CN114484127B - 一种抗氢气渗透的塑料电熔管件 - Google Patents

一种抗氢气渗透的塑料电熔管件 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种抗氢气渗透的塑料电熔管件，包括：圆筒状的管体、电阻丝、至少两个接线柱；电阻丝嵌入设置于管体的内壁；至少两个接线柱设置于管体外表面，并分别电连接至电阻丝的端部，用于导通焊接电流进行电熔焊接；管体内部还设有抗氢气渗透层，抗氢气渗透层为圆筒状，设置于管体的中部，所述抗氢气渗透层的氢气渗透系数至少为
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE002
。通过在管件内部环向嵌入抗氢气渗透层，来增强聚乙烯管件本身的抗氢渗透性，降低了输氢管道整体的氢泄漏损失，提高运输效率。

Description

一种抗氢气渗透的塑料电熔管件
技术领域
本发明专利涉及非金属管道领域，具体涉及一种抗氢气渗透的塑料电熔管件。
背景技术
在众多氢气储运方式中，管网输氢是最经济、最节能的大规模长距离输送氢气的方式，也得到了广泛的研究和关注。目前纯氢输送管道主要采用钢管，钢管材料主要有APIX52、API X65两种典型管道钢。管网输氢所面临最大的技术难题是氢渗透。氢气管道输送要求气态氢在较高的压力下进行（最高为21 MPa），在高压气态输送过程中，氢会逐步侵入并渗透钢材，局部氢浓度饱和会引起金属材料机械性能（如延展性、韧性、负载能力等）下降，以及产生氢致裂纹，发生氢脆，恶化输氢管道用钢的力学和物理性能。除此之外，金属管道本身也会收到外部环境的腐蚀，并且柔性较差，在生产、运输、施工过程中较为不便。
在一项研究中，本发明人提供了一种抗氢脆金属丝增强复合管作为输氢管道。在该技术方案中，采用聚乙烯作为复合管基体，通过金属丝错绕缠绕在聚乙烯内层外提高管道的强度，使用金属丝的材料为抗氢脆钢丝以减少氢脆对管道力学性能的影响。在氢气环境中，聚乙烯材料吸收的氢以双原子分子存在，不会像金属中那样分离带来力学性能的下降。同时聚乙烯管材具备柔性、耐腐蚀等优点，使得其有望成为输氢管道的更佳选择。
然而，即使聚乙烯材料不会因为氢气的渗透而产生性能下降，氢渗透也会导致气体泄漏，造成运输效率的下降。此外，通过电熔焊接方式连接的管材在对接处存在环向的缝隙，氢气能够直接接触管件的内表面，并且渗入聚乙烯管件从而造成泄漏。
对此，中国专利文件CN113864559A公开了一种具有阻隔功能的电熔管件，能够解决现有技术中阻隔型非金属复合管连接不好，连接处无法起到阻隔作用等问题。然而，该电熔管件至少存在以下两个缺陷：（1）由于在该电熔管件中，EVOH阻隔层仅设于管件本体中间处，且铜线穿与铜嵌件，焊机加热时，铜嵌件也可发热，加热EVOH阻隔层以及管件本体内壁，且铜嵌件中间设有多个圆孔，导致其仅能够阻隔氢气从管件的连接处渗透，无法阻隔氢气穿过管材壁和管件壁方向上的渗透；（2）该结构的电熔管件内结构较多，制备工艺复杂、成本较高。
此外，例如中国专利文件CN107289220A、CN203671067U、CN209084265U等均公开了增强型复合电熔管件，在塑料电熔管件内嵌入增强装置用于提高接头承压能力和连接可靠性。其中增强装置例如采用纤维增强热塑性材料、金属件等。然而这些文件中均未提出通过增强装置实现抗氢气渗透的技术启示。且上述增强装置或由于本身结构上存在孔隙，或材料本身不具备抗氢气渗透功能或抗氢脆功能，因此也无法起到抗氢气渗透的作用。
发明内容
本发明要解决的问题是，克服现有技术中的不足，提供一种防氢气渗透的聚乙烯输氢管道电熔管件。
为解决技术问题，本发明采用的技术方案是:
提供一种抗氢气渗透的塑料电熔管件，包括：圆筒状的管体、电阻丝、至少两个接线柱；电阻丝嵌入设置于管体的内壁；至少两个接线柱设置于管体外表面，并分别电连接至电阻丝的端部，用于导通焊接电流进行电熔焊接，所述塑料电熔管件用于对管道进行连接时，套设于管道；
管体内部还设有抗氢气渗透层，抗氢气渗透层为圆筒状，设置于管体的中部，所述管体的材料为聚乙烯，所述抗氢气渗透层的材料包含：铝合金、316不锈钢中的至少一种；
沿所述圆筒状管体轴向方向上延伸的抗氢气渗透层的长度至少为
Figure 573112DEST_PATH_IMAGE001
