壓扁阻斷對聚乙烯燃?xì)夤艿懒W(xué)性能的影響

張 毅 薛世峰 韓麗美 劉翠偉 焦俊朋

1.中國石油大學(xué)（華東）儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院 2.山東省油氣儲運(yùn)安全重點(diǎn)實(shí)驗室

0 引言

聚乙烯（PE）材料因其優(yōu)良的物理和力學(xué)性能、耐腐蝕性以及便捷的安裝和維護(hù)過程而被廣泛用于制造排水和燃?xì)夤艿?。根?jù)美國運(yùn)輸部管道和危險材料安全管理局(PHMSA)的統(tǒng)計，2018 年美國新安裝的燃?xì)夤艿?0%以上都是由PE 材料制成的。中國管道領(lǐng)域也在進(jìn)行“以塑代鋼”的革命，如PE 管道已經(jīng)在中、低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)中取代了過去的傳統(tǒng)管材，成為《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范：GB 50028—2006》的首選管材。

然而美國塑料管材數(shù)據(jù)協(xié)會（PPDC）數(shù)據(jù)及相關(guān)研究表明，壓扁阻斷是引起PE 管道力學(xué)性能衰減、失效破壞甚至爆炸等特大事故發(fā)生的重要原因。20世紀(jì)90 年代美國天然氣技術(shù)研究所（Gas Technology Institute，縮寫為 GTI）研究了壓扁阻斷引起的PE 管道損傷，并采用靜水壓力實(shí)驗和現(xiàn)象學(xué)模擬相結(jié)合的方法分析了壓縮水平、管道直徑和擠壓工具幾何形狀和尺寸對PE 管道損傷程度的影響[1-4]。2007 年Yayla 和Bilgin[5]首次采用實(shí)驗方法系統(tǒng)分析了壓縮水平、管道直徑和擠壓工具幾何形狀對PE 管道短期和長期力學(xué)性能的影響。Uzelac 等[6-7]分別在2010年和2011 年研究了壓扁阻斷對PE 管道壁厚和劃痕深度的影響。實(shí)驗結(jié)果表明，壓扁阻斷“耳朵”處的管道壁厚和劃痕深度變化最大，也是壓扁阻斷最危險的地方。2012 年Brown 等[8]詳細(xì)分析了由不當(dāng)壓扁阻斷操作引起的PE 管道爆炸事故。2015 年美國燃?xì)饧夹g(shù)研究院采用仿真技術(shù)探究了管道的壓扁阻斷作業(yè)位置和管件之間的標(biāo)準(zhǔn)距離[9]。2018 年Zhang 等[10]采用連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)概念定量分析了壓扁阻斷引起的損傷在PE 管道中的分布規(guī)律。國內(nèi)對于PE 燃?xì)夤艿缐罕庾钄嗉夹g(shù)的研究尚處于起步階段，并且主要集中于介紹PE 管道壓扁阻斷技術(shù)流程、相關(guān)設(shè)備及注意事項等[11-15]，以定性分析為主，缺乏定量研究。

目前PE 管道壓扁阻斷相關(guān)技術(shù)參數(shù)主要參照美國標(biāo)準(zhǔn)，包括ASTM F1041[16]、ASTM F1563[17]以及ASTM 1734[18]。我國根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)BS ISO 4437[19]制訂了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁≒E）管道系統(tǒng)：GB 15558.1—2015》，并對壓扁阻斷流程及注意事項進(jìn)行了簡單描述和規(guī)定。然而，不論是美國標(biāo)準(zhǔn)還是中國標(biāo)準(zhǔn)都還存在著一些不足，需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善，例如標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定常溫下壓管和松管速度不應(yīng)該超過50.8 mm/min，當(dāng)外界溫度降低時壓管和松管速度應(yīng)該降低，但標(biāo)準(zhǔn)中并沒有具體規(guī)定低溫下的壓管和松管速度應(yīng)該降低多少。這樣的標(biāo)準(zhǔn)對現(xiàn)場操作人員的指導(dǎo)意義不大，容易引起不當(dāng)操作，有可能導(dǎo)致PE 管道過量損傷以及壽命縮短。

