吴雨泽 龙连春 吴 奇 徐加军 王锦程

(1.北京工业大学材料与制造学部 2.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司胜利采油厂)

0 引 言

随着油田开采进入中后期，矿化度和含水体积分数不断提升，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，而采用非金属内衬技术可大大提升注水管线的防腐性能。于友坤[1]对接箍连接含内衬复合管线进行了结构设计，解决了接箍中间存在空隙问题，形成了连续的抗防腐层。孙贵杰等[2]介绍了高密度聚乙烯内衬在修复管道中的应用流程。葛鹏莉等[3]介绍了高密度聚乙烯(HDPE)内衬修复管道技术，解决了管线频繁穿孔的问题。王建辉[4]采用特殊工艺将HDPE或超高分子量聚乙烯(UHMWPE)内衬衬入油管内部，解决了钢管和内衬管夹层进水的问题。樊学华等[5]详细介绍了HDPE内衬在油气管道上的应用与设计，为复合管线工程应用提供参考。

高压注水状态下可能导致复合管线内衬开裂、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。B.SREEJITH等[6]提出了一种基于流固耦合影响的流体运动方程，研究了关阀状态下高速高压流体对管道力学特性的影响。喻萌[7]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。谢安桓等[8]建立了液压管道的流固耦合振动模型，考虑管内非恒定阻抗的影响，研究了流体不同脉动频率对输液管道振动的影响规律。俞树荣等[9]研究了不同参数、不稳定输水压力下弯管的流固耦合特性。M.DAHMANE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。谢翠丽等[11]针对气液两相流引起的输流管道破坏，对L形弯管气液两相内流致振的流固耦合进行了数值模拟，为海上管路振动问题提供了解决方案。赵江等[12]基于双向流固耦合方法，研究了流体速度和压力等参数对管道振动频率的影响。杨思齐等[13]考虑弯管部位冲蚀严重，基于RANS方法对高压弯管固液两相流动及流固耦合效应进行了仿真分析，得到支撑剂质量浓度、流速等因素对弯管剪应力大小及变形的影响规律。王丽娟等[14]基于流固耦合理论，研究了不同流速、压力等参数下埋地管道的动态响应。顾继俊等[15]建立了两相流缓波形立管的流固耦合模型，研究了不同工况下管道的振动规律。

管道振动疲劳寿命方面，主要集中为机械振动和压力脉动引起的疲劳破坏。黄小光等[16]基于Miner线性累积损伤理论，研究了水流冲击下海底管道的疲劳损伤，得到了管道疲劳寿命的数学表达式。李星等[17]研究了不稳定压力下管道的疲劳寿命。向敏等[18]基于有限元算法，对水流冲击下的油气管道进行了安全性评估。尹晓文等[19]考虑管内流固耦合，基于有限元分析方法，研究了不同流速下高压管道系统的疲劳寿命。ZHU L.等[20]基于ANSYS Workbench软件对船舶充液管道的随机振动和流固耦合振动联合激励下的疲劳寿命进行了分析。QI Z.P.等[21]基于Walker理论建立了基于应力的数值模型，预测了多载荷下PE材料的疲劳寿命。M.AMJADI等[22-24]通过试验及疲劳理论模型得到了平均应力、温度等对HDPE疲劳寿命的影响。黄朝炜等[25]提出河流冲击裸露段管道安全评估方法，基于有限元算法，对水动力下管线的疲劳寿命进行预测。

综上，前期研究工作主要集中于无内衬单一材料管线的各种流固耦合现象及动力学响应分析，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、内衬厚度确定、管线连接处内衬结构选择以及水锤冲击下管线的疲劳寿命进行了研究，研究结果可为干线大口径高压复合管线的连接设计及工程应用提供参考。

1 内衬材料选取

为延长油田高压注水管线使用寿命，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。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)、HDPE、聚酮树脂(POK)和UHMWPE等。表1对比了4种常用内衬材料的性能。