；根据下式计 算
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
，单位为
Figure 67678DEST_PATH_IMAGE003
：
Figure 239771DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 969830DEST_PATH_IMAGE005
为管体的壁厚，单位为m，
Figure 841971DEST_PATH_IMAGE006
为管道的壁厚，单位为
Figure 241860DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 527347DEST_PATH_IMAGE008
为抗氢气渗 透层的氢气渗透系数，单位为
Figure 670884DEST_PATH_IMAGE009
；
Figure 725428DEST_PATH_IMAGE010
为管体材料的氢气渗透系数, 单 位为
Figure 794752DEST_PATH_IMAGE011
；
Figure 567536DEST_PATH_IMAGE012
为管道内的氢气分压，
Figure 249185DEST_PATH_IMAGE013
为管道外的氢气分压，单位为
Figure 95918DEST_PATH_IMAGE014
；
所述抗氢气渗透层的氢气渗透系数至少为
Figure 696663DEST_PATH_IMAGE015
。
作为本发明方案的优选方案，所述抗氢气渗透层到所述管体的内壁和外壁的距离相同。
作为本发明方案的优选方案，抗氢气渗透层的厚度至少为
Figure 628847DEST_PATH_IMAGE016
，单位为m；其中，
Figure 347142DEST_PATH_IMAGE016
根 据下式计算：
Figure 48382DEST_PATH_IMAGE017
其中，
Figure 351188DEST_PATH_IMAGE018
为管体的壁厚，单位为m，
Figure 911613DEST_PATH_IMAGE019
为管材的壁厚，单位为
Figure 699178DEST_PATH_IMAGE020
；
Figure 254924DEST_PATH_IMAGE021
为抗氢气渗 透层的氢气渗透系数，单位为
Figure 869577DEST_PATH_IMAGE022
；
Figure 245194DEST_PATH_IMAGE023
为管体材料的氢气渗透系数, 单 位为
Figure 367609DEST_PATH_IMAGE024
；
Figure 371337DEST_PATH_IMAGE025
为管道内的氢气分压，
Figure 625732DEST_PATH_IMAGE026
为管道外的氢气分压，单位为
Figure 754225DEST_PATH_IMAGE014
。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明提供了一种抗氢气渗透的塑料电熔管件，通过在管件内部环向嵌入抗氢气渗透层，来增强聚乙烯管件本身的抗氢渗透性，降低了输氢管道整体的氢泄漏损失，提高运输效率。
（2）本发明提出了一种抗氢气渗透的塑料电熔管件具体的结构设计的计算方法，使得在尽量减少改变管件结构的情况下保证最佳的抗氢渗透性能。
附图说明
附图标记：1-管体，2-管道；3-电阻丝，4-接线柱，5-隔板材料；
图1为本发明的抗氢气渗透的塑料电熔管件和输氢管道的结构示意图。
图2为本发明的抗氢气渗透的塑料电熔管件和输氢管道的氢气渗透和分压的示意图。
在图1和图2中，A-直接穿过抗氢气渗透的隔板材料，B-穿过管材壁和管件壁，C-绕 过隔板材料，沿着隔板从管体材料中渗透；
Figure 509691DEST_PATH_IMAGE027
-氢气内分压，
Figure 977713DEST_PATH_IMAGE028
-氢气外分压；
Figure 793222DEST_PATH_IMAGE029
-聚乙烯管 体的壁厚，
Figure 134246DEST_PATH_IMAGE030
-聚乙烯管道管材的壁厚，
Figure 693403DEST_PATH_IMAGE031