為了解決上述問題，筆者采用實(shí)驗室試驗與有限元模擬相結(jié)合的方法，探究了壓扁阻斷對PE 管道力學(xué)性能的影響規(guī)律，以期為創(chuàng)建安全高效的壓扁阻斷工藝流程及保障PE 燃?xì)夤艿赖陌踩\(yùn)行提供依據(jù)。

1 實(shí)驗分析

1.1 實(shí)驗材料與方法

實(shí)驗材料為進(jìn)口PE3408 燃?xì)夤懿?，?nèi)徑47.5 mm，壁厚6 mm。用于壓扁阻斷實(shí)驗的PE 管道試樣長度為350 mm，滿足ASTM F1041 規(guī)定的“試樣長度應(yīng)大于5 倍管道直徑”。壓扁阻斷對PE 管道力學(xué)性能影響的實(shí)驗方法及裝置示意如圖1 所示，半徑為19 mm 的擠壓棒安裝在電子萬能試驗機(jī)上，通過上擠壓棒的上下移動實(shí)現(xiàn)對PE 管道的壓扁阻斷。根據(jù)ASTM F1734[18]和GB 15558.1[20]的規(guī)定，壓扁阻斷的管壁壓縮率（WC）定義為：

圖1 壓扁阻斷對PE 管道力學(xué)性能影響的實(shí)驗方法及裝置圖

式中D表示壓扁阻斷完成后上下擠壓棒之間的距離，mm；t表示PE 管道最小壁厚，mm。

為了反映真實(shí)的壓扁阻斷工況，采用的管壁壓縮率為30%。圖1-b 所示為將壓扁后的PE 管道切割成寬為10 mm 的圓環(huán)試樣以定量表征壓扁阻斷對PE管道力學(xué)性能的影響。將圓環(huán)試樣在電子萬能試驗機(jī)上以0.01 mm/min 的速度拉伸直至斷裂，其尺寸和實(shí)驗裝置如圖1-c 所示。

為反映真實(shí)的壓扁阻斷過程，采用的壓扁阻斷實(shí)驗分為3 個階段：壓扁擠壓、應(yīng)力松弛和卸載松管（圖2）。ASTM F1734 和GB 15558.1—2015 中規(guī)定擠壓速度不能超過50.80 mm/min，因此本文采用的擠壓速度為0.01 mm/min、1.00 mm/min 和50.00 mm/min。當(dāng)管壁壓縮率達(dá)到預(yù)設(shè)值時，通過保持上擠壓棒位置不變使PE 管道進(jìn)入應(yīng)力松弛階段?？紤]真實(shí)的壓扁阻斷維修時間，采用的應(yīng)力松弛時間為3 h。應(yīng)力松弛段結(jié)束后，以0.10 mm/min 的速度松管卸載，完成整個壓扁阻斷過程。

圖2 壓扁阻斷實(shí)驗流程示意圖

1.2 實(shí)驗結(jié)果與分析

圖3 為PE 管道在不同擠壓速度下的全過程載荷—位移曲線。由圖可知，壓扁阻斷載荷—位移曲線分為4 個階段：A →B 段為上擠壓棒向下移動，直到管道內(nèi)壁接觸；B →C 段為擠壓棒繼續(xù)向下移動，但因為管道內(nèi)壁接觸，載荷從B 點(diǎn)開始急劇增大，直到C 點(diǎn)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的壓縮水平；C →D 段為應(yīng)力松弛階段，即保持上擠壓棒位移不變以模擬真實(shí)的壓扁阻斷維修過程；D →E 段為卸載松管，維修完成后上擠壓棒向上移動至擠壓棒離開PE 管道。壓扁阻斷最大載荷隨著擠壓速度的增大而增大。究其原因，PE 材料本身具有強(qiáng)非線性黏彈塑性力學(xué)行為，加載速度增大導(dǎo)致PE 內(nèi)部分子鏈活動受限，表現(xiàn)出更高的載荷或應(yīng)力水平[21-23]。

