CN109827019B - 一种考虑电阻丝布线区域长度的聚乙烯电熔管件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及聚乙烯管电熔管件，旨在提供一种考虑电阻丝布线区域长度的聚乙烯电熔管件。该聚乙烯电熔管件包括圆筒状管体，在管体内壁上嵌入电阻丝，并以接线柱连接电阻丝两端；以电阻丝呈连续螺旋状布线的区域为电熔焊接过程中的加热区，未设电阻丝或电阻丝仅起连通作用的部分为非加热区；以加热区沿管体轴线方向的尺寸作为电阻丝布线区域长度。本发明考虑电熔管件与管材焊接界面上应力分布不均匀的现象，以焊接界面实际最大Mises应力为约束条件设计电阻丝布线区域长度，根据实际工况计算不同管道工作压力下满足强度要求的电熔管件最小电阻丝布线区域长度。能够降低电熔管件长度，节约电熔管件的制造成本，并有效保证电熔接头的强度。

Description

一种考虑电阻丝布线区域长度的聚乙烯电熔管件

技术领域

本发明涉及聚乙烯管电熔管件的设计，具体涉及一种考虑电阻丝布线区域长度的聚乙烯电熔管件。

背景技术

聚乙烯管道与传统金属管道相比具有耐腐蚀、寿命长、绝缘性好、便于运输等显著优点，广泛应用于城市管网。管道系统作为现代城镇的重要基础设施，多分布于人口密集区域，管道系统的安全问题至关重要。

管道装配现场连接过程易受外界环境影响，接头质量难以保证，因此焊接接头成为管道系统最薄弱的环节。电熔焊接是聚乙烯管道常用的连接方式，其操作简单、密封性好、可连接不同材质的管材、自动化程度较高等优点，广泛应用于各种场合。

研究表明，聚乙烯燃气管道失效事故中有一半以上是由于电熔接头的失效。含缺陷电熔接头主要有三种失效模式：焊接界面失效；电熔管件贯穿裂纹失效；电阻丝界面失效(参见：施建峰,聚乙烯管道电熔接头冷焊形成机理及其检测与评定方法,2011,浙江大学博士学位论文)。其中焊接界面失效是接头在内压与轴向力作用下，界面处切应力使得管件有被剥离管材表面的趋势。焊接界面上应力分布的一个重要影响因素是管件熔区长度，因此熔区长度的合理设置是电熔接头安全性的关键。熔区长度长，焊接界面切应力小，但是电熔管件制造成本提高；熔区长度短，成本降低，但焊接界面切应力增加，接头容易发生强度失效。合理的熔区长度是电熔管件强度裕量和经济成本的均衡点。

电熔接头在服役过程中主要承受管道内压和由内压产生的轴向力。内压使焊接界面压紧，轴向力在焊接界面处产生剪切作用，切应力过大时会使界面处发生失效。通常认为轴向力是熔区长度设计主要考虑的载荷，因此基于轴向力的熔区应力分析往往只考虑平均切应力。

实际上，接头处轴向力不对中，界面处存在弯矩，而且管件与管材壁厚和管径不同，导致切应力在界面处分布不均匀，熔区边缘处产生应力集中，界面切应力在内压影响下不均匀程度加剧。因此，内压与轴向力共同作用时，应力集中处成为电熔接头最危险的区域。熔区长度越长，焊接界面应力分布不均匀程度越大；熔区长度越短，焊接界面应力分布不均匀程度越小(参见：胡安琪,增强塑料复合管电熔接头区长度优化设计,2018,浙江大学学位论文)。但是，到底多长的熔区长度能够满足电熔接头在服役过程中承担轴向力的要求，目前电熔管件行业尚无有效的分析设计方法。

聚乙烯管电熔接头熔区长度值与电熔管件内表面电阻丝布线区域长度近似相等，现行的燃气用聚乙烯管件标准GB 15558.2-2005和给水用聚乙烯管件标准GB/T13663.2-2018列出了不同公称直径电熔管件内表面电阻丝布线区域长度最小值，主要考虑焊接界面平均切应力。由于没有相关理论指导可供参考，实际产品中电阻丝布线区域长度远大于标准指导值，使得电熔管件长且制造成本高。目前国内外均尚无聚乙烯管道电熔接头应力分布和管件电阻丝布线区域长度设计的相关研究，更没有相应的理论指导设计方法。

