整体式绝缘接头结构设计方法

， 振兴， ， ， ， (.中国石油管道局工程有限公司， 河北 廊坊 065000； 2.中国石油天然气管道局 a.东南亚(东亚 南亚)项目经理部； b.国际事业部， 河北 廊坊 065000)

整体式绝缘接头结构设计方法

赵赫1，赵振兴2a，许远斌2a，申奇1，刘丹丹2b，辛宽2b
(1.中国石油管道局工程有限公司， 河北 廊坊 065000； 2.中国石油天然气管道局 a.东南亚(东亚 南亚)项目经理部； b.国际事业部， 河北 廊坊 065000)

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 Section Ⅷ Div.1规范进行绝缘接头计算，与按照GB 150.3—2011《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。

绝缘接头； 结构； 密封； 法兰； 设计

随着高压力、大口径管线的发展，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 Section Ⅷ Div.1—2011《Rules for Construction of Pressure Vessels》[4]进行绝缘接头的计算，其计算结果与GB 150.3—2011《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

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

图3 矩形沟槽结构示图

图4 U形密封结构示图

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：

p≤min(σ1，σ2)

式中，p为计算压力，σ1、σ2为接触面上、下表面的接触压力，MPa。

3 绝缘接头法兰结构设计

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 Section Ⅷ Div.1—2011，其与GB 150.3—2011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=0[11，12]。

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，Db为螺栓中心直径，LA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，LG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

内压引起的总轴向力F为：

F=0.785DG2p

(1)

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：

Fb=0.785Dip

(2)

内压引起的作用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：

FT=F-FD

(3)

法兰1设计力矩M0：

M0=FDLD+FTLTm

(4)

法兰颈部轴向应力σH、法兰环径向应力σR及法兰环切向应力σT分别为：

(5)

(6)

(7)

组合应力需满足以下条件：

(8)

刚度指数J为：

(9)

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，δf2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δ0=δ1。

图6 法兰2结构尺寸及受力情况

3.3 法兰3

法兰3结构尺寸及受力情况见图7。

法兰3设计力矩M0：

M0=WLD

(10)

其中

W=FD+FT=F

(11)

法兰3颈部轴向应力σHr、外径处径向应力σRr、外径处环向应力σTr及内径处环向应力σTr′分别为：

(12)

(13)

(14)

(15)

组合应力需满足：

(16)

式(12)～式(16)中，fr为反向法兰应力校正系数；Df为反向法兰环内径，δf为法兰3有效厚度，mm；Kr、Yr、er、λr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。

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(GB 50017—2014，Design Code of Steel Structures[S].)

StructuralDesignMethodofMonolithicInsulatingJoint

ZHAOHe1，ZHAOZhen-xing2a，XUYuan-bin2a，SHENQi1，LIUDan-dan2b，XINKuan2b
(1.China Petroleum Pipeline Engineering Co. Ltd.， Langfang 065000， China；2.China Petroleum Pipeline Engineering Co. Ltd.， a.Southeast & East & South Asia； b.International Business Department， Langfang 065000， China)

Insulating joints are very important pipeline safety accessories in oil & gas pipeline cathodic protection，of which design directly related to the sealing and insulating performance of insulating joints. There are no literature and books related to the design calculation of insulating joints available for reference. It is discovered that the results from ASME BPV Code Section Ⅷ Div.1 which is the standard that followed abroad in the calculating of insulating joints is consistent with the integral flange calculation results from the domestic standard GB 150.3—2011 “PressureVessels—Part3:Design” except for the symbol usage，based on years of experience in the review of technical document from insulating joint manufacturer in the project overseas. The design and calculation of the sealing structure of the insulating joint and the design of the flange structure are introduced from the aspects of structure and strength calculation，and it has certain reference value.

insulating joint； structure； sealing； flange； design

1000-7466(2017)06-0030-04

2017-05-28

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。

TQ055.8； TE973.1

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.06.006

(张编)