表1 4种内衬管材性能对比Table 1 Performance comparison of four kinds of lined pipes

由表1可以得出：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，更适合作为高压管道内衬材料。

2 法兰连接内衬设计

2.1 内衬结构设计

工程应用中，钢塑复合管线主要存在内衬管和钢管连接处渗水腐蚀问题，水内含有大量的腐蚀性离子，如果内衬连接处密封不紧密，将会导致连接件及整体管线的腐蚀破坏，失去内衬防腐意义。针对此问题，本文设计了6种含内衬复合管线法兰连接方案(见图1)。整体管线主要由外钢管、带颈对焊钢法兰、内衬衬管、聚四氟乙烯密封环/盘、限位环和紧固件等组成。

1—带颈对焊平法兰；2—翻边内衬；3—螺栓紧固件；4—限位环；5—带颈对焊凹法兰；6—聚四氟乙烯密封环；7—带颈对焊凹凸法兰；8—不翻边内衬；9—聚四氟乙烯密封盘。图1 法兰连接处内衬结构设计Fig.1 Lining structure design of flange connection

选用具有高强度且适用于高压场合的带颈对焊法兰，本设计中法兰密封面包括平面和凹凸面。

内衬材料优先选用UHMWPE或HDPE，采用等径压缩技术将外径稍大于钢管内径的内衬嵌入管内。依据自身回弹性特点或者采用加内压的方法使内衬管恢复到原来的状态，恢复后的内衬管与管道内壁贴合。设计方案中复合管线连接部位内衬形式包括2种：一是对内衬管进行翻边处理，制成法兰形状，将其同钢法兰连接面紧紧贴合，形成复合法兰；二是内衬不进行翻边，在连接部位预留出2～5 mm，将内衬同密封件通过螺栓预紧力进行压紧，防止漏液。

采用聚四氟乙烯作为连接处的密封材料，本设计中主要将其制成聚四氟乙烯密封环/盘。

一端焊接在法兰上，限位环高度应小于两个翻边内衬厚度，保证在预紧力的作用下先压缩内衬，密封后再同限位环另一端压紧，内径较翻边内衬外径大2～3 mm。限位环主要起定位和锁紧作用。

紧固件采用普通钢螺栓。

2.2 内衬壁厚确定

油田采用高压注水，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[5]。以干线大口径注水钢管为例，选用外径分别为168和245 mm，壁厚分别为13和18 mm的钢管，计算2种口径复合管线的最优内衬壁厚。

含内衬复合管线内部径向抗凹陷应力pcrs由式(1)确定，pcrs≥0.15 MPa。

(1)

式中：E为5%应变时内衬材料的切线模量，UHMWPE取400 MPa，HDPE取450 MPa；μ为内衬材料的泊松比，UHMWPE取0.46，HDPE取0.38；S为径厚比，即内衬材料管外径/壁厚；f为内衬管缺陷指数。

(2)

式中：H为内衬缺陷尺寸，取2 mm；d为外钢管内径，分别为142和209 mm。

由式(1)和式(2)计算得到：ø168 mm复合管，内衬为UHMWPE的径厚比S≤38.57，内衬为HDPE的径厚比S≤39.22；ø245 mm复合管，内衬为UHMWPE的径厚比S≤39.41，内衬为HDPE的径厚比S≤40.01。

含内衬复合管线内部轴向抗凹陷系数ξcrs由式(3)确定，ξcrs≤ξaxSF。

(3)

其中：

(4)

(5)

式中：ζax为轴向应变；α为内衬材料的热膨胀系数，UHMWPE取150×10-6℃-1，HDPE取120×10-6℃-1；ΔT为工作温度与环境温度差值的绝对值，取ΔT=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(3)～式(5)计算得到：ø168 mm复合管，内衬为UHMWPE的径厚比S≤58.66，内衬为HDPE的径厚比S≤67.14；ø245 mm复合管，内衬为UHMWPE的径厚比S≤72.10，内衬为HDPE的径厚比S≤83.17。

综上，取ø168 mm复合管，内衬为UHMWPE的径厚比S≤38.57，内衬为HDPE的径厚比S≤39.22；ø245 mm复合管，内衬为UHMWPE的径厚比S≤39.41，内衬为HDPE的径厚比S≤40.01。