綜上所述，由于仔豬的腹瀉是多種因素共同作用的結(jié)果。防治仔豬腹瀉，主要應(yīng)采取綜合防治措施。仔豬腹瀉的發(fā)生、發(fā)展與飼養(yǎng)管理密切相關(guān)，保持豬舍及用具清潔衛(wèi)生，加強(qiáng)環(huán)境衛(wèi)生消毒工作，一旦發(fā)生仔豬腹瀉應(yīng)立即隔離和治療，及時清除糞便和污染物，防止病原的傳播，注意仔豬的防寒保暖，把握好仔豬初乳關(guān)，增強(qiáng)母豬和仔豬的抵抗力等良好的飼養(yǎng)管理和生物安全措施是防治仔豬腹瀉的基礎(chǔ)。針對性地對疫苗和敏感藥物的選用是防治仔豬腹瀉的技術(shù)關(guān)鍵。

圖3 壓扁阻斷全過程載荷—位移曲線圖

圖4 顯示了壓扁阻斷引起的PE 圓環(huán)試樣力學(xué)性能變化。由圖可知，壓扁阻斷位置（相對位置為0）的圓環(huán)試樣彈性模量和屈服應(yīng)力衰減最嚴(yán)重，彈性模量和屈服應(yīng)力分別只有初始值的17%和72%，這說明壓扁阻斷會導(dǎo)致PE 管道力學(xué)性能的衰退，特別是壓扁位置處，容易引起PE 管道的失效破壞。同時也可以發(fā)現(xiàn)，距離壓扁阻斷位置較遠(yuǎn)處（大于1.5 倍管道直徑）的圓環(huán)試樣力學(xué)性能基本不受壓扁阻斷的影響。這說明壓扁阻斷造成的PE 管道力學(xué)性能衰退具有極強(qiáng)的局部性，建議壓扁阻斷維修后加強(qiáng)對擠壓處管道的監(jiān)測。擠壓速度對圓環(huán)試樣力學(xué)性能衰減程度的影響較小。

2 壓扁阻斷有限元分析

2.1 有限元模型

為了進(jìn)一步研究壓扁阻斷對PE 管道力學(xué)性能的影響，采用ABAQUS 軟件建立PE 管道壓扁阻斷有限元模型，主要包括壓扁工具棒和PE 管道（圖5）。為了節(jié)省計算時間，PE 管道采用1/4 模型，共計18 600 個C3D8R 單元，壓扁工具棒為分析剛體。PE 管道與工具棒之間的摩擦系數(shù)設(shè)為0.08[24]。

圖4 壓扁阻斷對PE 管道力學(xué)性能的影響圖

圖5 壓扁阻斷有限元模型圖

2.2 有限元本構(gòu)方程

采用四段式本構(gòu)方程，分別描述PE 管道線彈性階段、非線彈性階段、頸縮階段、硬化階段和蠕變松弛階段的力學(xué)行為。

式中σ表示等效應(yīng)力，MPa；ε表示等效應(yīng)變；εy表示線彈性到非線彈性的轉(zhuǎn)折應(yīng)變點(diǎn)；εn表示頸縮起始應(yīng)變點(diǎn)；εn表示硬化起始應(yīng)變點(diǎn)；表示等效蠕變應(yīng)變率；t表示蠕變時間，s；a、b、c、d、e、αk、N、M、β、A、n和m為用戶自定義參數(shù)。采用自動迭代程序調(diào)整上述參數(shù)直到有限元結(jié)果與實(shí)驗結(jié)果吻合。

2.3 有限元結(jié)果與分析

圖6 所示為擠壓速度分別為0.01 mm/min、1.00 mm/min 和50.00 mm/min 的有限元結(jié)果與實(shí)驗結(jié)果的對比分析。由圖6 可知，有限元模擬結(jié)果與實(shí)驗結(jié)果非常接近，驗證了本文提出的有限元模型的可靠性與準(zhǔn)確性。得到圖6 有限元結(jié)果的本構(gòu)方程參數(shù)如表1 所示。需要指出的是，在模擬過程中將方程2（d）分為4 個部分以提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2.3.1 壓扁阻斷全過程應(yīng)力分析