本发明针对聚乙烯管电熔接头界面应力分布不均匀的现象，发明了根据应力分布规律和工况条件确定电阻丝布线区域长度的聚乙烯电熔管件。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种考虑电阻丝布线区域长度的聚乙烯电熔管件。

为解决技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种考虑电阻丝布线区域长度的聚乙烯电熔管件，包括圆筒状管体，在管体内壁上嵌入电阻丝；在管体两端的外表面各设一个接线柱，分别连接至电阻丝两端；以电阻丝呈连续螺旋状布线的区域为电熔焊接过程中的加热区，未设电阻丝或电阻丝仅起连通作用的部分为非加热区；以加热区沿管体轴线方向的尺寸作为电阻丝布线区域长度l，其数值由以下步骤获得：

(1)根据下式计算套接于电熔管件内管材的最大工作压力MOP，单位MPa：

其中，MRS为管材的最小要求强度，根据GB/T 18075-2001得到；C为设计系数，按照设计标准取值；SDR为标准尺寸比，即管材外径与壁厚之比，通过管材型号获得；

(2)根据下式计算焊接后电熔接头受到的轴向力F，单位N：

其中，D_i为管材内径，单位mm，通过管材型号获得；

(3)根据下式计算焊接界面上的平均切应力τ_m，单位MPa：

其中，D_o为管材外径，单位mm，通过管材型号获得；l为电阻丝布线区域长度，单位mm；

(4)根据下式计算焊接界面上的最大Mises应力(σ_Mises)_max，单位MPa：

(σ_Mises)_max＝M_k×τ_m (4)

其中，M_k为端部应力集中系数，即电熔管件与管材焊接界面上的Mises应力最大值(σ_Mises)_max与平均切应力τ_m之比；

端部应力集中系数M_k表示电熔接头实际最大Mises应力的相对大小，用以定量表征焊接界面应力分布的不均匀程度；电阻丝布线区域长度l越长，焊接界面应力分布不均匀程度越大，M_k越大；电阻丝布线区域长度l越短，焊接界面应力分布不均匀程度越小，M_k越小。电熔接头处管材与管件上轴向力作用线不重合，焊接界面上存在弯矩，使焊接界面上应力分布不均匀；管材与管件的管径不同、壁厚不同，管材与管件在接头处的应力状态不同，使焊接界面上应力分布不均匀程度加剧。电熔接头在轴向力与内压与轴向力共同作用下，焊接界面与内冷焊区交界处为应力集中区域。

(5)根据下式计算电熔接头的许用应力[σ]，单位MPa：

其中，C为设计系数，按照等强度设计，电熔接头设计系数与管材的设计系数相等，减少材料浪费并且保证接头强度，按照步骤(1)中的取值；C_σ为管材环向应力与管材内壁Mises应力之间的转换系数，表示管材内壁处Mises应力与环向应力之比。

C_σ的示例取值方式如表1所示。

表1

(6)根据下式计算电熔接头在强度要求下的极限载荷状态为：

(σ_Mises)_max＝[σ] (6)

即：

τ_m·M_k＝[σ] (7)

将公式(7)化简为一个一元分式方程，求解得到满足电熔接头强度要求的最小电阻丝布线区域长度l的数值。

本发明中，PE80材料的管材MRS＝8.0MPa，PE100材料的管材MRS＝10.0MPa；燃气用聚乙烯管的设计系数根据GB15558.1-2005取C≥2，或者根据2019年3月1日开始实施的CJJ63-2018《聚乙烯燃气管道工程技术标准》中的建议取值为C＝2.5；给水用聚乙烯管的设计系数根据GB/T13663.2-2018取C≥1.25，具体可根据用户要求在标准许可范围内取值。

