上海亞大塑料制品有限公司 劉旭東

?

燃氣用埋地聚乙烯管道變形分析及對電熔鞍型焊接影響

上海亞大塑料制品有限公司 劉旭東

燃氣用埋地聚乙烯管道在實際運行環(huán)境中會發(fā)生變形，這種變形會對管道的電熔鞍型修補、開支路等操作產(chǎn)生極大的影響，甚至引起焊接失敗。針對聚乙烯管道的變形進行分析，從而提出降低變形影響和避免電熔鞍型焊接失敗的措施。

聚乙烯管道 變形 鞍型焊接

0 前言

作為典型的柔性管道，聚乙烯管道機械強度遠遠小于金屬管道，受外力易發(fā)生變形，由于這種變形對于管道運行不造成影響，往往被忽視。但在管道維護搶修中，使用電熔鞍型管件進行帶氣修補、開支路操作時，管道變形影響則暴露出來。筆者也多次遇到鞍型焊接正常規(guī)程操作，卻焊接失敗的情況，甚至讓使用者對鞍型焊接的安全性產(chǎn)生質(zhì)疑。究其原因，往往忽視了管道運行中發(fā)生變形對焊接的影響。

1 管道變形分析

埋地運行時，引起聚乙烯管道變形的因素主要有三方面：

(1)土壤壓力。

(2)地面交通載荷。

(3)管內(nèi)氣壓。

1.1 受土壤壓力引起的變形

聚乙烯燃氣管道按照工程技術(shù)規(guī)定可以埋設(shè)在車行道下、人行道、水田下，埋設(shè)深度通常大于0.5 m。土壤在管道上方形成土壤柱，作用在管道上，給管道施加了一個豎直方向的作用力。在管道不發(fā)生局部屈曲現(xiàn)象的前提下，管道直徑豎直方向?qū)⑹芰υ斐晒軓阶冃?，水平方向直徑則相對增大。當(dāng)管道受力力值和變形量過大時，則會引起管道失效，受力情況如下圖1。

圖1 埋地管道受力變形情況

1.2 受交通載荷引起的變形

當(dāng)管道埋設(shè)在交通道路下，道路上車輛或重型設(shè)備引起動載荷，《聚乙烯燃氣管道工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ 63—2008)規(guī)定埋設(shè)深度不小于0.9 m，通常管路埋設(shè)深度超過3 m時，將不會受到動載荷的明顯影響，但實際施工往往無法達到，所以車輛載荷是引起管道變形的主要因素。

據(jù)華南理工大學(xué)李明陽等應(yīng)用ANSYS軟件對交通載荷作用下埋地聚乙烯燃氣管道進行的有限元分析，DN400 SDR17.6的HDPE管道，在軟土地基、覆土厚度1 m、管道內(nèi)壓0.25 MPa、車輛動載荷0.015 MPa情況下，結(jié)果顯示，管道直徑變形量從-0.512 mm增加至-0.054mm，水平方向直徑變形量從2.321 mm增加至3.39 mm，且變化趨勢逐漸平緩，見圖2。

圖2 交通載荷下管道變形變化

1.3 管道內(nèi)壓對變形影響

運行過程中，聚乙烯燃氣管道內(nèi)氣壓通常為0.7MPa，在管道內(nèi)沿環(huán)向出現(xiàn)拉伸應(yīng)力，使得管道發(fā)生變形，引起外徑增加，并隨著時間推移，變形量逐漸增加，下圖3即對DN160 SDR17.6管道進行的測試，管道在1 MPa下，經(jīng)過88 h的外徑變化。外徑在內(nèi)壓作用下，外徑增大，經(jīng)過一定時間后，增加量逐漸趨緩。管道運行壓力相對較小，遠遠低于管道屈服應(yīng)力，所以其變形隨時間、溫度的變化，既遵守胡克定律，同時受聚乙烯材料粘彈性影響，產(chǎn)生蠕變和應(yīng)力松弛的影響，形成變形。

圖3 DN160管道外徑受內(nèi)壓影響的變形

1.4 土壤對管道的支撐作用

聚乙烯(PE)管道上方土壤在給管道施加壓力的同時，管道周圍的土壤也可為管道提供支撐和保護，主要來自側(cè)面土壤支撐及管土共同作用，并受埋深影響?；靥钔僚c管道水平中心線以上的上半圓形成拱形結(jié)構(gòu)，將上部載荷分散到兩側(cè)的土壤，即管土共同作用。管土共同作用對柔性管道，尤其是非承壓管道防止管道變形起著決定性作用。