-聚乙烯管体内隔板材料的厚度，
Figure 281511DEST_PATH_IMAGE032
-聚乙烯管体 内隔板材料的宽度。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
图1为本发明的抗氢气渗透的塑料电熔管件和输氢管道的结构示意图。如图1所示，本发明提供一种抗氢气渗透的塑料电熔管件，包括：圆筒状的管体1、电阻丝3、至少两个接线柱4。塑料电熔管件的管体1材料可以是聚乙烯。在本发明的实施例中，管道2可以是复合材料输氢管道，其材料可以是抗氢脆、抗氢气渗透的复合材料，例如管道2可以由高密度聚乙烯基材通过抗氢脆金属丝增强构成的一种抗氢脆金属丝增强复合管。
如图1所示，在塑料电熔管件对管道2进行连接时，塑料电熔管件套设于管道2，塑料电熔管件的管体1的内径与管道2的外径向匹配。所述电阻丝3嵌入设置于所述管体1的内壁；所述至少两个接线柱4设置于管体1外表面，并分别电连接至所述电阻丝3的端部，用于导通焊接电流进行电熔焊接。
在一个实施例中，可通过布线机在塑料电熔管件的管体1内壁布设电阻丝3，成型后在管体1内壁处形成导电区。在本发明的一个实施例中，通过在管体1外表面设置的两个接线柱4分别与电阻丝3的两端进行连接，导通焊接电流后在管体1内壁和管道2外壁之间形成熔融连接。在本发明的另一个实施例中，所述电阻丝3可以是两组，且每组电阻丝3都具有两个端部，每组电阻丝连接两个接线柱4，两组电阻丝3之间没有电连接，两组电阻丝分别导通焊接电流后在管体1内壁和管道2外壁之间形成熔融连接。
如图1所示，管体1内部还设有抗氢气渗透层，所述抗氢气渗透层为圆筒状，设置于 管体1的中部，构成所述抗氢气渗透层的材料的氢气渗透系数大于管体1材料的氢气渗透系 数。作为抗氢气渗透层的材料应当至少考虑选择具备较低的氢气渗透系数，最好是远高于 管体1材料。根据研究表明作为抗氢气渗透层的氢气渗透系数高于管体两个数量级，即其氢 气渗透系数为管体的100倍，可以实现较好的抗氢气渗透效果。管体1通常可以采用 HDPE， 其在20℃下的氢气渗透系数为
Figure 2342DEST_PATH_IMAGE033
，因此，相应的抗氢气渗 透层的氢气渗透系数至少为
Figure 43110DEST_PATH_IMAGE034
，可以满足抗氢气渗透 的效果。此外，作为抗氢气渗透层同时需具备抗氢脆，以及嵌入管体1的材料中具有较好的 稳定性，能够确保抗氢气渗透的同时不发生氢脆，且嵌入在管体1中具有较好的稳定性。
因此，在一个实施例中，所述抗氢气渗透层（4）的材料可以包含：铝合金、316不锈 钢中的至少一种。铝合金在20℃下的氢气渗透系数为
Figure 78063DEST_PATH_IMAGE035
,相比管体1例如采用 HDPE在20℃下的氢气渗透系数为
Figure 81528DEST_PATH_IMAGE036
，且铝合金不存在氢脆效应，嵌入聚乙烯材料中稳定性较好，因此铝合金可以作为抗氢气渗 透层。316不锈钢具有高于
Figure 848627DEST_PATH_IMAGE037
的氢气渗透系数，此外经 过试验研究表明304不锈钢在氢环境下的韧性下降剧烈，而316不锈钢的断裂韧性下降较 小，同样具备抗氢气渗透的情况下，316不锈钢是更优的选择。
在一个实施例中，所述抗氢气渗透层到所述管体1的内壁和外壁的距离相同，这样的设置能够避免管体工作中可能出现的失稳现象，并且通过抗氢气渗透层两侧的管体厚度相同能够防止内外层温度差对管体和抗氢气渗透层带来的热影响过大。
图2为本发明的抗氢气渗透的塑料电熔管件和输氢管道的氢气渗透和分压的示意图。如图2所示，A、B、C为三条氢气渗透的可能最短路径。路径A是直接穿过抗氢气渗透层，路径B是穿过管材壁和管体壁，路径C是绕过抗氢气渗透层，沿着隔板从管体材料中渗透。抗氢气渗透的塑料电熔管件和输氢管道进行电熔焊接并熔融后，如果抗氢气渗透层的厚度太薄，则氢气可能通过路径A，即直接穿过抗氢气渗透层渗透；而长度太短则氢气可能通过路径C，即绕过抗氢气渗透层，沿所述圆筒状管体1轴向方向上延伸的抗氢气渗透层的长度应当大于塑料电熔管件和输氢管道进行电熔焊接并熔融后输氢管道之间接缝的长度。反之，如果抗氢气渗透层的厚度不必要地过厚，或者长度过长，则电熔管件结构改变过大，可能导致管件整体的性能变差。因此需要进一步对抗氢气渗透的塑料电熔管件具体的结构进行设计，使得在尽量减少改变管件结构的情况下保证最佳的抗氢渗透性能。