本发明中，端部应力集中系数M_k与电阻丝布线区域长度l之间呈近似线性关系：M_k＝al+b，其中a＝0.13±0.05，单位mm^-1；b＝2.8±1.0，无量纲；l的单位为mm，M_k为无量纲数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、与现有标准对电阻丝布线区域长度的建议值相比，本发明考虑电熔管件与管材焊接界面上应力分布不均匀的现象，以焊接界面实际最大Mises应力为约束条件设计电阻丝布线区域长度，可以根据实际工况的不同计算不同管道工作压力下满足强度要求的电熔管件最小电阻丝布线区域长度。

2、本发明中电熔管件电阻丝布线区域长度小于目前企业生产的电熔管件的电阻丝布线区域长度，能够降低电熔管件长度，节约电熔管件的制造成本；本发明中考虑电熔管件与管材焊接界面上的实际最大应力，能够有效保证电熔接头的强度。

附图说明

图1为一种电熔管件的结构示意图；

图2为聚乙烯管电熔接头结构示意图；

图3为聚乙烯管电熔接头局部结构示意图；

图4为端部应力集中系数M_k与电阻丝布线区域长度l的关系拟合直线图。

附图标记：1管体、2电阻丝、3接线柱、4管材、5熔区、6内冷焊区、7外冷焊区。

具体实施方式

本发明提供一种考虑电阻丝布线区域长度的聚乙烯电熔管件，用于聚乙烯管道的电熔焊接。

如图1所示，聚乙烯电熔管件包括圆筒状管体1，在管体1内壁上嵌入电阻丝2；在管体1两端的外表面各设一个接线柱3，分别连接至电阻丝2两端；以电阻丝2呈连续螺旋状布线的区域为电熔焊接过程中的加热区，未设电阻丝或电阻丝仅起连通作用的部分为非加热区；以加热区沿管体轴线方向的尺寸作为电阻丝布线区域长度l；

如图2所示，电熔管件使用时与两段管材4焊接在一起，管件管体1与管材4界面处熔合部分为熔区5(对应前面所述的加热区)。管体1与管材4相交处，熔区5两侧未熔合部分称为冷焊区(对应前面所述非加热区)，焊接过程中可限制熔融聚乙烯流动范围，保持熔融部分聚乙烯的压力；其中靠近管件1中心处为内冷焊区6，靠近管件1边缘处为外冷焊区7。

如图3所示，L₁为管材4的插入长度，L₂为管件管体1口部与熔区5开始处之间的距离，即外冷焊区7，取值参考GB 15558.2-2005和GB/T 13663.3-2018；l为电阻丝布线区域长度。

电阻丝布线区域长度l可以通过下述方式获得：

(1)计算管材4最大工作压力MOP，单位MPa：

其中，MRS为管材4的最小要求强度，单位为MPa，根据GB/T 18475-2001得到，例如：PE80材料的管材MRS＝8.0MPa，PE100材料的管材MRS＝10.0MPa；C为设计系数，根据GB15558.1-2005，燃气用聚乙烯管的设计系数取C＝2，根据GB/T13663.2-2018，给水用聚乙烯管的设计系数取C＝1.25；SDR为标准尺寸比，为管材外径与壁厚之比，通过管材型号获得。

(2)计算电熔管件与管材4焊接形成的电熔接头受到的轴向力F，单位N：

其中，D_i为管材4内径，单位为mm，通过管材4的型号获得。

(3)表示出电熔接头焊接界面上的平均切应力τ_m，单位MPa：

其中，D_o为管材4外径，单位为mm，通过管材4型号获得；l为电阻丝布线区域长度，单位为mm，具体值未知。

(4)表示出电熔接头焊接界面上的最大Mises应力(σ_Mises)_max，单位MPa：

(σ_Mises)_max＝M_k×τ_m (4)

其中，M_k为端部应力集中系数，为电熔接头焊接界面上的Mises应力最大值(σ_Mises)_max与平均切应力τ_m之比。端部应力不均匀系数M_k与电阻丝布线区域长度l之间的关系为M_k＝al+b，其中a＝0.13±0.05(单位：mm^-1)，b＝2.8±1.0(无量纲)，l的单位为mm，M_k为无量纲数。如图4所示，燃气聚乙烯管使用的四种规格管材的电熔接头的端部应力不均匀系数M_k值表示在图中，由最小二乘法拟合得到M_k与l的关系为M_k＝0.13l+2.79(M_k的来源参见：胡安琪,增强塑料复合管电熔接头区长度优化设计,2018,浙江大学学位论文)。

