CN103712024B - 一种节材的新型电熔直通套筒 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及塑料管道焊接技术，旨在提供一种节材的新型电熔直通套筒。该种节材的新型电熔直通套筒包括用于连接管材的套筒主体，套筒主体的中部位置鼓起，鼓起部分占总套筒长度的1/3，鼓起部分处为套筒主体的最大壁厚，套筒主体上的两个端口处为套筒主体的最小壁厚，套筒主体上分别距两个端口1/3套筒长度处设为起点位置，套筒主体从起点位置的最大壁厚过渡至端口的最小壁厚。本发明根据电熔直通套筒不同区域应力分布的不同，采用变化的壁厚设计，使得已有材料的强度得到了充分的发挥，提高了材料利用率，进而能够降低电熔套筒的生产成本。
Description
技术领域
本发明是关于塑料管道焊接技术，特别涉及一种节材的新型电熔直通套筒。
背景技术
随着我国能源结构和政策的调整以及“西气东输”二期工程、三期工程的实施，我国的管道行业得到了巨大的发展。由于具有优良的力学性能，塑料管及其复合管道在国民经济的各个领域中得到了广泛的应用，这其中包括聚乙烯管、聚丙烯管、聚氯乙烯管、铝塑复合管以及刚塑复合管等。
电熔焊接是塑料管及其复合管道的主要连接方式之一。据调查，电熔接头失效占据了聚乙烯管失效比例的一半以上。因此，电熔接头引起了人们足够的重视。由于电熔套筒至今没有明确规范的设计方法，技术人员对电熔接头服役过程中的受力情况及其影响规律尚不明确，因而设计出的电熔套筒往往较其强度所要求的厚度要厚，这是出于避免电熔接头失效而考虑的，但这种设计会造成材料的浪费，在塑料原材料日趋昂贵的今天，这是很不经济的，会降低企业的市场竞争力。事实情况是，电熔接头在服役过程中不同区域处的应力并不相等，由于绝大多数企业均采用等壁厚的设计方法，使得相当一部分材料并没有真正用于承载。此外，由于电熔套筒壁厚大，使得电熔套筒往往比管材具有更充裕的强度，对于整个管道系统而言，相当于在电熔接头处产生了强度浪费。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种既能满足强度要求，又能减少制造原材料的电熔直通套筒。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种节材的新型电熔直通套筒，包括套筒主体，用于连接管材，套筒主体的中部位置鼓起，鼓起部分占总套筒长度的1/3，鼓起部分处为套筒主体的最大壁厚，最大壁厚满足：套筒主体与管材的MRS分级相同时，最大壁厚值为管材厚度的1～1.2倍；套筒主体与管材的MRS分级不同时，最大壁厚值为管材厚度与修正系数的乘积，所述修正系数为管材的MRS分级数与套筒主体的MRS分级数的比值；其中，MRS值是指在20℃和50年内压长期作用下，管道环向抗拉强度的最低保证值，MRS值的10倍定义为材料的MRS分级数；
套筒主体上的两个端口处为套筒主体的最小壁厚，最小壁厚的确定方法为：当管材的厚度小于5mm时，最小壁厚与管材厚度相等；当管材厚度大于5mm时，最小壁厚取5mm与1/2管材厚度两者中的较大值；套筒主体上分别距两个端口1/3套筒长度处设为起点位置，套筒主体从起点位置的最大壁厚过渡至端口的最小壁厚。
作为进一步的改进，套筒主体的轴向横截面中，两个起点位置分别至两个端口的外表面轮廓是直线、曲线或者直线加曲线。
作为进一步的改进，所述套筒主体的轴向横截面壁厚相同。
作为进一步的改进，所述套筒主体的鼓起部分壁厚相同。
作为进一步的改进，所述节材的新型电熔直通套筒是塑料或者复合塑料材质的电熔直通套筒。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
根据电熔直通套筒不同区域应力分布的不同，采用变化的壁厚设计，使得已有材料的强度得到了充分的发挥，提高了材料利用率，进而能够降低电熔套筒的生产成本。
附图说明
图1为常用电熔接头的几何模型结构示意图。
图2为常用套筒以及管材最大环向应力分布示意图。
图3为本发明实施例中的优化后的套筒几何模型示意图。
图4为本发明实施例中的优化后的套筒、常用套筒以及管材最大环向应力分布示意图。
