CN114792031B - 一种含熔合面缺陷聚乙烯管热熔接头安全评定方法 - Google Patents

一种含熔合面缺陷聚乙烯管热熔接头安全评定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种含熔合面缺陷聚乙烯管热熔接头安全评定方法，基于GB/T27512和聚乙烯管材特性，对热熔焊接过程出现熔合面未焊透缺陷进行安全评定；首先对聚乙烯管焊接缺陷进行缺陷表征，规则化处理；借助有限元软件模拟计算含缺陷接头极限载荷，依据极限载荷回归模型拟合得到极限载荷计算公式，用于计算在不同缺陷尺寸下的极限内压和极限弯矩，进而确立该缺陷下的安全评定曲线；在工程实践中，对评定含缺陷聚乙管熔接头地安全使用具有重要指导意义。

Description

一种含熔合面缺陷聚乙烯管热熔接头安全评定方法
技术领域
本发明涉及在用燃气和输油管线的安全评定领域，尤其涉及一种含熔合面缺陷聚乙烯管热熔接头安全评定方法。
背景技术
石油天然气分布不均匀，各地输送能源存在大量长输石油天然气管线。高密度聚乙烯管作为新型管道，以优良的特性、稳定的性能逐渐被广泛应用于各个行业。然而，新型管线的生产、运输、安装、连接过程不规范容易产生安全隐患，都将影响到管线整体使用寿命，对于提高管线的安全使用提出严格的要求和新的挑战。
高密度聚乙烯管(High Density Polyethylene Pipe，HDPE)具有良好的耐腐蚀性、韧性和质量轻、便于运输等优点，是公认的“绿色管道”。在油气输送和给排水领域应用广泛，近年来开始逐渐应用于核电站冷却水的输送。目前，HDPE管已在燃气领域中广泛应用，并在GB/T15558.1-2015中详细规定聚乙烯管制造工艺和检验方案。但是管道在制造、运输、安装、使用过程中不可避免会产生各种各样的缺陷。这些缺陷存在的一方面会影响到天然气的正常运输，另外给附近的居民造成极大的安全隐患。对含缺陷聚乙烯管进行极限载荷分析，针对缺陷安全评价有利于管线安全使用。目前仍旧缺乏对含热熔焊接各类缺陷的安全评价方法，针对聚乙烯管材特性，分析缺陷失效模式，计算缺陷管道下的极限载荷是探究HDPE管安全评价的基本方法。
发明内容
发明目的：HDPE管安装及长期服役过程中，管材和焊接接头可能会产生各种缺陷，需要对这些缺陷进行定期跟踪检查与安全评价，保障管道系统安全运行。
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明基于GB/T 19624-2019采用极限载荷方法给出了含缺陷钢质压力管道的安全评定方法。本文拟参考钢管含缺陷安全评价方法，考虑HDPE管粘弹性材料本构关系，形成含缺陷管道极限载荷计算模型，建立含热熔接头熔合面缺陷安全评定方法。本发明具体提供了一种含熔合面缺陷聚乙烯管热熔接头安全评定方法，包括以下步骤：
步骤1，对含熔合面缺陷的聚乙烯管道缺陷表征，确定缺陷部位管道规格和缺陷尺寸，并进行规则化处理；
步骤2，确定聚乙烯材料力学性能，按照GB/T8804.1-2003制作接头管材拉伸试样，在低应变率10-5/s进行单轴拉伸试验，获得应力应变曲线及屈服强度；
步骤3，计算无缺陷接头下的极限载荷；
步骤4，通过有限元分析方法计算含熔合面未焊透缺陷热熔接头的极限载荷，建立极限载荷回归模型；
步骤5，得到任意尺寸下熔合面未焊透缺陷的极限载荷，确定安全评定曲线，进而评定含缺陷聚乙烯管承载能力范围。
步骤1包括：所述缺陷部位管道规格和缺陷尺寸包括：聚乙烯管道规格直径D(mm)、厚度T(mm)、径厚比SDR＝D/T；所述缺陷尺寸包括，缺陷厚度方向t(mm)、周向角度方向θ(度)、轴线方向b0(mm)。
