高压注水复合管线连接方式优选及仿真分析

徐加军

中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司胜利采油厂

随着油田开采进入中后期，矿化度和含水量不断提升，导致腐蚀性离子浓度增加，传统单一的碳钢管线很难阻挡腐蚀性离子的侵蚀破坏，采用非金属内衬技术可大大提升注水管线的防腐性能。刘碧峰等[1]采用内衬HDPE 解决大港南部油田地面输送管线腐蚀问题。武玉双等[2]基于管线频繁穿孔问题，介绍了三种内衬修复管道技术。唐文辉等[3]详细介绍了HDPE等径压缩内衬穿管技术，设计了内衬连接结构，为复合管线实际应用提供参考。雷国康[4]基于伊拉克艾哈代布油田注水管线腐蚀严重现象，将内衬HDPE技术引入到单一钢管，提高了管道的综合性能。樊学华等[5]介绍了HDPE 内衬在油气管道上的应用与设计方法。

高压注水状态下可能导致含内衬管线的内衬开裂、连接件失效等问题。近年来，国内外学者基于有限元方法对不同结构管线多种流固耦合现象引起的力学响应进行了较深入研究。喻萌[6]基于有限元算法，模拟了输流管道在不同约束条件下的动力学响应。张盛等[7]研究了空调配管空管及流固耦合情况下管道的频率响应。俞树荣等[8]研究了不同参数、不稳定输水压力下弯管的力学特性。徐磊[9]对不同流速、弯径比输流弯管进行了流固耦合特性分析，得到不同参数对弯头冲蚀的影响。DAHMANE M等[10]研究了不同物理参数和几何参数下管道的单向流固耦合问题。窦益华等[11]采用有限元方法分析了流体脉动频率对输流弯管振幅的影响。王晓丹等[12]研究了气液两相管道的振动问题。李玺[13]以流固耦合理论为基础，建立了流体和固体有限元模型，分析了水锤作用下管道的振动特性。

综上，前期研究主要针对无内衬单一材料管线的各种流固耦合现象及动力学响应。本文针对含内衬复合管线在实际应用过程中存在的内衬材料选择、内衬厚度设计以及管线连接方式的影响进行研究，可为工程设计与应用提供参考。

1 内衬材料选取

油田注入水一般含有大量的腐蚀性离子，腐蚀会造成管线穿孔、连接件破坏等问题，将抗腐蚀性良好的内衬衬管嵌入到金属管道中形成复合管道可提升管道使用寿命。内衬材料的选取需要考虑材料的力学性能、工艺性能、亲水亲油性能以及经济性等，目前常用的内衬材料包括聚乙烯（LDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚酮树脂（POK）和超高相对分子质量聚乙烯（UHMWPE）等。

LDPE 屈服强度较低且耐热老化性能较差，不适合在高压管道铺设。POK具有较高的强度，但硬度大，不易将其嵌入到管道内，且弹性较差，不易回弹，与外钢管贴附性较差。HDPE 和UHMWPE具有较好的结构特性和力学特性。对HDPE 和UHMWPE 两种管材的性能进行对比（表1），由表1可知，UHMWPE内衬具有更低的摩擦系数，不易结垢，且具有优良的抗内压强度。

表1 两种管材性能对比Tab.1 Performance comparison of two kinds of pipes

选用UHMWPE 作为内衬管材，外钢管作为保护壳体，该复合管线具有耐压、耐腐蚀、不易结垢等优点，这种复合管道不仅解决了单一钢管容易被腐蚀的问题，内衬裸管也不易变形或开裂。

2 内衬厚度设计

油田采用高压式注水，复合管道内部不含气体，不同口径复合管线内衬衬管厚度依据抗轴向和径向凹陷准则进行设计计算。以支干线小口径注水钢管为例（外径分别为76 mm和89 mm，钢管壁厚分别为7 mm 和8 mm），计算两种口径复合管线的最优内衬壁厚。

UHMWPE 内衬材料复合管线内部径向抗凹陷应力由式（1）确定：

式中：Pcrs为临界径向抗凹陷应力，MPa；E为5%应变时内衬的切线模量，400 MPa；μ为材料的泊松比，0.46；Sdt为内衬材料径厚比（外径/壁厚=：d为外径，t为厚度）。

f指数由式（2）确定：

式中：Η为内衬缺陷尺寸，取2 mm；d为外钢管内径，分别选62 mm和73 mm。

由式（1）计算得到76 mm管Sdt≤35.57，89 mm管Sdt≤36.34。UHMWPE内衬材料复合管线内部轴向抗凹陷由式（3）确定：

式中：ξcrs为坍塌点处的临界轴向应变；ξax为轴向应变；α为材料热膨胀系数，取150×10-6/℃；ΔT为工作温度与环境温度差值的绝对值，取45 ℃；Rb为内衬管不产生裂纹时的最小弯曲半径，取40 mm；SF为单向水下的安全系数，取1.5。

