《聚乙烯燃气管道电熔接头熔区应力》
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作者简介：李宝（1990.12-）,河北张家口人,大专,助理工程师,研究方向：城镇燃气.
摘 要： 电熔焊接方法,用于连接聚乙烯燃气管理,具有使用的广泛性.电熔焊接在连接期间,其接头设计较为关键,直接关乎着管道系统运行安全.由此开展应力分布规律的分析,为电熔接头设计提供理论支撑.本文理论视角予以分析,探索电熔接头轴向力、温度等条件的影响作用.
关键词： 轴向力;电熔接头;应力分布规律
【中图分类号】TU996.7 【文献标识码】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.30.161
引言：聚乙烯管道的应用优势表现在：具有较强的耐腐蚀能力、较长的使用周期、良好的绝缘性能、运输便利性等優势,在城市管网中获得了广泛应用.燃气管道系统融合在城市建设中,作为较为关键的基础设施,广泛分布在人口密集的活动区域.为此,管道系统运行的稳定与安全,成为较为重点的研究项目.
1.理论模型分析
聚乙烯管道在铺设期间,对其电熔接头开展设计,应关注其内在压力、轴向力两个因素的共同产生效应,内压力通常指的是管道运行压力,轴向力的取值与形成原因取决于接头周边管道结构设计效果[1].如若接头周边存在端盖、弯头等结构设计,内压将会在电熔接头位置形成轴向力,此力具有封头作用.如若管道具有一定长度,且不存在弯曲情况,则对应的管材轴向力取值为零,所表现的是平面应变.与此同时,温度是轴向力形成的关键因素.应力取值的两种情况,一为接头周边有弯头,二为接头周边无弯头,如下展开详细分析：
1、1 接头周边有弯头
在管道铺设区域内,聚乙烯管道具有一定空间,可用于活动.当接头周边出现较多数量的弯头、端盖等设计时,内压将会形成应力,此应力作用于接头位置,称之为轴向封头力.由于管道以轴向为基础,有可能会发生形变问题.因此,当温度条件发生浮动时,温度应力将不会作用在接头位置.对此情况,应针对电熔接头位置,分析封头力的作用,即在焊接表面形成了切应力.
封头力计算方式为：
F1等于A4.（1）
公式中,A的表达式为PπD12;F1表示的是封头力,单位为N;P表示的是管道运行形成压力,单位为Pa;D1表示的是聚乙烯管道内径,单位为米.在焊接位置实际承受的封头力F1,由此形成的切应力均值为：
Tm1等于F1B.（2）
公式中B的表达式为πDal;Tm1表示的是F1在焊接面形成切应力均值,单位为Pa;Da表示的是聚乙烯管道外径,单位为米;l表示聚乙烯管道与管件在焊接期间形成熔区长度,单位为米.
1、2 接头周边无弯头
聚乙烯管道在地下埋设时,通常选择的是长直管.长直管在埋设期间,会受到土壤约束作用,使其活动范围受限.在内压影响情况下,作用在管道的轴向力取值为零,轴向应力的计算表达式为：
G2等于CD.（3）
公式中C的表示式为2uD12P;D的表达式为Da2-D12;G2表示的是管道在内压作用下形成的轴向应力,单位为Pa;u表示的是泊松比.由于管道实际承受的轴向力取值为零,当温度条件发生变化时,聚乙烯管道将会承受轴向形成温度应力.管道与管材在安全期间,管道内部闭合的客观环境温度,与温度应力形成的温度,两者形成温度变化,即△T,依据输油管道相关设计规定内容,可知长直管在计算其轴向力时,计算公式为：
F2等于π4（G2-xEΔT-G22u）D.（4）
关系式中,D的表达式为Da2-D12;F2表示在内压与温度浮动双重作用下,长直管承受的轴向力,单位为N;x表示线胀系数,单位为℃-1;E表示的是弹性模量,单位为Pa.当温度条件发生浮动时,在焊接位置长直管实际承受的切应力均值为：
Tm2等于F2B.（5）
公式中B的表达式为πDal;Tm2表示的是内压与温度浮动双重作用下,长直管道实际承受的轴向应力,单位为N.
2.应力分布规律
对应力分布规律进行研究,有助于全面聚乙烯燃气管道电熔接头熔区应力的分布特征.通常情况下,接头存在两个焊区,两者分别位于内外两侧,对应力进行分析时,需要从上述两个角度出发而实现.位于内部的焊区,成为内冷焊区,此焊区容易对应力造成影响,使其分布均匀性下降.位于外部的焊区,成为外冷焊区,此焊区同样可影响应力,但影响相对较小,可忽略不计.具体分析时,需要首先建立有限元模型（针对内冷焊区）,模型建立后,如确保相关参数无异常,则可以利用建模软件中的功能,对焊接界面上的应力分布情况进行计算.实践经验显示,内冷焊区的应力分布特征,一般以“U形”分布为主,简言之,两侧应力相对较大,中心区域应力则最小.假设管材与管件的尺寸均保持不变,为固定值,且管道使用过程中所承受的压力一定,应力将随熔区长度的增加,而呈现不断减小的趋势,两者呈显著负相关.电熔接头使用过程中,将受到两种作用力的影响（分别为轴向力、内压）,在两种力的共同作用下,应力将逐渐集中于焊接边缘部位.有研究结果显示,应力的大小,与熔区的长度存在联系.
3.讨论
（1）聚乙烯管道在开展电容接头设计时,其结构内部形成了内压、轴向力、温度应力等共同作用,由此引起界面应力形成不均衡的分布问题.
（2）在设计电容接头时,其焊接位置对应的切应力具有分布不均衡的问题,其影响因素主要为熔区长度.此外,聚乙烯管道受到轴向力、管材内外径、管材规格、材料性能等因素的影响不大[2].
4.结论
综上所述,聚乙烯燃气管道在铺设期间,应关注其设计的规范性,从管道周边设计情况为切入点,针对焊接区域,采取精准设计方案,减少熔区长度对管道应力产生影响,保障管道在运行期间,具有较为均匀的受力,提升燃气管道运行的安全性.
参考文献
[1] 胡安琪,聂新宇,姚登樽.聚乙烯燃气管道电熔接头熔区应力分析[J].压力容器,2019,36（05）：21-28+20.
[2] 梁玉梅,谢宝坤,王彦启.聚乙烯管道电熔焊接接头承插不到位的检测分析[J].无损探伤,2018,42（04）：27-29.
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聚乙烯和应力引用文献:
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