(5)电熔接头的许用应力[σ]，单位：MPa，取：

其中，C为设计系数，按照等强度设计，电熔接头设计系数与管材的设计系数相等，减少材料浪费并且保证接头强度。按照步骤(1)中的取值，燃气用聚乙烯管电熔接头设计系数C≥2，给水用聚乙烯管电熔接头设计系数C≥1.25；C_σ为管材环向应力与管材内壁Mises应力之间的转换系数，表示管材内壁处Mises应力与环向应力之比，具体取值见表1。

(6)电熔接头在强度要求下的极限载荷状态为：

(σ_Mises)_max＝[σ] (6)

即：

τ_m·M_k＝[σ] (7)

公式(7)可化简为一个一元分式方程，求解方程(7)得满足电熔接头强度要求的最小电阻丝布线区域长度l值。

实施例1：

本发明提供的聚乙烯管电熔管件，可连接聚乙烯燃气管、给水管等管材，能够保证电熔接头的强度并且节约电熔管件的制造成本。取管径规格公称直径为DN110，标准尺寸比SDR11，材料为PE80的聚乙烯燃气管道，工作环境温度为20℃，依据本发明所述，连接该管材的电熔管件特征包含管体1、电阻丝2、接线柱3。其中，电阻丝2在管体1内表面布线区域长度l通过下述方式获得：

已知被连接的管材参数：管材标准尺寸比SDR＝11；材料为PE80，最小要求强度MRS＝8MPa；由GB15558.1，燃气用聚乙烯管的设计系数取C＝2。

依据本发明方法所述步骤(1)，计算管材最大工作压力MOP：

DN110管材外径D_o＝110mm，SDR＝11，管材内径

依据本发明方法所述步骤(2)，计算电熔接头受到的轴向力F：

电阻丝布线区域长度l值未知。依据本发明方法所述步骤(3)，表示出电熔接头焊接界面上的平均切应力τ_m：

其中，电阻丝布线区域长度l的单位为mm；τ_m单位为MPa。

如图4所示，端部应力集中系数M_k＝0.13l+2.8，M_k为无量纲数。依据本发明方法所述步骤(4)，表示出电熔接头焊接界面上最大Mises应力(σ_Mises)_max为：

其中，(σ_Mises)_max的单位为MPa。

按照等强度设计，电熔接头设计系数C与管材设计系数相等，取C＝2。由表1，C_σ＝1.05。依据本发明方法所述步骤(5)，计算电熔接头许用应力[σ]：

依据本发明方法所述步骤(6)，电熔接头在强度要求下的极限载荷状态有如下关系：

解得l＝17.99mm。向上取整则电阻丝布线区域长度值取l＝18mm。

以上，管径规格为公称直径DN110，标准尺寸比SDR11，材料PE80的聚乙烯燃气管道电熔管件，满足接头强度的最小电阻丝布线区域长度值为l＝18mm。对比目前企业生产的用于连接此规格管材的电熔管件电阻丝布线区域长度约为45mm左右，本发明的电熔管件可以减小电阻丝布线区域长度，减小电熔管件长度，节约电熔管件制造成本。

实施例2：

取管径规格公称直径为DN200，标准尺寸比SDR17，材料为PE100的聚乙烯燃气管道，工作环境温度为20℃，依据本发明所述，连接该管材的电熔管件特征包含管体1、电阻丝2、接线柱3。其中，电阻丝2在管体1内表面布线区域长度l通过下述方式获得：

