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26/天?与油12017年4月
NATURAL GAS AND OIL
机械复合管基管壁厚计算方法探讨
陈俊文周迎王磊胡连锋郭艳林李科
中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司,四川成都61004
摘要:机械复合管具备良好的抗腐蚀性能和经济性能,应用前景广阔。机械复合管现行设计
规范规定其基管壁按照设计压力计算,不考虑耐蚀合金内衬的承压作用。为避免基管和内衬分
层,机械复合管制造规范要求基管和内衬具有一定的紧密度,这将导致两种管层间产生残余接触压
カ。残余接触压力和内衬承压的综合影响可能导致基管承压不同于设计压カ,需进一步量化上述
作用压力,以评估现行计算方法的通应性。基于机械复合管紧密度要求,推算了内衬和基管的残余
接触压力,分析了基管在内压下的实际受力情況,提出了另一种基管壁厚计算方法,并探讨了设计
规范基管壁厚计算公式的适用性。研究表明,成管緊密度越高,则残余接触压力越大;本文提出的
计算方法考虑了内衬承受内压和残余接触压力对基管壁厚计算的影响;中高压下,现行规范基管壁
厚计算选取结果高于本文计算方法,说明现行规范计算结果可靠,但本文的计算结果更具经济性。
本文的研究成果为集输系统用机械复合管的精细化设计提供了一定的参考与借鉴。
关键词:机械复合管;残余压力;壁厚;计算
DOI:10.39695.1isa.1006-5539.2017.02.006
0前言
计规范的安全合理性,为更加准确地计算机械复合管基
随着油气集输系统介质日趋复杂,高含腐蚀介质工管壁厚提供参考和借鉴。本文将基于机械复合管紧密
况下的选材问题意义重大-。双金属复合管是解決高度要求,推算内衬和基管的残余压力,分析基管在内压
腐蚀环境腐蚀相对安全和经济的途径之一,因此得到了下的实际受力情况,并探讨月前基管壁厚计算公式的适
深入的研究和极大的发展5-。机械复合管由于成型用性
工艺较治金复合管更为简单,成本更低,因此在集输管
道中极具发展潜力。目前,机械复合管制管、现场焊接1机械复合管紧密度指标
和生产运行等技术日趋成熟。尤其对于成品机械复合
双金属内衬复合管塑性复合成型技术是利用金属
管,为保证内衬和基管的严密贴合,其紧密度具有较高管材的弾塑性能来实现内管与外管之间紧密结合的工
的要求,且相关检测手段不断发展2-1。然而,良好的艺。目前主要有水压复合工艺、爆燃复合工艺、旋压
层间紧密度将给基管施加一定的残余接触压力,即机械工艺、扩径工艺和冷拔工艺等,最为主要的工艺有水压
复合管的基管在未进行介质输送时就已经承受了内衬复合工艺和爆燃复合工艺。为保证机械复合管内衬与
的扩张压力,而这种压力对基管壁厚计算和选择的影响基管具有足够的贴合度,在现行制造规范和产品技术规
却鲜有报道。同时,现行规范中的机械复合管基管壁厚格书中通过紧密度指标进行定量要求。
计算方法也未提及残余接触压力。因此,有必要结合上
紧密度是制造过程中通过内压变化使内衬发生塑
述问题,分析机械复合管基管受力情况,并探讨现行设性变形和基管发生弹性变形获得的。将内衬和基管套
收稿日期:2016-11-26
基金项目:中国石油天然气集团公司重点工程资助项目(S2016-103D)
作者简介:陈俊文(1987-),男,四川成都人,工程师,硕土,主要从事油气田地面工程设计与研究工作。
万方数据
第35卷第2
OL& GAS GATHERING, TRANSPORTATION AND TREATMENT油?信运与処理27
