線內(nèi)層的防腐蝕選用HDPE（高密度聚乙烯）內(nèi)襯管[5-6]。

地面管線管與管的連接型式很多，有螺紋連接、法蘭連接、由壬連接、卡套連接、卡箍連接等，每種連接各有其特點[7-8]。根據(jù)油田地面管線安裝、維修、更換等要求，注水管線需要埋地700 mm 以下，油田注水管線采用由壬連接。

本文主要應(yīng)用ANSYS 有限元軟件，通過設(shè)計連接結(jié)構(gòu)，建立內(nèi)襯管與管之的連接模型，優(yōu)化連接參數(shù)并探討管與管連接受介質(zhì)壓力、溫度影響引起的應(yīng)力，研究結(jié)果可為油田地面管線的建設(shè)與安全防護提供一定的指導(dǎo)。

1 管線連接設(shè)計

1.1 連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計

圖1 由壬連接結(jié)構(gòu)Fig.1 Union connection structure

1.2 連接參數(shù)的優(yōu)化

1.2.1 模型的計算參數(shù)

1.2.2 連接結(jié)構(gòu)的強度校核標(biāo)準

由于由壬連接管線螺紋的受力十分復(fù)雜，常處于三向應(yīng)力狀態(tài)，因此工程中常采用Von Mises 屈服條件對其進行強度校核，即認為管線由壬連接螺紋的最大形狀改變比能達到一定值時發(fā)生屈服[9]，其表達式為

式中：σ1、σ2、σ3分別為第一、第二、第三主應(yīng)力，MPa；Φ為設(shè)計系數(shù)，對于一級地區(qū)，Φ=0.72；σs為管材的屈服應(yīng)力，MPa。

1.2.3 連接螺紋不同牙型、參數(shù)的有限元分析

建立的內(nèi)襯管線連接有限元模型如圖2 所示。管線在工作工況下，由壬連接受到預(yù)緊力和管線注水壓力的共同作用。

圖2 三維模型Fig.2 3D model

預(yù)緊狀態(tài)下預(yù)緊力的計算公式[10]如（2）式所示。

式中：Fa為預(yù)緊力，N；b為墊片的有效密封寬度，bo為墊片基本密封寬度，mm（bo≤6.4 mm時，b=bo；bo＞6.4 mm 時，為有效密封直徑，即密封面壓緊力中心圓直徑（bo≤6.4 mm 時，DG等于墊片接觸的平均直徑；bo＞6.4 mm 時，DG等于墊片接觸外徑減去2b），mm；y為密封比壓，取0.1。

對密封墊施加壓緊力時，需要考慮密封墊的失效問題，包括預(yù)緊力過小造成的密封不嚴、預(yù)緊力過大造成的密封墊損壞。因此，墊片在預(yù)緊時，既要壓緊以使其單位有效密封面積上的壓緊力不小于預(yù)緊力，又不能使其壓緊力過大以防止其被壓成塑性變形。對平面密封的情況，為防止墊片被壓成塑性變形應(yīng)控制墊片預(yù)緊壓緊力不大于4 倍的預(yù)緊力。不同牙型、不同螺距施加的最大預(yù)緊力計算結(jié)果如表1 所示。

表1 最大預(yù)緊力Tab.1 Maximum preload

在施加預(yù)緊力的基礎(chǔ)上管內(nèi)施加25 MPa 的壓力，進行有限元分析，分析結(jié)果如圖3、圖4 所示。通過Ansys 分析，得到的螺紋所受最大應(yīng)力結(jié)果如表2 所示。

圖3 25 MPa 工作工況三角螺紋由壬連接應(yīng)力云圖Fig.3 Stress cloud chart of union connection with triangular thread under the working condition of 25 MPa

圖4 25 MPa 下工作工況梯形螺紋由壬連接應(yīng)力云圖Fig.4 Stress cloud chart of union connection with trapezoidal thread under the working condition of 25 MPa

表2 不同螺距的三角螺紋和梯形螺紋所受最大應(yīng)力Tab.2 Maximum stress on triangle thread and trapezoidal thread with different pitch

