聚乙烯燃氣管道電熔接頭熔區(qū)應力研究

作者簡介：李寶（1990.12-），河北張家口人，大專，助理工程師，研究方向：城鎮(zhèn)燃氣。

摘 要： 電熔焊接方法，用于連接聚乙烯燃氣管理，具有使用的廣泛性。電熔焊接在連接期間，其接頭設計較為關鍵，直接關乎著管道系統運行安全。由此開展應力分布規(guī)律的分析，為電熔接頭設計提供理論支撐。本文理論視角予以分析，探索電熔接頭軸向力、溫度等條件的影響作用。

關鍵詞： 軸向力;電熔接頭;應力分布規(guī)律

【中圖分類號】TU996.7 ? ? 【文獻標識碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.30.161

引言：聚乙烯管道的應用優(yōu)勢表現在：具有較強的耐腐蝕能力、較長的使用周期、良好的絕緣性能、運輸便利性等優(yōu)勢，在城市管網中獲得了廣泛應用。燃氣管道系統融合在城市建設中，作為較為關鍵的基礎設施，廣泛分布在人口密集的活動區(qū)域。為此，管道系統運行的穩(wěn)定與安全，成為較為重點的研究項目。

1 理論模型分析

聚乙烯管道在鋪設期間，對其電熔接頭開展設計，應關注其內在壓力、軸向力兩個因素的共同產生效應，內壓力通常指的是管道運行壓力，軸向力的取值與形成原因取決于接頭周邊管道結構設計效果[1]。如若接頭周邊存在端蓋、彎頭等結構設計，內壓將會在電熔接頭位置形成軸向力，此力具有封頭作用。如若管道具有一定長度，且不存在彎曲情況，則對應的管材軸向力取值為零，所表現的是平面應變。與此同時，溫度是軸向力形成的關鍵因素。應力取值的兩種情況，一為接頭周邊有彎頭，二為接頭周邊無彎頭，如下展開詳細分析：

1.1 接頭周邊有彎頭

在管道鋪設區(qū)域內，聚乙烯管道具有一定空間，可用于活動。當接頭周邊出現較多數量的彎頭、端蓋等設計時，內壓將會形成應力，此應力作用于接頭位置，稱之為軸向封頭力。由于管道以軸向為基礎，有可能會發(fā)生形變問題。因此，當溫度條件發(fā)生浮動時，溫度應力將不會作用在接頭位置。對此情況，應針對電熔接頭位置，分析封頭力的作用，即在焊接表面形成了切應力。

封頭力計算方式為：

F1=A4...（1）

公式中，A的表達式為PπD12;F1表示的是封頭力，單位為N;P表示的是管道運行形成壓力，單位為Pa;D1表示的是聚乙烯管道內徑，單位為米。在焊接位置實際承受的封頭力F1，由此形成的切應力均值為：

Tm1=F1B...（2）

公式中B的表達式為πDal;Tm1表示的是F1在焊接面形成切應力均值，單位為Pa;Da表示的是聚乙烯管道外徑，單位為米;l表示聚乙烯管道與管件在焊接期間形成熔區(qū)長度，單位為米。

1.2 接頭周邊無彎頭

聚乙烯管道在地下埋設時，通常選擇的是長直管。長直管在埋設期間，會受到土壤約束作用，使其活動范圍受限。在內壓影響情況下，作用在管道的軸向力取值為零，軸向應力的計算表達式為：

G2=CD...（3）

公式中C的表示式為2uD12P;D的表達式為Da2-D12;G2表示的是管道在內壓作用下形成的軸向應力，單位為Pa;u表示的是泊松比。由于管道實際承受的軸向力取值為零，當溫度條件發(fā)生變化時，聚乙烯管道將會承受軸向形成溫度應力。管道與管材在安全期間，管道內部閉合的客觀環(huán)境溫度，與溫度應力形成的溫度，兩者形成溫度變化，即△T，依據輸油管道相關設計規(guī)定內容，可知長直管在計算其軸向力時，計算公式為：

F2=π4（G2-xEΔT-G22u）D...（4）

關系式中，D的表達式為Da2-D12;F2表示在內壓與溫度浮動雙重作用下，長直管承受的軸向力，單位為N;x表示線脹系數，單位為℃-1;E表示的是彈性模量，單位為Pa。當溫度條件發(fā)生浮動時，在焊接位置長直管實際承受的切應力均值為：

Tm2=F2B...（5）

公式中B的表達式為πDal;Tm2表示的是內壓與溫度浮動雙重作用下，長直管道實際承受的軸向應力，單位為N。

2 應力分布規(guī)律

對應力分布規(guī)律進行研究，有助于全面聚乙烯燃氣管道電熔接頭熔區(qū)應力的分布特征。通常情況下，接頭存在兩個焊區(qū)，兩者分別位于內外兩側，對應力進行分析時，需要從上述兩個角度出發(fā)而實現。位于內部的焊區(qū)，成為內冷焊區(qū)，此焊區(qū)容易對應力造成影響，使其分布均勻性下降。位于外部的焊區(qū)，成為外冷焊區(qū)，此焊區(qū)同樣可影響應力，但影響相對較小，可忽略不計。具體分析時，需要首先建立有限元模型（針對內冷焊區(qū)），模型建立后，如確保相關參數無異常，則可以利用建模軟件中的功能，對焊接界面上的應力分布情況進行計算。實踐經驗顯示，內冷焊區(qū)的應力分布特征，一般以“U形”分布為主，簡言之，兩側應力相對較大，中心區(qū)域應力則最小。假設管材與管件的尺寸均保持不變，為固定值，且管道使用過程中所承受的壓力一定，應力將隨熔區(qū)長度的增加，而呈現不斷減小的趨勢，兩者呈顯著負相關。電熔接頭使用過程中，將受到兩種作用力的影響（分別為軸向力、內壓），在兩種力的共同作用下，應力將逐漸集中于焊接邊緣部位。有研究結果顯示，應力的大小，與熔區(qū)的長度存在聯系。

3 討論

（1）聚乙烯管道在開展電容接頭設計時，其結構內部形成了內壓、軸向力、溫度應力等共同作用，由此引起界面應力形成不均衡的分布問題。

（2）在設計電容接頭時，其焊接位置對應的切應力具有分布不均衡的問題，其影響因素主要為熔區(qū)長度。此外，聚乙烯管道受到軸向力、管材內外徑、管材規(guī)格、材料性能等因素的影響不大[2]。

4 結論

綜上所述，聚乙烯燃氣管道在鋪設期間，應關注其設計的規(guī)范性，從管道周邊設計情況為切入點，針對焊接區(qū)域，采取精準設計方案，減少熔區(qū)長度對管道應力產生影響，保障管道在運行期間，具有較為均勻的受力，提升燃氣管道運行的安全性。

參考文獻

[1] 胡安琪，聶新宇，姚登樽.聚乙烯燃氣管道電熔接頭熔區(qū)應力分析[J].壓力容器，2019，36（05）：21-28+20.

[2] 梁玉梅，謝寶坤，王彥啟.聚乙烯管道電熔焊接接頭承插不到位的檢測分析[J].無損探傷，2018，42（04）：27-29.