装,对复合管内衬内壁表面施加均匀液压力P,内衬逐测量结果(残余接触应力或推脱力)进行后续转换处理,
渐发生弹性变形。随压力P升高,内衬进入全面屈服状以获得内树与基管间的残余接触压力。
态,与基管贴合和共同变形,并产生接触压力P.(r)。当
管内压力P卸除后,基管的弹性回复量(弹性变形)大2机械复合管残余接触压力计算
于内衬的弹性回复量(塑性变形),内衬与基管之间存在
对于上述两种紧密度测试方法,分别推导残余接触
残余接触压力P。,并紧密贴合,成型为双金属复合管。压力的计算公式
目前,机械复合管紧密度主要通过两种测试方法进2.1基于内衬应变的残余接触压力
行测定,包括基于内衬应变的紧密度试验和基于内外层
根据式(1)可知,残余接触应力(由购方与卖方商
间推脱力的紧密度试验6?。
定)受内衬弹性模量、泊松比、轴向应变和环向应变的影
1基于内衬应变的紧密度测试
响。结合测试条件,由于试验时复合管两端自由伸缩,
从衬里复合钢管上切取一小段环形试验钢管,将因此可忽略轴向应变的影响。因此式(1)可写为
2~4片双轴应变片贴于环形试验管段合金层内表面,用
E
锯切基管方法取出耐腐蚀合金层。测量取出耐腐蚀合
金层前后的环向和轴向应力变化。借助现行规范推荐
虽然内衬发生了一定程度塑性变形,但内压卸载后
的计算公式(1),可推算圆周方向的接触应力。
的内衬,其应力和应变变化仍接近线性规律,可近似借
用虎克定律表示屈服范围内的应力和应变增减,因此其
(1)环向应力可表示为
式中:,为环向残余接触应力,MP2a;E,为内衬材料的弹
性模量,MPa;v;为耐腐蚀合金层或内衬材料的泊松比;
8,为环向应变;s1为轴向应变;为应变片数量。
环向应变表示为:
规定的最小残余接触应力由购方与卖方协商确定,
e。=ELoa-(o1+o,)]
(4)
般在相关技术规格书中进行规定(本文计算分析时考式中の、为环向应力,MPa;a为轴向应力,MPa;a,为径
虑为20MPa)
向应力,MPa:;P。为残余接触压力,MPa;t,为内衬壁厚,
1.2基于内外层间推脱力的紧密度测试
mm;D,为内衬外径,mm
基于内外层间推脱力的紧密度试验更加直接:从衬
结合式(2)~(4),残余接触压力与残余接触应力的
里复合钢管上切取一小段环形试验钢管(200m),试验关系式可写为:
段管端应平整,且应与管道轴向垂直。通过拉力试验机
P D
对基管进行轴向推动,测定内衬和基管发生相对滑动的
(5
最小推力,以折算内衬与基管紧密度。复合管塌陷试验
2.2基于推脱力的残余接触压力
前和塌陷试验后的紧密度值要求见表1。
假设内衬与基管接触面之间的残余接触压力均匀
表1推脱法紧密度测试推力指标
致,则测试长度L上的残余接触压力可表示为
复合管规格/mm
塌陷试验前
塌陷试验后
(6)
紧密度值FkN紧密度值F/kN
LTD
≤DN100
≥30
≥15
式中:F为内衬与基管的推力,N;L为复合管测试段长
>DN100~DN200≥50
度,取200m;江为内衬与基管的动摩擦系数,取0.15
>DN200~DN30070
≥35
为比较两种测试方法的最低技术要求,以DN250双
协商确定
金属机械复合管(内衬2.5mm,设计压力10MPa)为例,
>DN300
分别计算了两种测试方法在最低要求指标下的残余接
综上可见,上述两种测试方法均对机械复合管的紧触压力,见表2。
密度提出了最小定量的要求。另外,购方与卖方协议的
由表2可见,应用推脱力作为测试指标的机械复合
紧密度和推脱力指标应同时设定上