土壤的有效支撐，管道回填時的密實度，尤其是管道水平線以下的管腋區(qū)尤為重要。根據(jù)中國城市燃氣協(xié)會所編著《城鎮(zhèn)燃氣聚乙烯(PE)輸配系統(tǒng)》一書中的數(shù)據(jù)，當(dāng)密實度由0.85提高到0.9，可使豎向變形減少52%；若提高到0.95，則可減少62%；若回填細砂且密實度不足0.85，則相似于沒有回填土，管道會發(fā)生嚴(yán)重的豎向變形。

1.5 變形量的計算

在考慮外界因素對管道變形影響的同時，管道自身的性能也是決定性的因素，如管道外徑、環(huán)剛度等。變形量的計算方法，在CJJ 63—2008中并未給出，借鑒《埋地塑料給水管道工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ 101—2016)的公式進行計算，即公式(1)所示：

式中：d,max——管道在土壓力和地面載荷作用下產(chǎn)生的最大長期豎向變形，m；

L——變形滯后效應(yīng)系數(shù)，可取1.2~1.5；

q——管頂單位面積豎向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；

ψ——地面作用傳遞至管頂壓力準(zhǔn)永久值系數(shù)；

vk——地面作用傳遞至管頂壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；

1——管材的外徑，m；

Kd——豎向壓力作用下的管道的堅向變形系數(shù)；

?——管材彈性模量的長期性能調(diào)整系數(shù)；

SN——管道的剛度級別；

d——管側(cè)土的綜合變形，MPa。

2 管道變形對電熔鞍型焊接的影響

聚乙烯管道作為典型柔性管道，其變形量最大可以達到外徑的20%，變形可以使得管道周圍形成穩(wěn)定的壓力分布，可以有效分解外界載荷對管道的破壞作用，但對管道流量影響可以忽略，并且通過施工設(shè)計，可以大大降低變形，對于給水管道輸送，最大允許豎向變形d,max為不超過管道計算外徑0(管道外徑減壁厚)的5%，即：d,max≤0.050。以DN315 SDR11口徑管道為例，其最大豎向變形量允許值約為14 mm，通過實際施工獲得的數(shù)據(jù)，變形量達到2~12 mm左右。變形后，管道豎向直徑減小和水平方向直徑增加，會使得鞍型管件與管道配合間隙增大，無法與管道完全貼合，如圖4鞍型管件安裝示意圖。

圖4 鞍型管件安裝示意

電熔鞍型焊接與電熔承插不同，其焊接區(qū)域為半開放形式，焊接中壓力保持相對困難，且焊接區(qū)域也相對較小。當(dāng)變形導(dǎo)致的鞍型管件與管道配合間隙達到一定量時，會導(dǎo)致焊接有效區(qū)域減少，從而降低管件焊接強度，引起焊接失敗，甚至需要進行停氣和搶修升級。

針對管道的豎向變形，在鞍型管件焊接操作時，可以通過制定細致的操作程序，降低變形影響，結(jié)合國外焊接經(jīng)驗，提出以下建議：

(1)焊接DN250 SDR11規(guī)格以上管道鞍型焊接不建議使用鞍型底托形式管件，應(yīng)使用專用固定夾具進行固定。

(2)在安裝鞍型管件前，使用橢圓規(guī)(如圖4)進行安裝位置的橢圓度測量，豎向變形間隙超過5 mm以上時，建議使用復(fù)原工具(如圖5)進行復(fù)原或者更換安裝位置；

圖4 橢圓規(guī)

圖5 復(fù)原工具

(3)鞍型管件固定到管材上后，使用間隙尺對鞍型主體與管材間隙進行測量，焊接間隙約0.3 mm，無間隙尺可以使用軟磁卡代替?？上葘⒋趴ú迦氚靶椭黧w與管道間，插入深度應(yīng)保證磁卡不與焊接區(qū)域接觸，緩慢擰緊直到磁卡被夾緊，然后緩慢的緊固螺絲直到磁卡剛好可以取出為宜。

3 結(jié)語

聚乙烯管道運行中，受土壤、交通載荷、內(nèi)壓影響，發(fā)生變形往往是無法完全避免的，并且這種變形對于軟土地基、停氣負壓等情況時，更加嚴(yán)重，對管道維護搶修造成一定困難。針對于管道變形的影響，在使用鞍型電熔管件進行帶氣搶修、開支路操作時，必須有嚴(yán)格、細致的操作程序，規(guī)范操作步驟，以可提高焊接的成功率，充分發(fā)揮電熔鞍型焊接快捷、方便、經(jīng)濟的特點，同時，降低搶修維護帶來的社會影響。

Analysis of PE Pipe Deformation on Electrofusion Saddle Welding

Shanghai Chinaust Plastic Co., Ltd. Liu Xudong

The buried polyethylene pipe for gas will deform in the actual operation environment. This deformation will cause welding failure for the electric pipeline saddle repair and branch operation. In this paper, the deformation of PE pipe is analyzed, and the measures to reduce the influence of the deformation are put forward.

polyethylene (PE) pipe, deformation, saddle welding