图中的附图标记为：0坐标原点；1套筒主体；2管材；3外冷焊区；4内冷焊区；5融合区；I轴向1/2套筒第I部分；II轴向1/2套筒第II部分。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
一种节材的新型电熔直通套筒，包括塑料或者复合塑料材质的电熔直通套筒，用于连接管材2，在满足强度要求的前提下，该电熔直通套筒在服役期间根据不同区域处的应力分布规律采用不同壁厚设计，较常用的电熔套筒具有材料利用率高的优点，能够降低产品成本，从而提升企业的市场竞争力。
该种节材的新型电熔直通套筒包括套筒主体1，套筒主体1的中部位置鼓起，承担部分内压载荷，鼓起部分占总套筒长度的1/3，鼓起部分处为套筒主体1的最大壁厚，且鼓起部分的壁厚相同。最大壁厚满足：套筒主体1与管材2的MRS分级相同时，最大壁厚值为相应管材2厚度的1～1.2倍之间；套筒主体1与管材2的MRS分级不同时，需在与管材2分级相同时得到的最大壁厚基础上进行一个系数修正，该修正系数为管材2的MRS分级数与套筒主体1的MRS分级数之比。套筒主体1上的两个端口处为套筒主体1的最小壁厚，当相应管材2的厚度小于5mm时，最小壁厚与管材2厚度相等；当相应管材2的厚度大于5mm时，最小壁厚取5mm与1/2相应管材2厚度两者中的较大值。应力分析结果表明该种套筒仍可满足强度要求。然而，常用电熔套筒的壁厚一般为管材2壁厚的1.2倍以上，且采用均一厚度，因此，本发明所提出的技术方案在不削弱管道系统强度的同时，比常用的厚壁套筒更为节省材料。其中，MRS值是指在20℃和50年内压长期作用下，管道环向抗拉强度的最低保证值，MRS值的10倍定义为材料的分级数。
套筒主体1上分别距两个端口1/3套筒长度处设为起点位置，套筒主体1从起点位置的最大壁厚过渡至端口的最小壁厚，且以各种不同形式的轴向横截面外表面轮廓进行过渡，从而根据各区域应力分布的不同采用不同的壁厚，使其在轴向方向具有变化的壁厚。套筒主体1的轴向横截面中，两个起点位置分别至两个端口的外表面轮廓是直线、曲线或者直线加曲线，譬如斜直线、过渡圆弧加斜线、过渡圆弧加直线等，而其中过渡圆弧可以是一段也可以是两段，或者是其他形式的曲线。
下面的实施例可以使本专业的专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施案例：
目前常用的一种PE100-DN90电熔直通套筒产品尺寸如下：管材2插入套筒主体1的长度为70mm，其中，内冷焊区4长度12mm，融合区5长度36mm，外冷焊区3长度22mm，壁厚11.3mm。对应于PE100-SDR11-DN90用于天然气输送的管材2：壁厚8.2mm，管材2插入套筒主体1部分的端面距套筒轴向对称面2mm。取该管道包含电熔套筒的一段进行应力分析，其几何结构示意图如图1所示。
根据我国CJJ63-2008“聚乙烯燃气管道工程技术规范”规定，对于PE100-SDR11-DN90的管道，其最大允许工作压力为0.7MPa。因此，在管材2及套筒主体1与介质接触的内壁面施加0.7MPa的工作压力。对于出厂检验合格的聚乙烯管材，在此工作压力下，其一定满足强度设计要求。同样合格的电熔套筒，若其最大环向应力小于管材2的最大环向应力，则套筒的强度也是满足要求的。
图2所示为常用电熔套筒-管材结构的应力分析结果，其中横坐标0点为套筒轴向对称面处，见图1，由于该结构的轴向对称性，只给出了对称面右侧的计算结果。由图2中的计算结果可得到套筒主体1的平均环向应力为1.29MPa，总体应力水平偏低，且最大环向应力为2.18MPa；而管材2的最大环向应力为3.60MPa，且在电熔接头区域外基本保持不变。对于塑料管道系统而言，以上结果数据表明这两者应力水平相差较大，此时电熔套筒的强度裕量较管材2而言过于充裕。从结构上分析，管材2插入套筒主体1部分由于两部分壁厚的叠加，其本身就产生一个加强作用，再采用较厚的电熔套筒，从强度的角度来讲，这是没有必要的，造成了材料的浪费。另外，由图2可知，第I部分套筒所在区域应力水平较第II部分套筒所在区域要高，所以不需采用均一壁厚，而可以根据不同区域应力水平的差异选用不同的壁厚，充分发挥壁厚方向材料的承载能力。
