双层管道锚固件有限元分析及校核

唐丕鑫，杨 旭，董德龙

(中海油研究总院有限责任公司，北京 100028)

0 引言

管道是油气输送的主要方式，对于有保温要求的管道通常采用双层管型式[1]。为了提高双层管内外管之间的应力传递[2]，将内管的温度效应传递到外管，同时当内外管泄漏时，可以阻断泄漏原油和外部海水的大面积扩散，保证保温效果，通常在内外管之间设置锚固件进行连接[3]。

为保证整体结构发挥作用，避免应力集中导致损坏，锚固件需锻造制成，制成后的锚固件具有结构简单合理，整体性能优良，连接过渡平滑，安装简单方便等特点，在实际工程中应用广泛[4]。

在实际应用中，锚固件通常分为Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅰ型主要在双层管与双层管连接中应用，Ⅱ型主要在双管和单层管连接中应用[5]，常在管道的端部使用。

1 校核准则

对于管道附属构件，通常采用ASME规范进行校核，以便确定附属构件在外力作用后是否满足规范规定的要求。ASME VIII DIVISION 2可应用于锚固件的校核[6]，其规定需要校核的应力强度为一次总体薄膜应力Pm、一次局部薄膜应力PL、一次局部薄膜应力PL+一次弯曲应力Pb。校核准则如表1所示。

表1 ASME规范锚固件校核准则

Sm的计算表达式如下：

(1)

式中:YStemp为最小屈服强度;SMTS为极限拉伸强度。

在实际的工程计算中，需要对有限元软件计算出的结果进行后处理，根据ASME VIII DIVISION 2校核的3种应力强度必须全部在许用应力范围内，方可认定所设计的锚固件满足规范要求，可在实际工程中应用。

2 工程算例

以某16英寸(1英寸=0.0254 m)油砂项目双层保温管道设计为例，设计寿命40 a，设计温度150 ℃，预热温度90 ℃，环境温度-35 ℃。由于运行温度过高，环境温度过低，为达到保温效果，需在锚固件外侧设立保温外套管，从而在锚固件处形成内管、外管、保温套管三层结构形式。

2.1 锚固件结构设计

根据管道管径、壁厚等尺寸信息，结合管道运行参数，设计的Ⅰ型锚固件与管体连接如图1所示，锚固件设计参数如表2所示，管道设计参数如表3所示，锚固件的外径、壁厚与连接管道的外径、壁厚保持一致。

图1 Ⅰ型锚固件与管体连接示意图

表2 锚固件设计参数 mm

表3 管道设计参数

2.2 锚固件有限元设计

2.2.1 建立几何模型

根据表2和表3的锚固件和管道基本参数，依次在有限元软件中建立锚固件、内管、外管、保温套管三维几何模型，如图2所示。锚固件局部放大图如图3所示。

图2 锚固件三维几何模型

图3 锚固件局部放大图

2.2.2 设定边界条件

为模拟真实情况，将连接外管两端设置为6个方向自由度全约束状态，锚固件与内管、锚固件与外管、外管与保温套管之间设置为绑定约束，便于力与弯矩的传递。

2.2.3 施加载荷工况

在整个模型中施加重力载荷，在内管内表面施加设计压力，由于需要埋设，需在外管外表面施加周围土壤压力。根据现场实际情况，分别设定水压试验、操作、停产和事故4种工况，根据工艺计算结果，加载不同的温度压力组合。

2.2.4 网格划分

有限元分析时，网格的划分大小直接影响计算结果的精度。网格划分过密，会导致计算量偏大，时间过长；网格划分过疏，会导致计算结果不准确。根据本项目的模型特点和计算结果要求，采用六面体单元作为基本单元形状，以5 cm作为布种间隔进行有限元网格划分，划分网格后的锚固件模型如图4所示。

图4 锚固件网格划分模型

2.3 锚固件有限元分析及校核

建立有限元模型后，开展水压试验工况、操作工况、停产工况和事故工况的分析作业，得到有限元分析结果。根据分析结果可知，保温套管和外管的等效应力值均较小，锚固件中间处等效应力值较小，过渡到与内管连接处时等效应力值逐步增大，内管的等效应力值最大，等效应力传递效果良好。

依据ASME VIII DIVISION 2规范要求，结构的最大应力值应小于许用应力值，该结构方可满足应用条件。锚固件在水压试验、操作、停产、事故工况的校核结果如表4～表7所示。

表4 锚固件水压试验工况计算结果校核 MPa

表5 锚固件操作工况计算结果校核 MPa

表6 锚固件停产工况计算结果校核 MPa

表7 锚固件事故工况计算结果校核 MPa

从校核结果可以看出，锚固件在水压试验、操作、停产、事故工况下，3种应力强度最大应力值均小于其规范规定的许用应力值，满足ASME VIII DIVISION 2规范的要求，设计结果安全可靠。

3 结束语

双层海底管道通常在内外管之间设置锚固件进行结构连接，可以有效进行载荷的传递。通过建立某油砂双层保温管道锚固件及其连接内外管的有限元模型，设定相关模型参数，通过分析计算，得到的4种工况下锚固件最大应力值均小于ASME VIII DIVISION 2规范规定的许用应力值，满足工程应用条件。