1、整体式绝缘接头结构设计方法 赵赫 赵振兴 许远斌 申奇 刘丹丹 辛宽 中国石油管道局工程有限公司 中国石油天然气管道局东南亚(东亚南亚)项目经理部 中国石油天然气管道局国际事业部 摘 要： 绝缘接头是油气管道阴极保护中重要的管道安全附件, 绝缘接头的设计直接关系到绝缘接头的密封和绝缘性能。对于绝缘接头的设计计算, 国内没有相关的规范规定, 也没有相关的文献供参考。基于多年国外项目绝缘接头厂家技术文件的审查经验, 认为可依据 ASME BPV Code SectionDiv.1 规范进行绝缘接头计算, 与按照 GB 150.32011压力容器第 3 部分:设计中的整体法兰计算结果一致, 仅所用符
2、号不同。从结构形式、强度计算等方面介绍了绝缘接头密封结构、法兰结构的设计计算, 具有一定的参考价值。关键词： 绝缘接头; 结构; 密封; 法兰; 设计; 作者简介：赵赫 (1987-) , 男, 黑龙江宾县人, 助理工程师, 硕士, 现主要从事油气长输管道及石油储库设计工作。收稿日期：2017-05-28Structural Design Method of Monolithic Insulating JointZHAO He ZHAO Zhen-xing XU Yuan-bin SHEN Qi LIU Dan-dan XIN Kuan China Petroleum Pipeline Eng
3、ineering Co.Ltd.; China Petroleum Pipeline Engineering Co.Ltd.Southeast China Petroleum Pipeline Engineering Co.Ltd.International Business Department; Abstract： Insulating joints are very important pipeline safety accessories in oil structure; sealing; flange; design; Received： 2017-05-28随着高压力、大口径管线
4、的发展, 整体式绝缘接头已成为干线管道阴极保护中十分重要的管道安全附件, 能够确保管线安全运行1,2。绝缘接头内部是不同部件的组合件, 每个部件都具有一种或多种可能的失效方式3。绝缘接头的设计决定了其绝缘性、密封性、预紧力、强度和刚度等性能指标。在实际工程中, 往往因绝缘接头结构设计不合理或计算不正确等原因, 导致绝缘接头内部发生泄漏, 出现密封失效、绝缘性能破坏等问题, 严重影响管道的投运。对于绝缘接头的设计计算, 目前国内没有相关的规范规定, 也没有相关的文献供参考。笔者通过对国外绝缘接头计算书的审查研究, 认为可依据 ASME BPV Code SectionDiv.12011Rules
5、 for Construction of Pressure Vessels4进行绝缘接头的计算, 其计算结果与 GB 150.32011压力容器第 3 部分:设计中整体法兰的计算结果一致, 仅所用符号不同5。1 绝缘接头整体结构形式常规的整体式绝缘接头由焊接在一起的 3 个法兰锻件组成, 锻件两侧焊接短节, 以便与工艺管线连接, 见图 1。图 1 整体式绝缘接头结构 下载原图锻件之间安装绝缘环以实现电绝缘, 绝缘环的材料通常采用环氧玻璃布层压板。根据介质特性, 在绝缘环和锻件之间采用一道或者多道密封。绝缘环周边的缝隙填注环氧树脂。绝缘接头两端分别和已设置阴极保护的管段和未设置阴极保护的管段相连
6、接3。2 绝缘接头密封结构设计绝缘接头密封元件采用 O 形自紧式密封圈或其它适宜形式, 密封元件整体模压成型。U 形密封圈结构具有较好的密封性能和耐高压性能。O 形密封圈应采用合适的密封沟槽结构。各种密封结构见图 2图 4。单 V 形沟槽结构密封性能优于矩形沟槽密封性能6-9。图 2 单 V 形沟槽结构示图 下载原图图 3 矩形沟槽结构示图 下载原图图 4 U 形密封结构示图 下载原图根据密封理论, O 形密封圈实现可靠密封的充分必要条件是 O 形密封圈两个法兰之间连续界面上的接触压强不小于被密封压力8, 即:式中, p 为计算压力, 1、 2为接触面上、下表面的接触压力, MPa。3 绝缘接