所述规则化处理包括：熔合面未焊透缺陷为面状缺陷，对缺陷厚度方向t、周向角度方向θ、轴线方向b0无量纲化解，使得x1＝t/T，x2＝θ/π，
Figure GDA0003690626710000021
其中，R0表示聚乙烯管道外径(mm)，x1、x2、x3分别为相对深度、相对轴向角度、相对轴向长度。
步骤3包括：采用如下公式计算无缺陷接头的极限内压和极限弯矩：
Figure GDA0003690626710000022
Figure GDA0003690626710000023
其中
Figure GDA0003690626710000024
为极限弯矩修正系数，Py和My分别为极限内压(MPa)和极限弯矩(N*m)，σy(MPa)为应变率10-5/s下的屈服强度，Ri为聚乙烯管道内径(单位mm)。
步骤4包括：
材料定义：根据步骤2确定接头和管材材料属性，输入应力应变曲线数据点；
网格划分：内压载荷模型、弯矩载荷模型选择缩减积分单元(C3D8R)划分(这两个模型是软件模拟计算模型。这里的内压模型弯矩模型是ABAQUS有限元分析模型，例如附图2，是对含熔合面缺陷聚乙烯管热熔1∶1模型建立，通过划分网格、施加边界条件、载荷来模拟聚乙烯管真实情况，根据受力情况不同，分为弯矩载荷，内压载荷模型，是一种仿真模拟计算模型，有限元仿真广泛用于结构分析，是一种成熟技术，步骤4介绍了建立内压，弯矩模型仿真分析参数设置，计算处理过程)，将接头熔合面缺陷部位细化网格，过度到管材逐渐放大网格；
边界条件：由步骤1中确定缺陷尺寸，考虑到结构特征及对称性，建立1/4内压载荷模型计算，缺陷建立在内压载荷模型内部；在内压载荷作用下高密度聚乙烯管(HDPE)接头端面施加平衡轴向力Pt＝PD/(4T)，其中P(单位为MPa)表示内压载荷，D(单位为mm)表示聚乙烯管直径，壁厚T(mm)另一端面施加固定约束，管道对称面施加对称约束，高密度聚乙烯管HDPE的管材内部施加均匀面力来模拟受内压载荷；建立1/4弯矩载荷模型，弯矩载荷模型的材料定义、网格划分和单元类型同内压载荷模型；边界条件与载荷设置，需要在接头端面中心建立参考点，弯矩载荷模型焊接接头端面与参考点耦合，在参考点上施加弯矩载荷，另一端面施加固定约束，中间对称面添加对称约束；
施加载荷：由步骤3确立无缺陷接头极限内压Py和极限弯矩My输入的施加载荷；
后处理输出载荷与最大主应变曲线：从有限元分析软件(ABAQUS)计算结果文件中，选择缺陷应力最大点，输出载荷与最大主应变曲线，依据双切线极限载荷确定准则确立缺陷下极限载荷。
步骤4中，所述建立极限载荷回归模型，具体包括：
建立极限内压PL回归模型：
PL＝fP(x1,x2,x3)Py
其中，
Figure GDA0003690626710000031
a1～a7为回归模型参数，fP(x1,x2,x3)为关于缺陷尺寸的函数；
建立极限弯矩ML回归模型：
ML＝fM(x1,x2,x3)My
其中无缺陷接头极限弯矩载荷
Figure GDA0003690626710000032
Figure GDA0003690626710000041
fM(x1,x2,x3)为关于缺陷尺寸的函数。
步骤5包括：根据步骤4建立的极限内压PL回归模型和极限弯矩ML回归模型计算在任意尺寸熔合面缺陷极限载荷，依据GB/T19624，以包络线形式最终表达为极限弯矩和极限内压比率的椭圆方程：
Figure GDA0003690626710000042
取安全系数n＝1.5，得到修正后安全评定曲线：
Figure GDA0003690626710000043
