U型內(nèi)襯燃氣修復(fù)管的應(yīng)力分析

吳智超

(北京優(yōu)奈特燃氣工程技術(shù)有限公司，北京 100023)

1 結(jié)構(gòu)模型

U型內(nèi)襯管對焊接頭低碳鋼管應(yīng)用以來，經(jīng)過國內(nèi)多年研究、試驗和推廣應(yīng)用。在這些管道縫隙處，局部失去鋼管支撐的聚乙烯內(nèi)襯管需獨自承受管道內(nèi)壓，使得應(yīng)力與變形在此集中。實際穿插結(jié)構(gòu)是在外徑為529 mm，壁厚為7 mm的螺旋焊接鋼管內(nèi)穿插壁厚為8 mm和10 mm的PE80內(nèi)襯管，管道工作內(nèi)壓p為0.6～1.0MPa。在實際分段穿插施工中，鋼管道上會留下某些縫隙,其結(jié)構(gòu)受力內(nèi)襯管的外表面與鋼管的內(nèi)表面為摩擦接觸。聚乙烯管材是專供燃氣管道使用的管材，也用作穿插修復(fù)舊燃氣管道的聚乙烯內(nèi)襯管。本文用有限元方法分析了某穿插管道結(jié)構(gòu)中的內(nèi)襯管在鋼管道縫隙處的結(jié)構(gòu)行為。

2 U型內(nèi)襯燃氣修復(fù)管的應(yīng)力分析

2.1 有限元模型

首先對壁厚體抗彎變形與承載能力進行了實驗，設(shè)置管兩端簡支，凍結(jié)管彈性模量2.12×105,泊松比為0.3，屈服極限為350M Pa，焊縫彈性模量1.8×105,泊松比為0.25，屈服極限為450M Pa；應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用理想彈塑性模型，采用循環(huán)語句在焊縫上逐級施加集中荷載直至屈服。實驗采用集中加載，集中荷載作用于跨中；每個試件安設(shè)3個電阻式位移傳感器；低溫條件用液氮氣化獲得，為了控制溫度，在管材中間的腰線部位設(shè)有兩個熱電偶傳感器，監(jiān)控試件溫度。假定內(nèi)襯管厚度與母體管材相等，每次試驗的加載方式和焊縫彈性模量取值一致，考慮到穿插內(nèi)襯在鋼管縫隙處徑向變形的軸對稱性，用有限元程序中的點軸對稱平面實體單元劃分網(wǎng)格，用軸對稱的平面接觸單元考慮內(nèi)襯與鋼管之間的界面摩擦和相對移動。內(nèi)襯管增加了纖維增強層，所以具有很好的力學(xué)性能，同時為了不損傷纖維內(nèi)襯管的最大變形有嚴(yán)格的要求。利用平行的兩塊板把模型擠壓同時去除兩塊平行的擠壓板，最后對內(nèi)襯管施加內(nèi)壓，把塑料膠帶撐破，恢復(fù)到初始形狀。

2.2 內(nèi)襯管靜水壓力恢復(fù)展開過程

通過膠帶把復(fù)合材料內(nèi)襯管控制為小截面管后，通過拖拉裝置把復(fù)合材料內(nèi)襯管拖進燃氣管道，拖到位置后需要對管施加內(nèi)壓把膠帶撐破，并且使內(nèi)襯管恢復(fù)到原來的尺寸與給水管道緊密貼合，從而達到修復(fù)管道的目的。為了計算內(nèi)襯管在內(nèi)壓的作用下使膠帶斷裂需要把模型從隱性求解器轉(zhuǎn)到顯性求解器求解，當(dāng)膠帶全部斷裂后再把模型轉(zhuǎn)到隱性求解器求解，最終使內(nèi)襯管達到應(yīng)力平衡，內(nèi)襯管在施加內(nèi)壓條件下恢復(fù)展開過程，其中給出了軸向應(yīng)力分布當(dāng)中心三個膠帶破壞后，有一個應(yīng)力釋放的過程，然后應(yīng)力繼續(xù)增加，五個膠帶全部破壞。然后把模型轉(zhuǎn)到隱性求解器繼續(xù)進行計算管橫截面最終恢復(fù)為圓管，因為管恢復(fù)產(chǎn)生大的變形應(yīng)力得到了有效釋放，因此應(yīng)力有下降的趨勢，最終內(nèi)襯管的應(yīng)力用于平衡所施加的內(nèi)壓力。內(nèi)襯管折疊后，需要對折疊后的內(nèi)襯管隔0.5 m綁一個膠帶用于保持該折疊變形，為了精確求解結(jié)構(gòu)在折疊后的應(yīng)力及變形該過程采用有限元隱性求解器求解.在計算過程中需要建立膠帶與折疊管的接觸，同時去除兩個垂直板，經(jīng)過把顯性求解結(jié)果傳遞到隱性求解器進行計算后，應(yīng)力達到平衡。需要注意的是在模擬過程中沒有考慮增強層纖維重取向的影響，由于較大的變形可以導(dǎo)致增強層纖維束重取向，并且能夠降低增強層的應(yīng)力水平，該折疊的計算過程是利用有限元顯性求解器進行求解的。

2.3在管道內(nèi)壓作用下,局部失去剛性支撐的內(nèi)襯管在鋼管縫隙處沿管道徑向出現(xiàn)明顯的膨脹變形,且徑向位移主要集中在鋼管縫隙之間的內(nèi)襯管上。同時內(nèi)襯管外表面危險點處也受到高拉伸應(yīng)力的作用。由米賽斯等效應(yīng)力分布可見,該危險點處的達到可知該點已進入屈服階段。由此可知,管道內(nèi)壓作用在這種穿插結(jié)構(gòu)上所產(chǎn)生的應(yīng)力主要還是由鋼管承擔(dān)。綜合鋼管的縫隙尺寸、管道內(nèi)壓和穿插內(nèi)襯管壁厚對穿插結(jié)構(gòu)危險點處的徑向位移、米賽斯等效應(yīng)力和第一主應(yīng)力均有顯著影響,因此在穿插施工前需要就此進行詳細的定量設(shè)計。在經(jīng)過計算選用相對較薄的穿插內(nèi)襯管不僅可節(jié)約建設(shè)成本,還能增大管內(nèi)流通面積,提高管道更新后的運行效率內(nèi)襯管,當(dāng)鋼管的縫隙尺寸增大至60 mm時,該穿插結(jié)構(gòu)的危險點在1 MPa內(nèi)壓的作用下已經(jīng)進入屈服階段,在這種情況下該結(jié)構(gòu)已不安全。

薄壁聚乙烯內(nèi)襯管跨越管道縫隙的能力是用穿插內(nèi)襯管方法修復(fù)舊燃氣管道需要確定的設(shè)計問題之一。反映的是該穿插內(nèi)襯管結(jié)構(gòu)的短期性能。對于這種粘彈性材料,特別是工作溫度較高時,為保證長期 (50 a)使用安全,還需要針對具體結(jié)構(gòu)對其長期蠕變性能進行細致的評價。充分分析了折疊過程、綁膠帶過程、撐破膠帶過程以及恢復(fù)過程.通過分析發(fā)現(xiàn)帶有纖維增強的內(nèi)襯管在折疊過程中容易對纖維增強層造成損傷，可能會影響復(fù)合材料內(nèi)襯管的使用壽命，因此復(fù)合材料內(nèi)襯管采折疊變形不可取，需要探索采用其他形狀的折疊變形。