大口徑高鋼級管道低溫絕緣接頭的設計

張海倫，顧曉婷，王宇，閆鋒，支樹潔

（1.長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100；2.油氣鉆采工程湖北省重點實驗室，湖北武漢 430100；3.國家管網集團北方管道有限責任公司管道科技研究中心，河北廊坊 065000）

近些年來中國油氣管道行業快速發展，西氣東輸、中緬、中俄東線等大口徑、大輸量、高壓力天然氣管道[4]陸續建成運營，形成重要的天然氣能源陸上運輸通道，以中俄東線管道為例，中俄東線天然氣管道是我國運營的首條采用X80 管材、1 422 mm 口徑管道。因此長輸油氣管道建設趨向高壓力、大口徑和高鋼級方向發展，同時也對絕緣接頭的設計方法和生產質量提出了更高的要求。

國內外大量學者對絕緣接頭設計進行了研究。KEN等[5]通過對整體絕緣接頭整體結構的研究，分析了絕緣接頭失效的原因；CAI等[6]將有限元理論與數值計算方法結合，模擬了焊接過程產生的溫度場和應力場對于絕緣接頭密封圈性能的影響；張文學等[7]通過ABAQUS 建立整體絕緣接頭的有限元模型，分析了不同軸向拉力和外彎矩作用下的密封可靠性；彭常飛等[8]通過有限元的方法，建立不同的整體絕緣接頭模型，分析了不同工況下絕緣接頭O 型密封圈的密封性能；楊政等[9]通過分析絕緣環的應力分布以及影響因素，發現絕緣環的壓應力與絕緣接頭制造時的預壓應力有關。雖然國內外大量學者對絕緣接頭進行了深入研究，但目前為止國內還未出現一部針對中俄東線大口徑、高壓力、高寒環境的絕緣接頭設計的國家標準。絕緣接頭的設計計算方法，國內參考的規范主要是SY/T 0516—2016 和NB/T 47054—2016，但這些規范都有一定的局限性：SY/T 0516—2016 適用范圍為介質溫度不超過100 ℃，未明確指出最低適用溫度；NB/T 47054—2016適用范圍為公稱直徑不大于1 400 mm，與中俄東線1 422 mm 管線不符合。筆者通過翻閱和調研國外對于絕緣接頭設計方案，認為可依據ASME BPV Code Section ⅧDvi.1—2011 進行絕緣接頭的計算。基于此，對 SY/T 0516—2016、NB/T 47054—2016 與 ASME BPV Code Section ⅧDvi.1—2011 中關于絕緣接頭法蘭計算、絕緣環選材以及檢驗、絕緣填料選材、密封圈選材與檢驗、短管選材設計等絕緣接頭設計的關鍵問題的差異進行對比分析。

1 絕緣接頭設計

絕緣接頭[10]是廣泛應用于油氣管道陰極保護中重要的管道安全附件，用來把有陰極保護的管段和無陰極保護管段隔離開的連接裝置。絕緣接頭[11]不僅具備電化學保護要求的電絕緣性能和耐擊穿性能，還具備埋地鋼質管道要求的密封性能和強度性能。絕緣接頭主要由鋼質凸緣法蘭、固定套、密封件、法蘭間的絕緣環、絕緣填料以及與法蘭小端分別焊接的一對鋼質短管多種部件構成，具體見圖1。

圖1 絕緣接頭結構

1.1 絕緣接頭法蘭計算

國外對于絕緣接頭的設計計算參考ASME BPV Code Section ⅧDvi.1—2011，其計算結果與我國GB/T 150.3《壓力容器 第3 部分：設計》中提供整體法蘭計算結果相同，僅僅是公式中的符號表達不同。法蘭的螺栓力是內壓產生的載荷，以下為在操作狀態下，法蘭1、法蘭2 和法蘭3 應力計算和校核的方法。

1.1.1 凸緣法蘭 左凸緣法蘭的結構尺寸和受力圖見圖2，其中W 為螺栓載荷；FD為軸向應力，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2 左凸緣法蘭的結構尺寸和受力

內壓引起的總軸向應力F 為：

內壓引起的作用于法蘭頸部下端內徑截面上的法向力Fb為：

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

法蘭設計力矩M0：

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：

組合應力需滿足以下條件：

剛度指數J 為：

式中：DG-墊片壓緊力作用中心圓直徑，mm；P-計算壓力，MPa；Di-扣除腐蝕裕量后的法蘭或筒體端部結構內直徑，mm；m-墊片系數；LD-螺栓中心至FD作用位置處的徑向距離，mm；LT-螺栓中心至FT作用位置處的徑向距離，mm；δ1-法蘭端面大端有效厚度，mm；δf-法蘭有效厚度，mm；M0-法蘭的設計力矩，N·mm；-設計溫度下法蘭材料的許用應力，MPa；f-整體法蘭頸部應力校正系數；λ、β、Y、Z-相關系數；V1-整體法蘭系數；E-法蘭材料的彈性模量，MPa；δ0-法蘭頸部小端有效厚度，mm；K-法蘭外徑與內徑比值；h0-參數。