已知被连接的管材参数：管材标准尺寸比SDR＝17；材料为PE100，最小要求强度MRS＝10MPa；由GB15558.1，燃气用聚乙烯管的设计系数取C＝2.5。

依据本发明方法所述步骤(1)，计算管材最大工作压力MOP：

DN200管材外径D_o＝200mm，SDR＝17，管材内径

依据本发明方法所述步骤(2)，计算电熔接头受到的轴向力F：

电阻丝布线区域长度l值未知。依据本发明方法所述步骤(3)，表示出电熔接头焊接界面上的平均切应力τ_m：

其中，电阻丝布线区域长度l的单位为mm；τ_m单位为MPa。

如图4所示，端部应力集中系数M_k＝0.13l+2.8，M_k为无量纲数。依据本发明方法所述步骤(4)，表示出电熔接头焊接界面上最大Mises应力(σ_Mises)_max为：

其中，(σ_Mises)_max的单位为MPa。

按照等强度设计，电熔接头设计系数C与管材设计系数相等，取C＝2.5。由表1，C_σ＝0.98。依据本发明方法所述步骤(5)，计算电熔接头许用应力[σ]：

依据本发明方法所述步骤(6)，电熔接头在强度要求下的极限载荷状态有如下关系：

解得l＝38.7mm。向上取整则电阻丝布线区域长度值取l＝39mm。

以上，管径规格为公称直径DN200，标准尺寸比SDR17，材料PE100的聚乙烯燃气管道电熔管件，满足接头强度的最小电阻丝布线区域长度值为l＝39mm。

Claims (3)

1.一种考虑电阻丝布线区域长度的聚乙烯电熔管件，包括圆筒状管体，在管体内壁上嵌入电阻丝；在管体两端的外表面各设一个接线柱，分别连接至电阻丝两端；以电阻丝呈连续螺旋状布线的区域为电熔焊接过程中的加热区，未设电阻丝或电阻丝仅起连通作用的部分为非加热区；其特征在于，以加热区沿管体轴线方向的尺寸作为电阻丝布线区域长度l，其数值由以下步骤获得：

(1)根据下式计算套接于电熔管件内管材的最大工作压力MOP，单位MPa：

其中，MRS为管材的最小要求强度，根据GB/T 18075-2001得到；C为设计系数，按照设计标准取值；SDR为标准尺寸比，即管材外径与壁厚之比，通过管材型号获得；

(2)根据下式计算焊接后电熔接头受到的轴向力F，单位N：

其中，D_i为管材内径，单位mm，通过管材型号获得；

(3)根据下式计算焊接界面上的平均切应力τ_m，单位MPa：

其中，D_o为管材外径，单位mm，通过管材型号获得；l为电阻丝布线区域长度，单位mm；

(4)根据下式计算焊接界面上的最大Mises应力(σ_Mises)_max，单位MPa：

(σ_Mises)_max＝M_k×τ_m (4)

其中，M_k为端部应力集中系数，即电熔管件与管材焊接界面上的Mises应力最大值(σ_Mises)_max与平均切应力τ_m之比；

(5)根据下式计算电熔接头的许用应力[σ]：

其中，C为设计系数，按照等强度设计，电熔接头设计系数与管材的设计系数相等；C_σ为管材环向应力与管材内壁Mises应力之间的转换系数，表示管材内壁处Mises应力与环向应力之比；

(6)根据下式计算电熔接头在强度要求下的极限载荷状态为：

(σ_Mises)_max＝[σ] (6)

即：

τ_m·M_k＝[σ] (7)

将公式(7)化简为一个一元分式方程，求解得到满足电熔接头强度要求的最小电阻丝布线区域长度l的数值。

2.根据权利要求1所述的聚乙烯电熔管件，其特征在于，在所述步骤(1)中，PE80材料的管材MRS＝8.0MPa，PE100材料的管材MRS＝10.0MPa；燃气用聚乙烯管的设计系数根据GB15558.1-2005取C≥2，或者根据CJJ63-2018取值为C＝2.5；给水用聚乙烯管的设计系数根据GB/T13663.2-2018取C≥1.25。

3.根据权利要求1所述的聚乙烯电熔管件，其特征在于，在所述步骤(4)中，端部应力集中系数M_k与电阻丝布线区域长度l之间呈近似线性关系：M_k＝al+b，其中a＝0.13±0.05，单位mm^-1；b＝2.8±1.0，无量纲；l的单位为mm，M_k为无量纲数。

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