由于抗氢气渗透层氢气渗透系数远高于聚乙烯材料，抗氢气渗透层内侧的分压接 近实际氢气内分压
Figure 501325DEST_PATH_IMAGE012
，抗氢气渗透层外侧的分压接近于氢气外分压
Figure 277652DEST_PATH_IMAGE038
。内嵌的抗氢气渗透 层材料可以选择铝合金、316不锈钢等。为了在最小限度改变电熔管件的前提下达到最好的 抗氢渗透效果，抗氢气渗透层的最小厚度
Figure 371509DEST_PATH_IMAGE039
可以根据下式计算：
Figure 434143DEST_PATH_IMAGE040
其中，
Figure 416881DEST_PATH_IMAGE041
为管体的壁厚，单位为m，
Figure 996898DEST_PATH_IMAGE042
为管材的壁厚，单位为
Figure 538737DEST_PATH_IMAGE043
；
Figure 709956DEST_PATH_IMAGE044
为抗氢气渗 透层的氢气渗透系数，单位为
Figure 711148DEST_PATH_IMAGE045
；
Figure 953910DEST_PATH_IMAGE046
为管体材料的氢气渗透系数, 单位 为
Figure 225623DEST_PATH_IMAGE047
；
Figure 36584DEST_PATH_IMAGE048
为管道内的氢气分压，
Figure 151170DEST_PATH_IMAGE049
为管道外的氢气分压，单位为
Figure 807411DEST_PATH_IMAGE050
。
沿圆筒状管体轴向方向上延伸的抗氢气渗透层的长度至少为
Figure 323843DEST_PATH_IMAGE051
；根据下式计算隔 板宽度
Figure 538661DEST_PATH_IMAGE051
，单位为
Figure 140544DEST_PATH_IMAGE052
：
Figure 600475DEST_PATH_IMAGE053
其中，
Figure 643517DEST_PATH_IMAGE054
为管体的壁厚，单位为m，
Figure 655336DEST_PATH_IMAGE055
为管材的壁厚，单位为
Figure 354302DEST_PATH_IMAGE056
；
Figure 742558DEST_PATH_IMAGE057
为抗氢气渗 透层的氢气渗透系数，单位为
Figure 341904DEST_PATH_IMAGE058
；
Figure 524624DEST_PATH_IMAGE059
为管体材料的氢气渗透系数, 单位 为
Figure 976465DEST_PATH_IMAGE060
；
Figure 637253DEST_PATH_IMAGE061
为管道内的氢气分压，
Figure 592571DEST_PATH_IMAGE062
为管道外的氢气分压，单位为
Figure 211771DEST_PATH_IMAGE063
。
具体实施案例：
在本实施例中，以在HDPE电熔管件、PE100的聚乙烯管道中，选择铝合金作为抗氢 气渗透层为例对抗氢气渗透的塑料电熔管件具体的结构进行设计。取管径规格公称直径为 DN100，标准尺寸比为SDR17，假设HDPE管件管体和管材的厚度相等。材料为PE100的聚乙烯 管道，工作环境温度为20℃。则聚乙烯管材和HDPE管件管体的壁厚均为5.88mm。铝合金在20 ℃下的氢气渗透系数为
Figure 885329DEST_PATH_IMAGE064
, HDPE在20℃下的氢气渗 透系数为
Figure 615387DEST_PATH_IMAGE065
。由此可以计算出，抗氢气渗透层的厚度
Figure 923747DEST_PATH_IMAGE066
，抗氢气渗透层的宽度
Figure 713848DEST_PATH_IMAGE067
。
