外連接預(yù)應(yīng)力隔熱管改進(jìn)及受力分析

(1.遼河油田 鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124010； 2. 遼河鉆采裝備分公司，遼寧 盤錦 124010)

在注蒸汽開采稠油過程中，由于注入蒸汽與地層之間存在溫差而產(chǎn)生能量損失，影響了油田的開發(fā)效果。下入隔熱管是提高井筒熱阻、降低熱損失的主要措施之一[1-4]，既能提高井底注入蒸汽的干度，保證更多能量進(jìn)入油層，又能降低套管溫度，防止套管和水泥環(huán)產(chǎn)生熱損壞，提高套管的使用壽命。

國內(nèi)外學(xué)者針對隔熱管，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料性能及焊接工藝等方面進(jìn)行了研究[5-6]，指出了隔熱管在接箍處熱損失較大[7]，并通過室內(nèi)試驗得出接箍與隔熱管外壁處存在長度約為0.5 m的熱橋[8]，但未提出降低隔熱管接箍熱損失的改進(jìn)措施。同時，在受力分析時，隔熱管柱的熱伸長量常采用經(jīng)驗公式確定，未考慮隔熱管預(yù)應(yīng)力和內(nèi)外管受熱不均的影響。閆相禎等[9]建立了考慮內(nèi)外管裝配應(yīng)力的隔熱管最佳脹率設(shè)計方法，但在裝配載荷計算時未考慮內(nèi)外管初始長度不同的影響。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，提出降低隔熱管接箍處熱損失的改進(jìn)方案。建立考慮裝配應(yīng)力和內(nèi)外管溫差影響的隔熱管綜合受力分析模型，對提高隔熱管隔熱性能和使用壽命均具有重要的意義。

1 外連接預(yù)應(yīng)力隔熱管結(jié)構(gòu)

預(yù)應(yīng)力隔熱管結(jié)構(gòu)包括外連接、內(nèi)連接及無接箍內(nèi)連接等方式，其中外連接方式應(yīng)用最多。外連接預(yù)應(yīng)力隔熱管結(jié)構(gòu)如圖1，主要由接箍、外管、內(nèi)管及隔熱層組成，其隔熱效果由視導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)定。

圖1 外連接隔熱管結(jié)構(gòu)

在內(nèi)外管焊接時，通過對內(nèi)管施加拉應(yīng)力，補償受熱伸長影響，降低隔熱管內(nèi)應(yīng)力，提高隔熱管的使用安全性。隔熱層常采用鋁箔和玻璃纖維，纏繞在內(nèi)管外壁上，組合內(nèi)外管環(huán)空抽真空方式，提高隔熱管隔熱效果。同時，在環(huán)空要添加鋯釩鐵等吸氣劑，既可維持環(huán)空真空度，又可吸附環(huán)空中H2，防止隔熱管在工作時氫滲而產(chǎn)生氫脆，引起隔熱管斷裂。近年來，也有設(shè)計者嘗試采用氣凝膠作為隔熱材料，以提高內(nèi)外管環(huán)空泄露時的隔熱效果。

2 降低接箍熱損失措施

隔熱管接箍處與蒸汽直接接觸，是注汽管柱的主要熱損失部位。為降低隔熱管接箍處熱損失，可采用3種改進(jìn)方法：安裝接箍密封器、改進(jìn)內(nèi)外管焊接位置或使用隔熱接箍。

2.1 安裝接箍密封器

接箍密封器由上支撐環(huán)、下支撐環(huán)及隔熱套3部分組成。在隔熱管柱連接入井過程中，兩端隔熱管壓緊接箍密封器(如圖2)，在隔熱管柱接箍處形成了具備伸縮空間的密閉隔熱層，具有提高接箍處熱阻的作用[10]，還可補償管柱的熱伸長。同時，由于接箍密封器內(nèi)通徑與隔熱管一致，也提高了后續(xù)隔熱管柱內(nèi)部測調(diào)工具的起下安全性。在現(xiàn)場應(yīng)用時，為控制生產(chǎn)成本，蒸汽吞吐常采用B級隔熱效果的接箍密封器，蒸汽驅(qū)常采用C級隔熱效果的接箍密封器。

圖2 接箍密封器連接結(jié)構(gòu)