法蘭1 左凸緣法蘭與法蘭2 右凸緣法蘭的計算方法相同。

1.1.2 法蘭3（固定套）法蘭3（固定套）結構尺寸和受力見圖3。

圖3 法蘭3（固定套）的結構尺寸和受力

法蘭3 設計力矩M0：

法蘭3 法蘭頸部軸向應力σHr、法蘭環徑向應力σRr、法蘭環切向應力σTr及內徑處環向應力σTr'分別為：

組合應力需滿足以下條件：

式中：fr、λr、βr、Yr-相關系數；Df-反向法蘭環內直徑，mm；er-參數，mm-1；Kr-反向法蘭外徑D0與內徑Df之比。

1.2 絕緣接頭短管設計

針對短管的材質：SY/T 0516—2016 規定，短管的材質應與絕緣接頭相連管道的材質相同或相近，并具有良好的可焊性；而NB/T 47054—2016 規定短管材質應符合GB/T 9711 要求的鋼管，也可采用符合GB/T 6479 要求的鋼管。針對短管的制作：NB/T 47054—2016 中規定可以采用符合GB/T 713 和GB/T 3531 規定的鋼板卷制；而SY/T 0516—2016 規定鋼質短管可采用與管道鋼管材質相同或相近的鋼板卷制。兩標準均強調卷制鋼板應符合GB 150.2 的要求，但SY/T 0516—2016 要求鋼質短管的公稱直徑大于或等于DN350 才可以進行鋼板卷制（表1）。

表1 短管制作

國內絕緣接頭短管壁厚的計算公式主要參考的是GB 50251—2015，國外主要參考的是ASME B 31.8—2012。國標和美標壁厚計算方法[12]是相同的，僅部分參數表述略有差異（表2），國標中焊縫系數φ，在美標中是軸向連接系數Ja，但其物理意義是相同的，因此在相同工況條件下，按照國標和美標的壁厚計算值是相同的。GB 50251—2015 對于[13]一級一類地區規定設計系數可以選擇0.8 或者0.72，ASME B 31.8—2012 對于一級一類地區規定設計系數選擇0.8。中東線可以根據實際工況選取設計系數。

表2 短管壁厚設計公式差異

2 絕緣件

絕緣件是整體式絕緣接頭的重要組成部分，其不僅對絕緣接頭起到電絕緣作用，在絕緣接頭承受內壓和彎矩時還是一個承壓元件。絕緣接頭主要的絕緣件有絕緣環、絕緣填料、密封圈以及內、外涂層。

2.1 絕緣接頭絕緣環

絕緣環主要起阻斷法蘭間電流傳導作用，鑲嵌于法蘭間。絕緣環的材料選擇應考慮在設計年限內具有良好的電絕緣性能、耐腐蝕性能。在制作方面，SY/T 0516—2016 規定絕緣接頭中的絕緣環應該是通過整體絕緣板制作而成（表3），這樣相對于通過拼接的方式制作的絕緣板具有更高的安全可靠性。在選材方面，SY/T 0516—2016 對于設計壓力大于或者等于6.3 MPa時，宜選用環氧層壓玻璃布板制作；NB/T 47054—2016對于長期暴露在輸送介質中的絕緣環，宜選用高強度環氧玻璃布層壓板制作。通過對于絕緣材料的調研研究，結合中俄東線高寒的工況，絕緣環宜選用環氧樹脂制作。環氧樹脂[14]具有良好的粘接性能、化學穩定性、加工性能及絕緣強度高，在低溫條件下穩定性更高。在厚度要求方面，由于SY/T 0516—2016 綜合輸油和輸氣兩種管道運輸考慮的，規定公稱直徑大于DN100 的絕緣接頭，所用絕緣環和絕緣密封件的厚度不應小于12 mm，但對于中俄東線高壓、低溫輸氣工況應提高絕緣環厚度。

表3 絕緣接頭絕緣環設計差異

對比國內外絕緣環檢測標準，絕緣環的部分檢測項目存在差異（表4），相同檢測項目性能指標也存在差異。出現這種差異的根本原因在于國內外對于檢測項目的工藝流程要求的不同以及對于絕緣板性能要求的不同。中俄東線可結合實際工況需求以及檢驗設備，在不影響絕緣環性能的條件下可適當調整檢測項目。

表4 絕緣環檢測差異

2.2 絕緣接頭絕緣填料

絕緣填料主要應用于絕緣接頭的縫隙內，主要起著絕緣和密封作用，因此需要一定的抗壓、抗拉強度以及電絕緣性能。對于絕緣填料材料對比見表5：SY/T 0516—2016 規定，環氧樹脂作為主要材料；但在NB/T 47054—2016 中絕緣填料選擇的是氟橡膠或者氟硅橡膠。氟橡膠是一種主鏈碳原子或側鏈碳原子上連接有氟原子的一種合成橡膠，其特點是耐高溫、耐油及耐多種化學藥品，而環氧樹脂[15-18]是一種常用的基體樹脂材料，具有粘結力強、電絕緣性能優良、易加工成型、填料組合性能好、耐磨性能優異等特點。對比兩種材料以及結合中俄東線環境特點，絕緣填料選用選用環氧樹脂更加適合。