应当注意的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种抗氢气渗透的塑料电熔管件，包括：圆筒状的管体（1）、电阻丝（3）、至少两个接线柱（4）；所述电阻丝（3）嵌入设置于所述管体（1）的内壁；所述至少两个接线柱（4）设置于管体（1）外表面，并分别电连接至所述电阻丝（3）的端部，用于导通焊接电流进行电熔焊接，所述塑料电熔管件用于对管道（2）进行连接时，套设于管道（2）；
其特征在于，管体（1）内部还设有抗氢气渗透层，所述抗氢气渗透层为圆筒状，设置于管体（1）的中部，所述管体（1）的材料为聚乙烯，所述抗氢气渗透层的材料包含：铝合金、316不锈钢中的至少一种；
沿所述圆筒状管体（1）轴向方向上延伸的抗氢气渗透层的长度至少为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；根据下式计算
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE006
：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为管体（1）的壁厚，单位为m，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为管道（2）的壁厚，单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为抗氢气 渗透层的氢气渗透系数，单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE018
；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为管体（1）材料的氢气渗透系 数, 单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE022
；
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为管道内的氢气分压，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为管道外的氢气分压，单位 为
Figure DEST_PATH_IMAGE028
；
所述抗氢气渗透层的氢气渗透系数至少为
Figure DEST_PATH_IMAGE030
。
2.根据权利要求1所述的抗氢气渗透的塑料电熔管件，其特征在于，所述抗氢气渗透层到所述管体（1）的内壁和外壁的距离相同。
3.根据权利要求1所述的抗氢气渗透的塑料电熔管件，其特征在于，所述抗氢气渗透层 的厚度至少为
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，单位为m；其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
根据下式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE036
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
为管体（1）的壁厚，单位为m，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为管道（2）的壁厚，单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE042
；
Figure DEST_PATH_IMAGE044
为抗氢气 渗透层的氢气渗透系数，单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE046
；
Figure DEST_PATH_IMAGE048
为管体（1）材料的氢气渗透系 数, 单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE050
；
Figure DEST_PATH_IMAGE052
为管道内的氢气分压，
Figure DEST_PATH_IMAGE054
为管道外的氢气分压，单位 为
Figure DEST_PATH_IMAGE028A
。
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