根据本发明提出的技术方案，对上述常用套筒进行结构优化。
优化后套筒的环向1/2几何模型如图3所示，其中套筒的最大壁厚为1.2×8.2≈9.9mm，中部突起部分为套筒长度的1/3，从距端口1/3套筒长度处壁厚开始减薄，至端口的最小厚度处；对应于PE100-SDR11-DN90的管材2，1/2×8.2=4.1mm＜5mm，故最小壁厚取为5mm。
图4所示为优化后套筒-管材结构的应力分析结果，同时将常用套筒的分析结果列出。由图4可知，对于应力水平较高的第I部分套筒所在区域，优化前后相差不大，但对于低应力水平的第II部分套筒所在区域，优化后套筒的应力水平较常用套筒有一个提升。优化后套筒主体1的平均环向应力为1.48MPa，比常用套筒的1.29MPa提升了15%，充分发挥了壁厚方向材料的承载能力；其最大环向应力为2.43MPa，小于管材2的最大环向应力3.60MPa，满足强度要求。经计算，优化后套筒的质量约为常用套筒质量的70%，节省了30%的原材料，提高了材料的利用率。
常用套筒与优化后套筒的计算结果统计见表1。从表1中可以明确地发现优化后的套筒较常用套筒的应力水平有了一定的提升，但小于相应管材2的最大环向应力，因此其强度仍在安全范围之内，可其质量则为常用套筒的72%，已有的材料得到了充分地利用。
表1优化前后电熔接头应力分布与用料情况
以上针对某一具体产品而给出的优化的电熔套筒是基于本发明提出的节材电熔直通套筒的一个具体实施案例。显然，本发明的实施方式说明只是本发明实施过程的一个具体描述，本发明所述方法并不限于等径直通的电熔套筒，不同直径电熔套筒也可以根据本发明方法提出相应的优化结构。因此，采用本发明对不同直径电熔套筒进行结构优化，旨在减少电熔套筒制造原材料的设计，也属于本发明的保护范围。
本发明提出了一种节材的新型电熔直通套筒，意在减少电熔套筒制造原材料。除实施案例中的聚乙烯电熔直通套筒外，也可对其他各种材料的电熔直通套筒，如聚丙烯、聚氯乙烯以及塑料复合管的电熔直通套筒等，进行应力分析后，优化得到节材的新型电熔直通套筒。
本发明中的实施案例以燃气用PE塑料管道系统为例，燃气用塑料复合管道以及输水用塑料及其复合管道系统中采用的类似的基于本发明所提出的电熔直通套筒也应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种节材的新型电熔直通套筒，包括套筒主体，用于连接管材，其特征在于，套筒主体的中部位置鼓起，鼓起部分占总套筒长度的1/3，鼓起部分处为套筒主体的最大壁厚，最大壁厚满足：套筒主体与管材的MRS分级相同时，最大壁厚值为管材厚度的1～1.2倍；套筒主体与管材的MRS分级不同时，最大壁厚值为管材厚度与修正系数的乘积，所述修正系数为管材的MRS分级数与套筒主体的MRS分级数的比值；其中，MRS值是指在20℃和50年内压长期作用下，管道环向抗拉强度的最低保证值，MRS值的10倍定义为材料的MRS分级数，其中，管道环向抗拉强度的单位为MPa；
套筒主体上的两个端口处为套筒主体的最小壁厚，最小壁厚的确定方法为：当管材的厚度小于5mm时，最小壁厚与管材厚度相等；当管材厚度大于5mm时，最小壁厚取5mm与1/2管材厚度两者中的较大值；套筒主体上分别距两个端口1/3套筒长度处设为起点位置，套筒主体从起点位置的最大壁厚过渡至端口的最小壁厚。
2.根据权利要求1所述的一种节材的新型电熔直通套筒，其特征在于，套筒主体的轴向横截面中，两个起点位置分别至两个端口的外表面轮廓是直线、曲线或者直线加曲线。
3.根据权利要求1所述的一种节材的新型电熔直通套筒，其特征在于，所述套筒主体的轴向横截面壁厚相同。
4.根据权利要求1所述的一种节材的新型电熔直通套筒，其特征在于，所述套筒主体的鼓起部分壁厚相同。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种节材的新型电熔直通套筒，其特征在于，所述节材的新型电熔直通套筒是塑料或者复合塑料材质的电熔直通套筒。
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