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S值在26～32之间，这里取S为26，得到ø168和ø245 mm 2种口径复合管线的内衬壁厚分别为4.4～5.5 mm和6.5～8.0 mm。最终取ø168 mm管线内衬厚度为5 mm，ø245 mm管线内衬厚度为7 mm。

3 数值模拟

3.1 有限元模型

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，建立管道长度2 m，钢管外径分别为168和245 mm，内径分别为142和209 mm，内衬衬管厚度分别为5和7 mm的复合管线有限元模型。

在ANSYS Workbench中建立不同连接方式复合管线的有限元模型，流体域和固体域均使用软件自带的Mesh进行网格划分(见图2)。

图2 复合管线有限元模型Fig.2 Finite element model of composite pipeline

3.2 载荷及边界条件

2种复合管线均采用流量400 m3/d进行注水，左端为压力入口，右端为压力出口。ø168 mm管线入口压力为16 MPa，出口压力为15.999 890 MPa；ø245 mm管线入口压力为16 MPa，出口压力为15.999 978 MPa。

管线一端固定，另一端限制周向以及径向位移，轴向自由；螺栓孔处施加螺栓预紧力，分别为117 kN(ø168 mm管线)和235 kN(ø245 mm管线)。

3.3 模拟结果分析

对2种复合管线及2种内衬材料组成的6种结构方案进行了有限元仿真计算，得到了在相同约束条件及注水压力下整体管线及各个零件的应力分布，整理2种口径复合管线6种方案应力，结果见表2和表3。以内衬材料UHMWPE、ø168 mm管线方案五为例，得到各零件的应力分布云图，如图3所示。

表2 内衬为HDPE有限元结果对比分析 MPaTable 2 Comparative analysis of finite element results of HDPE(high-density polyethylene)lining MPa

表3 内衬为UHMWPE有限元结果对比分析 MPaTable 3 Comparative analysis of finite element results of UHMWPE lining MPa

图3 ø168 mm复合管线等效应力分布图Fig.3 Equivalent stress distribution diagram of Φ168 mm composite pipeline

对比表2和表3中不同方案应力结果可得，6种连接方式整体复合管线最大应力均在螺栓连接处，内衬连接处振动破坏最为严重。以ø168 mm复合管线、内衬为UHMWPE为例，最大注水压力16 MPa时，6种方案连接处内衬最大应力分别为22.76、38.16、61.25、27.93、22.56和15.05 MPa。除方案一外，聚四氟乙烯密封垫最大应力分别为38.75、15.49、53.66、28.58和21.00 MPa，在其余部件应力满足强度要求的基础上，保证内衬和密封垫最大应力远低于材料的屈服极限。因此，方案一、方案五和方案六中所有部件均符合要求。且2种内衬材料复合管线的应力结果相差较小，但UHMWPE内衬具有更好的抗压强度、耐开裂以及耐疲劳性，可作为优选内衬材料。

在实际工程应用中，方案六未对内衬衬管采取翻边处理，随着注水压力及温度的变化，内衬管会相应地收缩或伸长，导致连接处流体泄漏，失去了内衬防腐的意义。高压注水下连接处最易产生振动滑移，对比方案一和方案五，方案一连接接触面少，在限位环的保护下，内衬被锁紧，具有较强的密封性及可靠性。所以优选方案一作为大口径管线的连接方式。

4 水锤冲击下注水管线疲劳寿命分析

在高压管道中，由于水泵工作突然停止，管内流速发生了改变，导致管道内压力突然升或降，这种压力的瞬间波动称为水锤。水锤现象会引起复合管线振动，造成管线在连接处破裂。本节采用数值模拟方法模拟突然停机水锤过程中流体的压力变化及复合管线的疲劳寿命。

4.1 模拟工况选择

基于单向流固耦合分析，研究脉冲(开关机)下管道内压力的变化情况及连接处内衬最大应力随时间的变化规律，编写UDF控制文件，将入口端压力设置为式(6)的正弦脉动。

p=a+bsin(4πt-π/2)