2.2 改進(jìn)內(nèi)外管焊接位置

在隔熱管內(nèi)外管預(yù)應(yīng)力焊接時，如圖3所示，盡量縮短外管端面與環(huán)焊縫的距離，以減少隔熱管柱接箍位置未受隔熱系統(tǒng)保護(hù)處與注入蒸汽的接觸面積，起到降低接箍處熱損失的作用。

2.3 使用隔熱接箍

隔熱接箍包括外套、隔熱套及接箍3部分。如圖4所示，隔熱接箍在管柱接箍處的外面包裹了一層隔熱材料，起到提高隔熱管接箍熱阻的作用，減小接箍處向環(huán)空的熱輻射，進(jìn)而降低隔熱管柱接箍處的熱損失。

a 改進(jìn)前

b 改進(jìn)后

圖4 安裝隔熱接箍的外連接隔熱管結(jié)構(gòu)

3 受力分析

隔熱管在使用過程中受力情況復(fù)雜，包括預(yù)應(yīng)力裝配載荷、熱載荷、軸向載荷及內(nèi)外壓等。

3.1 裝配載荷

如圖5所示，假設(shè)內(nèi)管初始長度為l，裝配時熱伸長量為Δl。

圖5 外連接隔熱管的裝配關(guān)系示意

外管初始長度為：

Lout=l+Δl

(1)

內(nèi)管初始長度為：

Lin=l

(2)

由變形協(xié)調(diào)得：

(3)

由受力平衡得：

Nin=Nout

(4)

聯(lián)立式(3)和式(4)得，內(nèi)管常溫裝配力(拉應(yīng)力，符號正)和外管常溫裝配力(壓應(yīng)力，符號負(fù))分別為：

(5)

式中：Δl為內(nèi)管裝配時加熱伸長量，mm；ΔLin為內(nèi)管冷卻至室溫時伸長量，mm；ΔLout為外管冷卻至室溫時壓縮量，mm；Lin為內(nèi)管原始長度，mm；Nin為內(nèi)管冷卻至室溫時拉力，N；Nout為外管冷卻至室溫時壓力，N；E為隔熱套管材料彈性模量，MPa；Ain為內(nèi)管橫截面積，mm2；Aout為外管橫截面積，mm2。

3.2 熱載荷

1) 熱應(yīng)力。

假設(shè)隔熱管在承受熱載荷時長度不變，則內(nèi)外管熱作用力分別為：

(7)

式中：Fin為內(nèi)管熱作用力，N；Fout為外管熱作用力，N；λ為鋼材線膨脹系數(shù)，1/℃；A為管柱的橫截面積，mm2；Tin為內(nèi)管受熱后溫度，℃；Tout為外管受熱后溫度，℃；T0為初始溫度，℃。

2) 熱伸長量。

在隔熱管受熱時，由于內(nèi)外管裝配預(yù)應(yīng)力、內(nèi)外管溫差及變形協(xié)調(diào)方程的影響，內(nèi)外管伸長并不能按照理論伸長量簡單計算。假設(shè)隔熱管受熱后伸長量為ΔLth，則內(nèi)外管受力平衡方程為：

(8)

化簡后得，隔熱管熱伸長為：

(9)

3.3 軸向載荷

隔熱管承受軸向載荷由內(nèi)外管共同承受。

(10)

式中：Qin和Qout為分別為內(nèi)管和外管承受的軸向力，N；Fax為隔熱管整體承受的軸向力，N。

3.4 內(nèi)外壓力

由于隔熱管內(nèi)外管間抽真空，外管僅承受外壓，內(nèi)管僅承受內(nèi)壓，由厚壁圓筒的拉梅公式可推出內(nèi)外管危險處應(yīng)力值。

(11)

式中：σr_in和σr_out為分別為內(nèi)管和外管承受的徑向應(yīng)力，MPa；σθ_in和σθ_out為分別為內(nèi)管和外管承受的周向應(yīng)力，MPa；pin為內(nèi)管承受的內(nèi)壓，MPa；pout為外管承受的外壓，MPa；Rin和rin為分別為內(nèi)管的外徑和內(nèi)半徑，mm；Rout和rout為分別為外管的外徑和內(nèi)半徑，mm。

4 計算實例

采用MATLAB軟件建立了常用的114 mm×76 mm隔熱管(參數(shù)如表1)的分析模型。

表1 114 mm×76 mm隔熱管技術(shù)參數(shù)