其中P为管材承受纯内压载荷(MPa)，M为管材承受纯弯矩载荷(N*m)；
对于修正后的安全评定曲线，在椭圆包络线内部为安全区域，外部为不可接受区域。
有益效果：
1、本发明方法是针对特殊管材含熔合面未焊透缺陷聚乙烯管道安全评定方法，基于GB/T19624钢制管体积焊接缺陷评定方法，采用有限元分析确立极限载荷，建立极限载荷回归模型。
2、本发明方法针对聚乙烯管热熔焊接熔合面未焊透缺陷提供安全评定方法，便于确定在任意缺陷尺寸下的极限载荷，并确定安全评定曲线，分析含缺陷聚乙烯管承载能力。
3、本发明方法是一种适用工程实际的安全评定方法，填补含熔合面缺陷聚乙烯管道安全评价空白，对含缺陷管道安全使用具有重要指导意义。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为含焊接缺陷安全评定流程图；
图2为含缺陷热熔接头缺陷尺寸图；
图3为含熔合面缺陷接头模型网格；
图4为安全评定图；
图5为示例缺陷下安全评定曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种含熔合面缺陷聚乙烯管热熔接头安全评定方法，包括以下步骤：
步骤1，对含熔合面缺陷的聚乙烯管道缺陷表征，确定缺陷部位管道规格，确定缺陷尺寸，并进行规则化处理；
步骤2，确定聚乙烯材料力学性能，可通过拉伸试验获得应力应变曲线，屈服应力和弹性模量等材料参数；
步骤3，计算无缺陷接头下的极限载荷；
步骤4，通过有限元分析方法计算含熔合面未焊透缺陷热熔接头的极限载荷，建立极限载荷回归公式
步骤5，得到任意尺寸下熔合面未焊透缺陷的极限载荷，确定安全评定曲线，进而评定含缺陷聚乙烯管承载能力范围。
步骤1包括：聚乙烯管道规格直径D(mm)、厚度T(mm)、径厚比SDR＝D/T；聚乙烯管热熔焊接熔合面缺陷尺寸包括，缺陷厚度方向t(mm)、周向角度方向θ(度)、轴线方向b0(mm)。
熔合面未焊透缺陷为面状缺陷，对缺陷厚度方向t、周向角度方向θ、轴线方向b0无量纲化解，模型尺寸标注如图2。使得x1＝t/T，x2＝θ/π，
Figure GDA0003690626710000051
其中，R0表示聚乙烯管道外径(mm)，x1、x2、x3分别为相对深度、相对轴向角度、相对轴向长度。
图1中所述免于判定准则指：按照标准的HDPE管热熔焊接工艺形成温度热熔接头且缺陷相深度小于壁厚的15％。
步骤3包括：无缺陷接头的极限内压与极限弯矩
Figure GDA0003690626710000052
Figure GDA0003690626710000053
其中
Figure GDA0003690626710000061
为极限弯矩修正系数，Py和My为极限内压(MPa)和极限弯矩(N*m)，低应变率下σy屈服强度(MPa)，Ro，Ri为聚乙烯管材外径(mm)与内径(mm)；
步骤4包括：使用有限元软件计算含熔合面未焊透缺陷热熔接头的极限载荷：材料定义、网格划分、边界条件与载荷、后处理输出载荷-最大主应变曲线。
材料定义：由步骤2中确定接头和管材材料属性，并输入应力应变数据点；
网格划分：整个模型选择缩减积分单元(C3D8R)单元划分，如图3，将接头熔合面缺陷部位细化网格，过度到管材逐渐放大网格；
边界条件：由步骤1中确定缺陷尺寸，考虑到结构特征及对称性，如图2，建立1/4内压载荷模型计算，缺陷建立在模型内部；在内压载荷作用下高密度聚乙烯管(HDPE)接头端面施加平衡轴向力Pt＝PD/(4T)，其中内压载荷P(MPa)，直径D(mm)，壁厚T(mm)另一端面施加固定约束，管道对称面施加对称约束，HDPE管材内部施加均匀面力来模拟受内压载荷；如图2，建立1/4弯矩载荷模型，弯矩载荷模型材料定义、网格划分和单元类型同内压载荷模型。在接头端面中心建立参考点，弯矩载荷模型焊接接头端面与参考点耦合，在参考点上施加弯矩载荷，另一端面施加固定约束，中间对称面添加对称约束；