由式（5）计算得到ξax=0.022 4，由式（3）、（4）得到76 mm管Sdt≤32.26，89 mm管Sdt≤35.53。综上，取76mm管Sdt≤32.26，89mm管Sdt≤35.53。

考虑管道由于外界因素可能产生形变，为减小变形量，一般保证径厚比Sdt在20～26 之间，得到两种口径复合管线内衬壁厚分别为2.4 mm ≤t76≤3.1 mm，2.8 mm ≤t89≤3.6 mm 。最终选取76 mm和89 mm管线内衬厚度均为3 mm。

3 流固耦合分析方法

流固耦合问题是流体与固体相互作用产生的力学问题，研究流体流经固体内壁时，流体与固体之间的相互影响。本文复合管道为长直管道且固体形变相对很小，故采用单向流固耦合分析方法。

单向流固耦合计算过程中应满足流体守恒定律和固体守恒定律。流体流动过程中遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒，本文问题不涉及热量及能量交换。

质量守恒方程

动量守恒方程

式中：t为时间；ρf为流体密度；ff为流体体积力矩；v为流体速度矢量；τf为流体剪切长量。

固体守恒方程基于牛顿第二定律推理得出，如式（8）所示

式中：ρs为固体密度；σs为柯西应力张量；fs为体积力矢量；为固体域当地加速度矢量。

流固耦合交界面应满足以下方程：

式中：τf、τs为流体和固体应力；nf、ns为流体和固体方向向量；df、ds为流体和固体位移。

4 数值模拟

4.1 模型建立

为减少计算量，提高计算效率，取管线入口段进行流固耦合分析，管道长度为2 m，钢管外径分别为76 mm、89 mm，内径分别为62 mm、73 mm，内衬衬管厚度为3 mm。

复合管线主要连接方式包括法兰连接、由壬连接和接箍连接等。注水过程中管线连接处振动最为显著，容易造成漏液。为防止内衬和钢管夹层进水，法兰连接和由壬连接均对内衬进行翻边处理，接箍连接采用中间加聚四氟乙烯密封环进行压紧密封。

法兰连接复合管线几何模型由外钢管、翻边内衬、限位环、带颈对焊法兰及紧固件等组成。其中限位环起密封锁紧和定位作用，限位环内径较翻边内衬外径大2～3 mm。含内衬管线法兰连接如图1所示。

图1 含内衬复合管线法兰连接模型Fig.1 Flange connection model of composite pipeline with inner liner

复合管线由壬连接主要由外钢管、由壬公头、由壬母头、锁紧螺母、翻边内衬、聚四氟乙烯密封环等组成。含内衬管线由壬连接如图2所示。

图2 含内衬复合管线由壬连接模型Fig.2 Union connection model of composite pipeline with inner liner

复合管线接箍连接主要由外钢管、内衬衬管、接箍、聚四氟乙烯密封环等组成。含内衬管线接箍连接如图3所示。

图3 含内衬复合管线接箍连接模型Fig.3 Coupling connection model of composite pipeline with inner liner

复合管线分析所用钢管、内衬材料、密封材料及流体属性如表2所示。

表2 材料属性Tab.2 Material properties

4.2 有限元模型

在ANSYS Workbench中建立复合管线三种连接方式的有限元模型，固体域和流体域均使用Mesh进行网格划分。固体有限元模型如图4所示。

图4 三种连接方式有限元模型Fig.4 Finite element models of three connection modes

4.3 载荷及边界条件

76 mm 和89 mm 两种管线均采用流量为100、400、1 000、1 500 和2 000 m3/d 五种工况进行注水，复合管线左端为压力进口，右端为压力出口。各工况下出、入口压力如表3所示。

表3 各工况下出入口压力Tab.3 Inlet and outlet pressure under various working conditions

输流复合管道流固耦合接触面的固体域及流体域如图5所示。

图5 输流复合管道固体域及流体域Fig.5 Solid domain and fluid domain of composite pipe conveying fluid

