玻璃钢集输管道螺纹连接失效分析

2021-10-28孙宝财张国强

化工机械 2021年5期

荆炀孙宝财张国强

（甘肃省特种设备检验检测研究院）

玻璃钢是玻璃纤维增强塑料（Fiberglass Reinforced Plastic，FRP）的简称，它是用玻璃纤维增强特定的树脂而形成的复合材料，具有材质轻、耐腐蚀性强、内表面光滑、摩阻系数低及传热系数小等优点，被广泛用于油田的集输管道［1～4］。但是，玻璃钢的集输管道在使用过程中由于受到集输系统压力波动、流体流动导致的振动及地温等的影响，现场使用过程中容易出现螺纹脱扣现象［5，6］。据相关资料显示，油管失效事故易发生在每年季节交替之际，且普遍发生在螺纹连接部位，严重影响油田作业的正常进行，同时带来额外的经济损失。为此，笔者通过建立典型失效连接处的有限元模型，对玻璃钢油管螺纹接头处的应力应变进行分析，以期提升玻璃钢-钢螺纹连接处的连接可靠性［7］。

1 失效模式

通过查阅竣工资料、材质证明及运维记录等，并深入现场调查取证，初步判定玻璃钢油管螺纹接头处的失效模式，即季节性温差引起地温变化而导致玻璃钢集输管道螺纹连接部位脱扣失效。

2 失效机理分析

2.1 地温状况

玻璃钢油管螺纹接头处的脱扣失效是由季节性温差引起地温变化造成的。因此，必须掌握地温随季节性变化的规律。根据地下温度的变化，地壳温度通常划分为4 个地温带：温度日常变化带，该地温带温度受每天气温的影响，深度范围在1～2 m；温度季节变化带，该地温带温度受季节性气温的影响，深度范围在15～30 m；恒温带，该地温带温度通常以当地常年平均地面温度代替，深度范围在30 m 以下；增温带，该地温带温度随埋深的增加而升高，深度为恒温带以下的地层。

由于油田所用集输管道敷设深度在2.0 m 左右，通过查阅全国冻土深度表获悉当地冻土层在1.5 m，由此可断定该油田所用玻璃钢集输管道敷设在温度季节变化带。为了进一步明确温差对玻璃钢油管螺纹接头处作用的时间和强度，通过中国天气网调阅了当地近五年的历史月平均气温情况。当地月平均气温在2～3 月份和10～12 月份间有明显的气温交替性，平均气温交替基本在7 ℃左右。这与油田现场工作人员反馈的在季节交替时频发的油管螺纹接头失效时间吻合，进一步验证了失效模式判断的正确性。

为了对季节性温差引起地温变化而导致的玻璃钢集输管道螺纹连接失效部位建模分析，结合玻璃钢物性参数得到温差引起的管道轴向应力分布如图1 所示。

图1 温差引起管道轴向应力分布

由图1 可知，月平均气温的变化在2～3 月份和10～12 月份引起的最大地温变化值为-18 ℃，在管体产生5.91 MPa 的轴向拉应力。

2.2 管道螺纹连接部位有限元分析

现场收集的失效螺纹接头结构及其尺寸如图2 所示，按1∶1 建模，为提高计算效率截取整个模型周向的1/24 进行分析［8～10］。采用扫掠方式进行网格划分，螺纹接头有限元模型及其网格划分如图3 所示。

图2 螺纹接头结构及其尺寸

图3 螺纹接头有限元模型及其网格划分

轴向拉伸强度为12 MPa 时，玻璃钢-玻璃钢（B-B）梯形螺纹、玻璃钢-钢（B-G）梯形螺纹和玻璃钢-钢（B-G）矩形螺纹连接部位的最大米塞斯应力和螺纹面最大接触压力分布云图如图4 所示。

图4 不同形式螺纹连接部位应力分布云图

为了便于分析地温变化引起管道螺纹连接部位产生的最大应力，通过多个载荷步加载，获得了B-B 梯形螺纹、B-G 梯形螺纹和B-G 矩形螺纹连接部位最大米塞斯应力和螺纹面最大接触压力分布曲线（图5）。由图5 可知：B-B 梯形螺纹接头，管道螺纹连接部位引起的最大米塞斯应力为41 MPa；B-G 梯形螺纹接头，管道螺纹连接部位引起的最大米塞斯应力为23 MPa；B-G 矩形螺纹接头，管道螺纹连接部位引起的最大米塞斯应力为53 MPa。这3 种螺纹连接部位的最大米塞斯应力均小于玻璃钢管材的轴向拉伸强度（70 Pa）。此时，对于B-G 矩形螺纹接头，在不计其他外部载荷与压力的情况下，其螺纹连接部位的最大米塞斯应力已接近玻璃钢管材的强度极限。因此，一旦有外力的扰动（内压波动或流体振动），极易发生螺纹连接部位的脱扣失效。