[发明专利]一种油田管金属扣压管件结构设计及校验方法

说明书

本发明公开了一种油田管金属扣压管件结构设计及校验方法，包括如下步骤：1)确定管件关键参数，包括管件的几何参数、材料参数以及工况参数；2)确定金属扣压管件常见的失效模式，包括内芯和外套筒之间的剪切破坏以及内齿与塑料层的层间剥落；3)根据步骤2)中的失效模式和步骤1)中的管件参数，结合力学理论失效公式，分别提出理论计算与校核的数值模型；本发明针对内芯和外套筒之间的剪切破坏和内齿与塑料层的层间剥落这两种失效模式，分别提出了理论计算与校核的数值模型，不仅仅对新管件的开发，对现有管件的安全校验也极具价值。

技术领域

本发明涉及油田管道连接结构设计领域，具体涉及一种油田管扣压管件结构设计及校验方法。

背景技术

目前在油田管领域，复合管的连接形式主要为金属扣压连接，目前针对于该管件的设计以经验结合实际试验为主要支撑，需要做大量的爆破试验，扣压管件为一次性管件，每次试验所需的人力和物力成本都不低。目前该领域缺少一套成熟可靠的理论设计依据和齿形承载力的校验方法。

在油田管领域，由于管道都是高压运行，加之高温和腐蚀性介质的输送，对于管道系统的长期服役寿命提出了更高的要求。而油田管道领域接头失效导致的事故占绝大多数，而油田管道的泄漏问题伴随着爆炸性或有毒的气体和流体，因此接头的设计是整个管道系统的关键，目前在该领域扣压接头的设计主要存在以下问题：

1)管件结构设计以经验为导向，缺乏足够的理论支撑，新管件开发流程需要做大量的接头验证试验，现有管件也缺少安全校验的手段。

2)管件的失效模式主要为金属管件内芯和外套筒之间的剪切破坏和内齿与塑料层的层间剥离，缺少针对这两种失效模式校验公式。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了设计合理的一种油田管金属扣压管件结构设计及校验方法，解决油田金属管件扣压管件领域存在的诸多痛点。

本发明的技术方案如下：

一种油田管金属扣压管件结构设计及校验方法，包括如下步骤：

1)确定管件关键参数，包括管件的几何参数、材料参数以及工况参数；

2)确定金属扣压管件常见的失效模式，包括内芯和外套筒之间的剪切破坏以及内齿与塑料层的层间剥落；

3)根据步骤2)中的失效模式和步骤1)中的管件参数，结合力学理论失效公式，分别提出理论计算与校核的数值模型。

进一步的，针对失效模式为内芯和外套筒之间的剪切破坏，提出如下理论计算与校核的数值模型：

3.1)计算三向应力分量：

根据三维应力状态分析，管件中一个单元体的受力主要分为：轴向应力σ_x、环向应力σ_θ、径向应力σ_r，对于受均匀内压的金属管件而言，在距中心轴长度为r处的环向应力和径向应力如下式(1)-(2)所示：

其中：r₁为内芯齿距中心距离，r₂为外套筒齿距中心距离，r₃为内芯和外套筒结合界面距中心距离，r₄为内芯内半径，Pn管件公称压力；代入r＝r₃即可得到在内芯和外套筒结合界面处的环向应力和径向应力；

同时可得到内压作用下的轴向应力分量如式(3)所示：

3.2)计算等效Mises应力：

根据第三强度理论，将步骤3.1)得到的三个应力分量统筹为等效Mises应力σ_e作为判别指标，如式(4)所示：