根據(jù)表2 可以得出：①不同牙型、不同螺距對應(yīng)的由壬螺紋最大應(yīng)力不相同；②在螺距為2 mm，3 mm，4 mm 時，采用梯形螺紋的由壬連接螺紋最大應(yīng)力小于采用三角螺紋的由壬連接；③工作工況螺紋牙最大應(yīng)力出現(xiàn)在接箍螺紋最后幾扣位置。

因此，從自鎖性及螺紋牙強度兩方面綜合考慮，選擇梯形螺紋，螺距為4 mm 的由壬連接結(jié)構(gòu)較為合適。

2 由壬連接螺紋受溫度影響分析

由于埋地管線距離較長，管外土壤的溫度梯度沿管軸方向相對于徑向來說可以忽略不計，散熱可取管線橫截面溫度分布進行計算；同時不考察季節(jié)性大氣溫度和啟動停輸過程的影響，認為土壤傳熱處于穩(wěn)定狀態(tài)。

分析思路為：先分析不同溫度下單根油管的熱應(yīng)力，從0～75 ℃每隔5 ℃作為溫度梯度，從而確定最大熱應(yīng)力對應(yīng)的溫度；之后在該溫度下對不同數(shù)目的管線進行靜力學(xué)與熱力學(xué)耦合分析。初始溫度為軟件默認常溫22 ℃。

分析過程為：先在Ansys 軟件中進行管線溫度分析，完成材料及接觸設(shè)置后，在內(nèi)襯內(nèi)表面施加0～75 ℃每隔5 ℃的溫度梯度，管線外表面施加0 ℃溫度，設(shè)置對流換熱系數(shù)為0.25。再進行靜力學(xué)耦合分析，將管線內(nèi)襯兩端施加固定約束，導(dǎo)入溫度載荷，得到不同溫度下的熱應(yīng)力云圖，根據(jù)得到的應(yīng)力云圖繪制圖5 所示的單根油管熱應(yīng)力與溫度曲線。從圖中明顯可以看出，在0～75 ℃溫度范圍內(nèi)，最大熱應(yīng)力對應(yīng)的溫度為75 ℃，管線受熱膨脹最大。以最大熱應(yīng)力對應(yīng)的溫度75 ℃分析通過由壬連接多少根管線連接螺紋才能夠滿足強度要求。

圖5 單根油管熱應(yīng)力與溫度關(guān)系曲線Fig.5 Curve of relationship between thermal stress and temperature of single tubing

通過Ansys 分析得到由壬連接不同數(shù)目管線產(chǎn)生的應(yīng)力云圖，如圖6 所示。

由圖6 結(jié)果可以看出，兩根到六根油管連接由壬螺紋處最大應(yīng)力（表3）。顯然對于N80 油管，需要每隔6 根加一個可伸縮由壬。

表3 由壬連接多根油管由壬處的最大應(yīng)力Tab.3 Maximum stress at the union of multiple oil pipes connected by union

3 可伸縮由壬連接結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了防止介質(zhì)溫度高（75 ℃）使得管線熱膨脹，導(dǎo)致由壬連接處螺紋所受應(yīng)力過大引起失效，設(shè)計了自由伸縮的由壬結(jié)構(gòu)（圖7）。圖7a 為可伸縮由壬伸至最長，圖7b 為可伸縮由壬連接縮至最短。通過自由伸縮可減少由壬連接螺紋處由熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力。

圖7 可伸縮由壬連接結(jié)構(gòu)Fig.7 Retractable structure with union connection

4 結(jié)論

根據(jù)管線連接各自的優(yōu)缺點和應(yīng)用場合，考慮到油區(qū)地面管線安裝和維修更換要求，加之注水管線需要埋地，選擇并設(shè)計了油田地面內(nèi)襯管線的由壬連接結(jié)構(gòu)。

為了滿足熱脹冷縮，消除熱應(yīng)力的影響，設(shè)計了可伸縮的由壬連接結(jié)構(gòu)。