详谈超高分子量聚乙烯管道外压问题与国内外技术分析

由于超高分子量聚乙烯管道复合管每层紧密结合无滑移，通过“partion”命令将管道分为四层(内层、外层及两复合层)。由于管道受均匀对称外压，属平面应变问题，同时为了和理论做比较，取管道长度20mm。有限元模型中内层外层和基体层单元类型为C3D8I，该单元很适用于严重扭曲现象，位移计算结果较为精确并且计算成本较小。螺旋线钢丝使用ts单元，单元类型T3D2H，采用“Embedde．mand”命令将钢丝线嵌入基体层内以保证钢丝无滑移。用耦合约束命令将模型左端面与定义的参考点耦合；同时在右端面施加对称边界约束，以实现外压作用下的正确边界条件。对于径厚比较小的复合管道，在外压作用下往往会发生椭圆形失稳变形，因此在管道一端的上下两点约束其水平位移，左右两点约束其竖向位移，以保证管道产生纯椭圆变形。模型中的材料性能与理论相同。 超高分子量聚乙烯管道PSP内外层为高密度聚乙烯，加强层为以一定角度正反错绕成型的钢丝网状骨架与由热塑性材料构成的基体紧密结合构成的复合结构。由于材质原因，PSP管在外压作用下更容易出现屈曲失稳问题。朱彦聪等?依据Donnell的扁壳理论求解PSP管在外压下的弹性屈曲荷载。Adomandi等对管中管结构在静水压力作用下的弹性屈曲进行了理论和有限元研究，在有限元模型中设定层与层的接触为 粘结无滑移，而对于有滑移的非粘结层通过两点约束来实现。他们又通过大量的有限元计算来分析复合管外压的承载能力，并在此基础上提出了适合于复合管在外压作用下的简化公式。BaiYong等基于二维环理论，并考虑剪切变形的影响，研究纤维增强管道管道初始椭圆化对外压失稳的影响。龚顺风等基于非线性环理论，研究了深水管道在外压作用下的失稳屈曲理论。 基于BaiYong等的二维壳模型，考虑超高分子量聚乙烯管道受外压时的剪切变形，并结合Halpin—Tsai模型对加强层进行简化，对管道进行外压力学性能分析，采用ABA建立有限元模型，将计算结果与理论进行分析对比。 通过试验得到压力峰值，并与理论，有限元对比，发现三者吻合良好。

超高分子量聚乙烯管抗压挤毁解决方案分析

深井中，在地压梯度的作用下，油气产层部位附近围压非常大，引起地层破裂压力非常大(压力系数可能超过,甚至有些异常高压地层处在管柱中间)。此时，深井超高分子量聚乙烯管既要考虑提高管柱本身拉伸强度，还要考虑抗外挤能力(抗外挤强度也是一项突出的指标)。因此，提高管体抗挤毁强度有两个途径：一是增加屈服强度；另一个是增加壁厚，但会牺牲内径或者通径，给工程施工带来不利影响。深井套管在应用时，必须考虑井温对套管性能的影响。 正常情况下，该温度下管体材料不会发生相变，但其他理化性能有变化。材料强度、弹性模量及泊松比与温度的关系。由高温拉伸试验可知高温下管体强度有一定程度下降，验室测得的采用cr—Mo低合金钢设计的110和150钢级材料的高温拉伸性能，可以看出110钢级材料在约200qC时强度下降更明显，这是南合金含量不同引起的；与室温拉伸强度相比，两者分别降了约10％和5％。 K—T模型较好地预报了当前超高分子量聚乙烯管的抗挤毁性能，但其公式系数依据各企业自身水平而定。由该模型可以看出，当D／S处在塑性挤毁和过渡性挤毁区间时，椭圆度的影响非常明显，椭圆度成为影响抗挤毁值的主要尺寸质量的工艺控制性因素；当D／S处于弹性挤毁区间或者屈服挤毁区间时，残余应力的影响不明显，一般应尽量控制在名义屈服强度。的15％1内。 深井中既要考虑高温影响套管强度，还需要考虑高温对管体材料的弹性模量和泊松比的影响，这些因素 终影响服役条件下管体的抗挤毁能力。采用特厚壁套管来解决深井异常高压地层的挤毁问题是 有效的办法。 抗挤毁超高分子量聚乙烯管应采用调质热处理工艺，在满足屈服强度的要求下，采取尽可能高的回火温度，从而提高矫直温度，降低残余应力。推荐采用外淋+内喷式同步相变的热处理工艺来提高管体的淬透深度和组织均匀性。 由于地层压力的方向性和各异性，套管的受力环境很恶劣，套管的挤毁破坏更趋严重，建议提高抗挤毁安全系数，但套管的抗挤毁强度是其固有的工程属性，并不能随地层应力分布特征而发生变化