4.1 裝配載荷分析

在內(nèi)管裝配拉伸量為1～3 mm/m的條件下，對隔熱管裝配應(yīng)力和內(nèi)管伸長量進(jìn)行了分析，計算結(jié)果如圖6。隨著內(nèi)管裝配拉伸量的增加，內(nèi)外管裝配應(yīng)力和內(nèi)管伸長量均線性增加，內(nèi)管承受拉應(yīng)力，外管承受壓應(yīng)力。由于內(nèi)外管在裝配時變形協(xié)調(diào)的影響，內(nèi)管在裝配過程中的拉伸回縮量隨內(nèi)管裝配拉伸量的增加而增加，當(dāng)內(nèi)管裝配拉伸量為3 mm/m時，內(nèi)管裝配后的拉伸回縮量為11.82 mm。

4.2 熱載荷分析

在隔熱管內(nèi)管裝配拉伸量為1.8 mm/m的條件下，分別對隔熱管在裝配載荷、熱載荷及熱伸長釋放載荷綜合作用下的應(yīng)力和熱伸長進(jìn)行分析，計算結(jié)果如圖7。

a 裝配應(yīng)力

b 內(nèi)管伸長量

a 熱伸長量

b 綜合應(yīng)力

由圖7a可知，隔熱管熱伸長量隨內(nèi)管和外管溫度的升高而增加，由于裝配載荷和內(nèi)外管變形協(xié)調(diào)的影響，熱伸長量小于簡單計算得到的結(jié)果。由圖7b可知，在內(nèi)管溫度不變的條件下，隨著外管溫度的升高，內(nèi)管綜合應(yīng)力逐步由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，外管綜合應(yīng)力逐步由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。這是由于內(nèi)外管溫差和裝配載荷的存在，在外管溫度低時，外管阻礙了內(nèi)管熱伸長變形，而外管溫度較高時，外管因熱伸長增加，釋放了內(nèi)管熱膨脹變形能力。在隔熱管內(nèi)管300 ℃、外管80 ℃時，隔熱管的熱伸長為14.06 mm，內(nèi)管綜合應(yīng)力為-46.24 MPa，外管綜合應(yīng)力為35.87 MPa。

4.3 綜合載荷分析

在隔熱管內(nèi)管溫度350 ℃、承受內(nèi)外壓17 MPa的條件下，分別對內(nèi)管裝配拉伸量1～3 mm/m和外管溫度80～140 ℃時隔熱管的Mises應(yīng)力進(jìn)行分析，計算結(jié)果如圖8。

a 外管

b 內(nèi)管

考慮隔熱管綜合受力(包括裝配載荷、熱載荷、內(nèi)外壓)影響的基礎(chǔ)上，如圖8a，隔熱管外管Mises應(yīng)力隨外管溫度和內(nèi)管裝配拉伸量的增加而降低。如圖8b，內(nèi)管Mises應(yīng)力隨外管溫度升高而降低、隨內(nèi)管裝配拉伸量的增加先降低后增加。在外管溫度100 ℃、內(nèi)管裝配拉伸量1.8 mm/m時，外管和內(nèi)管的Mises應(yīng)力分別為220.39 MPa和148.89 MPa。在隔熱管裝配拉伸量設(shè)計和管柱受力分析時，可利用建立的模型，根據(jù)隔熱管隔熱性能和工作環(huán)境進(jìn)行模擬，以有效提高隔熱管安全性和使用壽命。

5 結(jié)論

1) 介紹了外連接預(yù)應(yīng)力隔熱管的結(jié)構(gòu)和隔熱原理，提出了3種降低隔熱管接箍處熱損失的措施：安裝接箍密封器、改進(jìn)內(nèi)外管焊接位置或使用隔熱接箍。

2) 建立了考慮內(nèi)外管變形協(xié)調(diào)和溫差影響的隔熱管裝配載荷、熱載荷、軸向載荷及內(nèi)外壓受力分析模型。

3) 采用建立的模型，對隔熱管不同條件下的裝配載荷、熱載荷及綜合載荷進(jìn)行了分析，分析結(jié)果與現(xiàn)場實際符合。

4) 建立的分析模型可用于隔熱管裝配拉伸量設(shè)計和管柱受力分析，以提高隔熱管的使用壽命。