U型内衬燃气修复管的应力分析

吴智超

(北京优奈特燃气工程技术有限公司，北京 100023)

1 结构模型

U型内衬管对焊接头低碳钢管应用以来，经过国内多年研究、试验和推广应用。在这些管道缝隙处，局部失去钢管支撑的聚乙烯内衬管需独自承受管道内压，使得应力与变形在此集中。实际穿插结构是在外径为529 mm，壁厚为7 mm的螺旋焊接钢管内穿插壁厚为8 mm和10 mm的PE80内衬管，管道工作内压p为0.6～1.0MPa。在实际分段穿插施工中，钢管道上会留下某些缝隙,其结构受力内衬管的外表面与钢管的内表面为摩擦接触。聚乙烯管材是专供燃气管道使用的管材，也用作穿插修复旧燃气管道的聚乙烯内衬管。本文用有限元方法分析了某穿插管道结构中的内衬管在钢管道缝隙处的结构行为。

2 U型内衬燃气修复管的应力分析

2.1 有限元模型

首先对壁厚体抗弯变形与承载能力进行了实验，设置管两端简支，冻结管弹性模量2.12×105,泊松比为0.3，屈服极限为350M Pa，焊缝弹性模量1.8×105,泊松比为0.25，屈服极限为450M Pa；应力应变关系采用理想弹塑性模型，采用循环语句在焊缝上逐级施加集中荷载直至屈服。实验采用集中加载，集中荷载作用于跨中；每个试件安设3个电阻式位移传感器；低温条件用液氮气化获得，为了控制温度，在管材中间的腰线部位设有两个热电偶传感器，监控试件温度。假定内衬管厚度与母体管材相等，每次试验的加载方式和焊缝弹性模量取值一致，考虑到穿插内衬在钢管缝隙处径向变形的轴对称性，用有限元程序中的点轴对称平面实体单元划分网格，用轴对称的平面接触单元考虑内衬与钢管之间的界面摩擦和相对移动。内衬管增加了纤维增强层，所以具有很好的力学性能，同时为了不损伤纤维内衬管的最大变形有严格的要求。利用平行的两块板把模型挤压同时去除两块平行的挤压板，最后对内衬管施加内压，把塑料胶带撑破，恢复到初始形状。

2.2 内衬管静水压力恢复展开过程

通过胶带把复合材料内衬管控制为小截面管后，通过拖拉装置把复合材料内衬管拖进燃气管道，拖到位置后需要对管施加内压把胶带撑破，并且使内衬管恢复到原来的尺寸与给水管道紧密贴合，从而达到修复管道的目的。为了计算内衬管在内压的作用下使胶带断裂需要把模型从隐性求解器转到显性求解器求解，当胶带全部断裂后再把模型转到隐性求解器求解，最终使内衬管达到应力平衡，内衬管在施加内压条件下恢复展开过程，其中给出了轴向应力分布当中心三个胶带破坏后，有一个应力释放的过程，然后应力继续增加，五个胶带全部破坏。然后把模型转到隐性求解器继续进行计算管横截面最终恢复为圆管，因为管恢复产生大的变形应力得到了有效释放，因此应力有下降的趋势，最终内衬管的应力用于平衡所施加的内压力。内衬管折叠后，需要对折叠后的内衬管隔0.5 m绑一个胶带用于保持该折叠变形，为了精确求解结构在折叠后的应力及变形该过程采用有限元隐性求解器求解.在计算过程中需要建立胶带与折叠管的接触，同时去除两个垂直板，经过把显性求解结果传递到隐性求解器进行计算后，应力达到平衡。需要注意的是在模拟过程中没有考虑增强层纤维重取向的影响，由于较大的变形可以导致增强层纤维束重取向，并且能够降低增强层的应力水平，该折叠的计算过程是利用有限元显性求解器进行求解的。

2.3在管道内压作用下,局部失去刚性支撑的内衬管在钢管缝隙处沿管道径向出现明显的膨胀变形,且径向位移主要集中在钢管缝隙之间的内衬管上。同时内衬管外表面危险点处也受到高拉伸应力的作用。由米赛斯等效应力分布可见,该危险点处的达到可知该点已进入屈服阶段。由此可知,管道内压作用在这种穿插结构上所产生的应力主要还是由钢管承担。综合钢管的缝隙尺寸、管道内压和穿插内衬管壁厚对穿插结构危险点处的径向位移、米赛斯等效应力和第一主应力均有显著影响,因此在穿插施工前需要就此进行详细的定量设计。在经过计算选用相对较薄的穿插内衬管不仅可节约建设成本,还能增大管内流通面积,提高管道更新后的运行效率内衬管,当钢管的缝隙尺寸增大至60 mm时,该穿插结构的危险点在1 MPa内压的作用下已经进入屈服阶段,在这种情况下该结构已不安全。

薄壁聚乙烯内衬管跨越管道缝隙的能力是用穿插内衬管方法修复旧燃气管道需要确定的设计问题之一。反映的是该穿插内衬管结构的短期性能。对于这种粘弹性材料,特别是工作温度较高时,为保证长期 (50 a)使用安全,还需要针对具体结构对其长期蠕变性能进行细致的评价。充分分析了折叠过程、绑胶带过程、撑破胶带过程以及恢复过程.通过分析发现带有纤维增强的内衬管在折叠过程中容易对纤维增强层造成损伤，可能会影响复合材料内衬管的使用寿命，因此复合材料内衬管采折叠变形不可取，需要探索采用其他形状的折叠变形。