圖6 有限元模擬結(jié)果與實(shí)驗結(jié)果對比圖

表1 壓扁阻斷有限元模擬本構(gòu)方程參數(shù)表

以擠壓速度為1.00 mm/min 的有限元模型為例，研究壓扁阻斷全過程的應(yīng)力分布情況?？紤]實(shí)際情況，壓扁阻斷過程分為3 個階段：擠壓階段、應(yīng)力松弛階段和松管卸載階段。根據(jù)表1 中本構(gòu)模型參數(shù)建立模型求解得到PE 管道壓扁阻斷全過程的Mises 應(yīng)力云圖（圖7）。圖7-a 為擠壓階段結(jié)束、管道達(dá)到30%壁厚壓縮率時的應(yīng)力分布。管道上應(yīng)力最大值約為25 MPa，且主要集中在擠壓棒與管道接觸部位。大于20 MPa 的應(yīng)力分布范圍約為1/3 管道直徑長度，在離開擠壓部位1.5 倍管徑處，應(yīng)力值已經(jīng)小于管道最大應(yīng)力值的一半。

圖7 壓扁阻斷全過程應(yīng)力分布圖

圖7-b 為應(yīng)力松弛段結(jié)束時PE 管道的應(yīng)力分布。與圖6-a 中的應(yīng)力分布相比，由于PE 材料的蠕變特性，雖然擠壓棒的位置和壁厚壓縮率沒有改變，但PE 管道的應(yīng)力值顯著減小，由圖7-a 中的最大值25 MPa 減小到10 MPa。而且應(yīng)力分布沒有擠壓階段集中，大于8 MPa 的應(yīng)力分布范圍達(dá)到了3 倍管徑。

圖7-c 為卸載階段結(jié)束時PE 管道的應(yīng)力分布，可以看出，管道最大應(yīng)力主要集中在管道的擠壓耳部。管道最大應(yīng)力約為12.5 MPa，大于10 MPa 的應(yīng)力分布范圍約為1/4 管徑。擠壓耳部附近應(yīng)力較大而且集中，管道其他部分應(yīng)力分布比較均勻。

2.3.2 壓縮率影響分析

以擠壓速度為1.00 mm/min 為例，研究了壓扁阻斷過程中管壁壓縮率對壓扁阻斷過程和PE 管道力學(xué)性能的影響。除實(shí)驗中采用的30%管壁壓縮率外，又在ABAQUS 中建立了壓縮率為10%和20%的PE 管道壓扁阻斷模型。圖8 為1.00 mm/min 擠壓速度下，管壁壓縮率分別為10%、20%和30%的載荷—位移曲線。由圖8 可知，擠壓力隨著壓縮率的增大而增大。

圖8 不同壓縮率的載荷—位移曲線圖

圖9 為卸載松管后PE 管道不同壓縮率的Mises應(yīng)力云圖?？梢钥闯?，管道上最大應(yīng)力發(fā)生在圖中標(biāo)注位置，即擠壓耳部。該位置也是壓扁阻斷后的PE管道最易發(fā)生失效破壞的位置，需要重點(diǎn)檢測監(jiān)測，避免事故發(fā)生。表2 總結(jié)了不同管壁壓縮率下PE 管道上的載荷最大值、應(yīng)力最大值及卸載后的塑性應(yīng)變最大值。由表2 可知，當(dāng)管壁壓縮率由10%提高到30%時，管道上的最大載荷、最大應(yīng)力及最大塑性應(yīng)變分別增加了113.8%、12.9%和10.3%。

圖9 不同壓縮率PE 管道應(yīng)力分布圖

表2 壓縮率影響分析表

2.3.3 擠壓棒幾何尺寸影響分析

為分析擠壓棒幾何尺寸對PE 管道力學(xué)性能的影響，擠壓棒半徑分別為14 mm、19 mm 和24 mm，PE 本構(gòu)方程參數(shù)同表1。建立有限元模型求解后，得到的壓扁阻斷全過程力—位移曲線如圖10 所示。由圖10 可知，擠壓力隨著擠壓棒半徑的增大而增大。然而，進(jìn)一步分析有限元結(jié)果發(fā)現(xiàn)PE 管道上最大Mises 應(yīng)力和塑性應(yīng)變隨著擠壓棒半徑的減小而增大（表3）。究其原因，半徑越小，擠壓棒在PE 管道上造成的應(yīng)力集中越明顯，對管道造成的損傷越大。故壓扁阻斷作業(yè)中建議適當(dāng)增大擠壓棒尺寸，減小其對PE 管道造成的損傷。