表5 絕緣填料標準對比

2.3 絕緣接頭密封圈

針對密封圈選材（表6），NB/T 47054—2016 和SY/T 0516—2016 均規定可以選用氟橡膠制作，但NB/T 47054—2016 規定在一些情況下也可以用氟硅橡膠制作；國外標準ASTM D1418—2017 規定，密封圈宜采用硅橡膠制作。這三種膠料都具有良好的彈性和電絕緣性能、低吸水性、高抗壓強度，在高壓密封的情況下，氟橡膠對壓縮率更為敏感，但一般通過調節氟硅橡膠的壓縮率可以達到密封要求。關于密封圈的密封形式，SY/T 0516—2016 規定密封圈宜采用U 型和O 型的自緊式密封結構，ASTM D1418—2017 規定密封圈采用O 型密封圈。相較于O 型自緊式密封圈，U 型自緊式密封圈具有更加優良的密封效果。

表6 密封圈設計對比

對所選氟硅橡膠材料進行性能測試，國內檢測項目相較于國外檢測項目更多，性能指標高于國外相關標準（表7）。針對于中俄東線高寒、高壓的特點可以選用U 型自緊式密封圈，密封圈可用氟硅橡膠制作。

表7 國內密封圈檢測

2.4 絕緣接頭內、外涂層

針對內、外涂層的選材（表8），NB/T 47054—2016規定以非導電環氧類底漆和面漆作為內、外涂層的涂料；而SY/T 0516—2016 規定以無溶劑型液體環氧涂料、環氧酚醛涂料或熔結型環氧粉末作為涂料。國外對于內、外涂層主要參考的是AWWA-C210—2015 標準，選擇液體環氧涂層作為內、外涂層材料。相較于液體環氧涂層，無溶劑型液體環氧涂料、環氧酚醛涂料或熔結型環氧粉末[19]性能特點相近，都具有較強的附著能力、對陰極保護電流無屏蔽、耐高寒和高溫環境以及在溫差較大的地段耐土壤應力和陰極剝離性能好。針對中俄東線高寒環境，可以選擇無溶劑型液體環氧涂料、環氧酚醛涂料或熔結型環氧粉末作為內、外涂層的涂料。

表8 內、外涂層選材

3 絕緣接頭檢測

3.1 試驗與檢驗

對整體式絕緣接頭進行試驗與檢驗（表9），不同規范的檢驗和試驗項目各有不同，國外規范未對絕緣接頭檢驗項目做具體說明。但檢測項目主要從以下幾點出發：絕緣接頭是否滿足強度要求；絕緣接頭的密閉性是否良好；絕緣接頭絕緣性能是否符合要求；內、外涂層性能是否滿足需要；外觀是否平整美觀。

表9 試驗和檢驗對比

3.2 無損檢測

對于絕緣接頭的無損檢驗，SY/T 0516—2016 規范相對于ASME BPV Code Section ⅧDvi.1—2011 規范，在進行無損檢測時增加了超聲檢測。在驗收規則上，SY/T 0516—2016 規范要求射線檢測達到Ⅱ級、磁粉檢測達到Ⅰ級和滲透檢測達到Ⅰ級，而ASME BPV Code Section ⅧDvi.1—2011 規范根據顯示結果來確定是否達到要求（表10）。由于超聲波檢測是利用缺陷端點的衍射波信號來檢測缺陷并測定其尺寸，具有缺陷檢出率高、定量精度高、定位準確、操作方便及檢測成本低等特點，可用于檢測和判別管體和長裂縫缺陷。故針對中俄東線大口徑、高鋼級的實際工況，應該增加超聲波檢測。

表10 無損檢測的對比

4 結論

（1）絕緣接頭中整體法蘭計算方法可以按照GB 150.3 規范進行計算，也可以參考ASME BPV Code Section ⅧDvi.1—2011 規范進行計算，兩種方法在計算公式上是相同的，僅僅只有公式中的符號不同。短管的設計可以參考GB 50251—2015 也可以參考ASME B 31.8—2012 規范，在設計系數選擇上可參考實際情況進行優選。

（2）考慮到中俄東線天然氣管道工程，壓力高、管徑大和溫度低以及材料的性能，得出：絕緣環材料應由大規格絕緣板制成，材料選擇環氧樹脂，最小厚度可以相較于SY/T 0516—2016 規定的12 mm 進行適當提高；絕緣填料可選用氟橡膠或者氟硅橡膠；密封圈應選用氟硅橡膠制作，密封元件采用U 型自緊式結構，且應整體模壓成型；內、外涂層的涂料應用無溶劑型液體環氧涂料、環氧酚醛涂料或熔結型環氧粉末制作。

（3）對于絕緣接頭的試驗與檢驗，可以參考SY/T 0516—2016。主要測試了整體式絕緣接頭的強度、密封性、絕緣性能以及內、外涂層是否符合要求。在進行無損檢測時應增加超聲波檢測技術。