放松管道两端径向位移，限制其余方向位移，保证管道在力的作用下可以膨胀或收缩。

5 结果分析

对76 mm和89 mm复合管线进行了单向流固耦合有限元分析，以89 mm复合管线注水流量100 m3/d工况为例，得到了复合管线三种连接方式在高压注水下的应力分布。

5.1 连接件应力分析

连接件应力分析结果表明，在管线连接部位，法兰、由壬和接箍三种连接方式连接处钢管最大Mises 应力分别为69.80、75.38 和43.44 MPa，且均分布在内衬和连接件接触端面位置，具体位置如图6所示。

图6 三种连接方式钢管应力分布Fig.6 Stress distribution of steel pipe with three connection modes

5.2 内衬管应力分析

法兰、由壬和接箍连接时，内衬最大应力分别为16.53、17.849 和14.59 MPa。法兰和由壬连接时，内衬最大应力均出现在内衬与连接件相交根部位置附近，因内衬翻边压紧使根部产生应力集中。接箍连接时，内衬最大应力出现在内衬与聚四氟乙烯压紧端部附近。三种连接方式内衬应力分布如图7所示。

图7 内衬应力分布Fig.7 Stress distribution of lining

5.3 复合管线不同连接方式结果评估

提取复合管线三种连接方式下内衬管线各部件应力结果，在相同几何尺寸和边界条件的情况下，对比各部件的最大应力值，优选出最佳连接方式。对比情况如表4、表5所示。

表4 76 mm复合管线三种连接方式结果Tab.4 Results of three connection modes for 76 mm composite pipeline MPa

表5 89 mm复合管线三种连接方式结果Tab.5 Results of three connection modes for 89 mm composite pipeline MPa

由复合管线不同连接方式的应力结果对比可得，三种连接方式下管线最大Mises 应力相差不大，且均分布在管道的入口端和出口端，这是由管道端部约束导致。复合管线中钢管主要承受内部压力，内衬承受少部分压力，沿半径向外，应力逐渐减小。连接处内衬是复合管线最易损坏的位置，不同连接方式下内衬最大Mises 应力相差较小，且均远低于材料的屈服极限。

接箍连接复合管线内衬最大Mises 应力相对较小，但钢管设计制造工序复杂，且内衬同密封环连接如果不紧密导致漏液，将对连接处螺纹造成严重腐蚀，致使连接件失效，故这种连接方式一般用于压力较低的工况下。法兰连接和由壬连接两种连接方式适用于压力较高的场合，可靠性较强，两种连接方式整体管线应力符合强度要求，满足设计标准，其中法兰成本相对较高，运输过程更易损坏，基于安全性与经济性，针对分析的复合管线管径，由壬连接方式具有优势。

5.4 注水流量对内衬应力的影响

采用单个或几个泵同时注水时，由于注入水流量不同，导致水流速度及出入口压差不同，影响对管线的作用力。对比了76、89 mm管线在注水流量为100、400、1 000、1 500 和2 000 m3/d 时内衬的最大应力。76 mm复合管线和89 mm复合管线应力对比结果分别见表6和表7。

表6 76 mm复合管线不同流量下应力对比Tab.6 Comparison of stess of 76 mm composite pipeline under different flow rates

表7 89 mm复合管线不同流量下应力对比Tab.7 Comparison of stress of 89 mm composite pipeline under different flow rates

从两种口径复合管线三种连接方式下内衬最大应力对比可得，在一定注水流量范围内，随着注水流量增加，76 mm三种连接方式复合管线内衬应力最大增长16.4%，89 mm 三种连接方式复合管线内衬应力最大增长15.3%。

6 结论

（1）综合四种材料力学性能，超高相对分子质量聚乙烯具有较高的抗内压强度和高耐磨性，与钢管形成钢衬复合管，减小了管道的摩擦力，在单一钢管承压能力的基础上，使管线内部压力分布更加均匀，提高了管道的整体性能，作为高压注水管道首选内衬材料。

（2）复合管线内部轴、径向抗凹陷设计准则为内衬管壁厚设计提供了计算方法和依据，其对单向水复合管线Sdt公式可以通用。

（3）针对复合管线设计的三种连接方式，分析了高压注水下的应力分布及不同注水流量对连接处内衬应力的影响。考虑安全性及经济性，优选由壬连接作为小口径高压管线的连接方式。设计分析结果可为复合管线的工程应用提供参考。