圖10 不同擠壓棒半徑下的載荷—位移曲線圖

表3 擠壓棒幾何尺寸分析參數(shù)表

2.3.4 摩擦系數(shù)影響分析

壓扁阻斷現(xiàn)場作業(yè)時，多是在戶外進(jìn)行，管道表面的雜質(zhì)、顆粒等會對擠壓棒與PE 管道之間的摩擦力產(chǎn)生較大影響?，F(xiàn)考慮3 種情況：①是前文計算過的，摩擦系數(shù)為0.08，用以反映擠壓棒與PE管道之間的正常摩擦；②是模擬壓扁阻斷作業(yè)現(xiàn)場，對擠壓棒與PE 管道表面適當(dāng)清潔，去除砂石泥土并適當(dāng)潤滑，在ABAQUS 有限元建模時，將此種情況下的摩擦系數(shù)設(shè)為0.04；③是模擬壓扁阻斷現(xiàn)場作業(yè)時，擠壓棒與聚乙烯管道表面存在一些雜質(zhì)，使得在壓扁阻斷過程中二者之間的摩擦有所增大，在ABAQUS 有限元建模時，將此種情況下的摩擦系數(shù)設(shè)為0.20。使用ABAQUS 軟件建立模型并求解分析，研究不同摩擦系數(shù)對壓扁阻斷過程以及PE 管道力學(xué)性能的影響。

不同摩擦系數(shù)的載荷—位移曲線如圖11 所示，摩擦系數(shù)對載荷—位移曲線的影響主要體現(xiàn)在載荷最大值上。摩擦系數(shù)從0.08 降低為0.04，載荷最大值減小了5.6%；當(dāng)摩擦系數(shù)從0.08 增大到0.20，載荷最大值增大了9.6%。值得注意的是，將摩擦系數(shù)為0.04和摩擦系數(shù)為0.20 對比，后者的載荷最大值比前者增大了16.1%，數(shù)值上增加了5.4 kN。進(jìn)一步采用有限元模型分析PE 管道最大應(yīng)力及塑性應(yīng)變，結(jié)果如表4所示。摩擦系數(shù)的增大會導(dǎo)致管道應(yīng)力及塑性應(yīng)變的增大。這也意味著在實(shí)際施工過程中，若不清理擠壓棒和PE 管道表面，殘留的雜質(zhì)和泥沙會導(dǎo)致管道應(yīng)力增加，產(chǎn)生額外損傷。因此，建議在對PE 管道進(jìn)行壓扁阻斷維修、維護(hù)作業(yè)時，盡量清潔擠壓棒和PE管道的表面，必要時可以加適量潤滑劑，這樣可以以更小的力達(dá)到預(yù)定的壁厚壓縮率，有助于壓扁阻斷作業(yè)的順利進(jìn)行及管道安全運(yùn)行。

圖11 不同摩擦系數(shù)下的載荷—位移曲線圖

表4 摩擦系數(shù)分析參數(shù)表

3 結(jié)論

1）壓扁阻斷會引起PE 管道力學(xué)性能的衰退，在標(biāo)準(zhǔn)允許的最大壁厚壓縮率30%下，PE 管道的彈性模量和屈服應(yīng)力分別降低為初始值的17%和72%，且力學(xué)性能的衰減主要集中在管道擠壓耳朵位置。

2）PE 管道上最大載荷、最大應(yīng)力及最大塑性應(yīng)變隨擠壓速度和壓縮率的增大而增大；PE 管道的最大載荷隨著擠壓棒尺寸的增大而增大，但最大應(yīng)力和最大塑性應(yīng)變隨擠壓棒尺寸的減小而增大。

3）PE 管道和擠壓棒之間越光滑（摩擦系數(shù)越?。?，管道上的最大載荷、最大應(yīng)力及最大塑性應(yīng)變越小。