7、头法兰结构设计绝缘接头主要由 3 个法兰锻件组焊而成, 法兰 1 和法兰 2 为整体法兰, 法兰 3为反向法兰 (勾圈) , 法兰间实际上为全平面接触。通过对比意大利和德国绝缘接头计算书发现, 国外绝缘接头计算依据的是 ASME BPV Code SectionDiv.12011, 其与 GB 150.32011 提供的整体法兰计算方法相同, 计算结果一致, 仅所用符号不同。按整体法兰计算结果偏保守, 计算法兰强度时未考虑外加弯矩, 而检验时又要求能承受内压加外弯矩致绝缘接头在相接管子上产生 72%材料屈服强度的轴向拉力, 最终结果是绝缘接头既能承受内压又能承受弯矩10。法兰螺栓力为内压产生的
8、载荷, 法兰 1、法兰 2 的螺栓力均来自法兰 3, 法兰 3的螺栓力来自法兰 2, 力的作用圆为两接触面的中心圆。O 形密封圈尺寸小且材料的弹性模量小, 取窄面法兰垫片压紧力 FG=011,12。3.1 法兰 1操作状态下法兰 1 的螺栓载荷 W、轴向应力 FD及其作用位置见图 5。图 5 中 h为法兰颈部高度, D b为螺栓中心直径, L A为螺栓中心至法兰颈部 (或焊缝) 与法兰背面交点的径向距离, L G为螺栓中心至垫片压紧力作用位置处的径向距离。图 5 法兰 1 结构尺寸及受力 下载原图内压引起的总轴向力 F 为:内压引起的作用于法兰颈部小端内径截面上的法向力 Fb为:内压引起的作用
9、于法兰内径截面上的轴向力为 FD, 则内压引起的总轴向力 F 与FD之差为:法兰 1 设计力矩 M0:法兰颈部轴向应力 H、法兰环径向应力 R及法兰环切向应力 T分别为:组合应力需满足以下条件:刚度指数 J 为:式 (1) 式 (9) 中, D G为垫片压紧力作用中心圆直径, D i为扣除腐蚀裕量后的法兰或筒体端部结构内直径, 1为法兰端面大端有效厚度, 0为法兰端面小端有效厚度, f1为法兰 1 有效厚度, L D为假设的螺栓中心至 FD作用位置处的径向距离, L T为假设的螺栓中心至 FT作用位置处的径向距离, mm;V 1为整体法兰系数;K 为法兰外径与内径的比值;、Y、Z 为相关系数;
10、h 0为参数, mm;E为法兰材料弹性模量, f为设计温度下法兰材料的许用应力, MPa;m 为垫片系数。3.2 法兰 2法兰 2 结构尺寸及受力情况见图 6。图 6 中 h2为法兰颈部高度, f2为法兰 2有效厚度。法兰 2 的计算公式与法兰 1 相同, 但其中 0= 1。图 6 法兰 2 结构尺寸及受力情况 下载原图3.3 法兰 3法兰 3 结构尺寸及受力情况见图 7。图 7 法兰 3 结构尺寸及受力情况 下载原图法兰 3 设计力矩 M0:法兰 3 颈部轴向应力 Hr、外径处径向应力 Rr、外径处环向应力 Tr及内径处环向应力 Tr分别为:组合应力需满足:式 (12) 式 (16) 中,
11、f r为反向法兰应力校正系数;D f为反向法兰环内径, f为法兰 3 有效厚度, mm;K r、Y r、e r、 r为系数。4 结语绝缘接头内部主要承受 3 个法兰间相互作用力和来自管道的轴向应力和内压, 因此除了应力分析方法, 通过对每个法兰进行受力分析, 采取整体法兰的计算方法是满足规范要求的, 计算结果偏保守。绝缘接头计算中仅考虑了操作状态下的载荷, 未考虑外加弯矩。设计文件中需提出绝缘接头进行水压加弯矩试验的要求, 要求在设计压力和附加弯矩共同作用下, 相接管线管段内产生的纵向应力不应小于 72%的管材标准屈服强度下限值13-16。绝缘接头的封闭焊缝宜设置在端部, 优点是焊缝远离密封材
12、料和绝缘材料, 焊接产生的热量对其影响较小, 焊接质量不受厚度大小的影响, 但需校核该焊缝的剪切强度, 允许剪切强度为允许抗拉强度的 58%17。对不同的绝缘接头密封结构形式, 其计算方法与 O 形密封圈计算方法相同。各厂家的绝缘接头结构有所不同, 但形式大同小异, 可参照文中方法进行计算和结构设计。参考文献 2陈乃琦, 米静.管道绝缘接头理论研究J.河南科技, 2013 (10) :71. (CHEN Nai-qi, MI Jing.Theoretical Study on Pipe Insulation JointJ.Journal of Henan Science and Technol
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