(6)

其中a、b均为8 MPa，研究管道注水入口压力变化幅度为0～16 MPa。设置关机水锤周期为0.5 s，水锤压力变化时间为1.0 s。

4.2 管内流场压力分析

设定停机水锤模拟时间为1.0 s，对计算结果分10步进行数据采集，得到流场每经过0.1 s复合管线内压力的变化,如图4所示。由于水锤效应影响，管线内部还存在负压，图4上方为注水管道入口。

图4 流体流场0.6 s内压力分布云图Fig.4 Cloud chart of pressure distribution of fluid field in 0.6 s

由图4可得：在0.2 s时，管线入口处的压力达到最大，随着时间周期变化；在0.3 s时，管内流体入口的压力已经小于流体出口的压力，表明在0.2～0.3 s之间，管内流体压力最大值已经过分析管段，管内压力出现下降趋势；0.5 s时管内流体压力达到最小值；0.6 s时开始新的周期，且流体压力变化同前一个周期变化基本一致。

4.3 注水管道疲劳寿命预测

连接件处内衬应力最大，最容易疲劳破坏。针对拟选用的法兰连接方式，注水流量为400 m3/d时，ø168 mm复合管线方案一计算得到内衬的最大应力为22.76 MPa；ø245 mm复合管线方案一计算得到内衬的最大应力为21.98 MPa。2种管线最大应力位置均分布在翻边法兰边缘处。

设入口压力在0～16 MPa间脉动周期变化，根据中间计算点插值拟合得到最大应力的变化情况，再结合脉动频率与假设函数形态，即可得到最大应力随时间的历程曲线。以ø168 mm复合管线为例，得到方案一连接处应力变化曲线，如图5所示。

图5 连接处最大应力随时间变化曲线图Fig.5 Change curve of maximum stress at the connection with time

当UHMWPE内衬承受中等应力作用，材料经历微裂纹形核萌生、慢速主裂纹扩展(SCG)，最终而发生准脆性失效。这是注水管线的实际服役情况。基于Walker疲劳寿命模型，应力作用下UHMWPE材料的疲劳寿命计算见下式。

(7)

(8)

前述寿命计算模型是以室温试验条件得到的数据进行推导建立的，而对于油田地面注水管线，其工作温度跟随季节变化，温度范围为0～75 ℃。然而随着温度的不断变化UHMWPE材料的力学性能会受影响。为此，提出一个温度折减系数δT，用于等效估算温度达到75 ℃时UHMWPE材料的循环次数Nf75。δT的取值以美国孟菲斯大学研究结果作为依据[22-24]，M.AMJADI等学者给出了PE材料在82 ℃时的疲劳寿命，与本文工况温度相接近，最终选取折减系数δT值为0.025 87。

最终得到复杂应力作用下UHMWPE的疲劳寿命Nf的计算方程：

(9)

在持续性交变应力作用下，注水管道容易发生疲劳失效，致使管道破裂和损坏。ø168和ø245 mm管线法兰连接方案一的疲劳寿命分别为开关机600次和476次。对于水锤冲击来说，可以通过在柱塞泵出口位置增加泄压阀门的方式，让水锤冲击产生的压力值释放一部分，从而达到保护管道的目的。

5 结 论

(1)综合4种材料力学性能，超高分子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，大大减小了管道的摩擦因数，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，适合作为高压注水管道内衬材料。

(2)基于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理论基础和依据，对单向水复合管线径厚比S通用。

(3)设计了6种法兰连接复合管线内衬结构，建立了流固耦合分析模型，实现流固耦合分析并优选连接方式，有效地解决了内衬管和钢管连接处渗水腐蚀问题，设计分析结果可为复合管线在工程应用提供参考。

(4)考虑关机水锤效应，基于Walker方法及疲劳损伤理论，获得停机水锤下内衬最大应力随时间的变化规律，并对复合管线的疲劳寿命进行了预测，可为频繁停机复合管线安全性评估提供参考。