聚乙烯燃气管道电熔接头熔区应力研究

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=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=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=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=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=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.