施加载荷：由步骤3确立无缺陷接头极限内压Py和极限弯矩My输入的施加载荷；
后处理输出载荷与最大主应变曲线：从有限元分析软件(ABAQUS)计算结果文件中，选择缺陷应力最大点，输出载荷与最大主应变曲线，依据双切线极限载荷确定准则确立缺陷下极限载荷。
步骤4中建立极限载荷回归公式：计算在三因素四水平共12组含熔合面缺陷接头的极限内压和极限弯矩，通过不同缺陷参数极限载荷建立回归公式
(1)极限内压载荷回归模型如式(3)，
PL＝fP(x1,x2,x3)Py   (3)
其中，
Figure GDA0003690626710000062
x1＝t/T，x2＝/π，
Figure GDA0003690626710000071
(2)极限弯矩回归模型如式(4)
ML＝fM(x1,x2,x3)My   (4)
其中
Figure GDA0003690626710000072
其中
Figure GDA0003690626710000073
为极限弯矩修正系数，
Figure GDA0003690626710000074
步骤5包括：步骤4可计算在任意尺寸熔合面缺陷极限载荷，依据GB/T19624，以包络线形式最终表达为极限弯矩和极限内压比率的椭圆方程，可以得到安全评定曲线如式(5)，其中P为管材承受纯内压载荷(MPa)，M为管材承受纯弯矩载荷(N*m)。
Figure GDA0003690626710000075
如图4所示，为修正后的安全评定曲线，在椭圆包络线内部为安全区域，外部为不可接受区域。
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。
为分析含熔合面缺陷聚乙烯管热熔接头极限承载能力，以HDPE100，SDR为11，直径110mm，厚度10mm，模型轴线长度110mm。在ABAQUS中按照图2和表1建立含熔合面缺陷接头的分析模型，其中表1是三因素四水平共12个不同缺陷尺寸。步骤1至5来描述安全评定方法。
步骤1，对含熔合面缺陷的聚乙烯管道缺陷表征，确定缺陷部位管道规格HDPE100，SDR为11，直径110mm，厚度10mm，确定缺陷尺寸如表1：
表1.缺陷尺寸
Figure GDA0003690626710000076
Figure GDA0003690626710000081
步骤2，确定聚乙烯材料力学性能，可通过拉伸试验获得应力应变曲线，屈服应力和弹性模量等材料参数如表2；
表2 HDPE材料参数(10-5/s)
Figure GDA0003690626710000082
步骤3包括：无缺陷接头的极限载荷：
Figure GDA0003690626710000083
Figure GDA0003690626710000084
其中
Figure GDA0003690626710000085
为极限弯矩修正系数，Py和My为极限内压和极限弯矩，低应变率下σy屈服强度，Ro，Ri为聚乙烯管材外径，内径；
计算得到接头的无缺陷极限内压Py和极限弯矩My分别为3.86MPa，210.87N*m
步骤4包括：使用有限元软件计算含熔合面未焊透缺陷热熔接头的极限载荷：材料定义、网格划分、边界条件与载荷、后处理输出载荷-最大主应变曲线。
材料定义：由步骤3中确定接头和管材材料属性，并输入应力应变数据点；
网格划分：整个模型选择缩减积分单元(C3D8R)单元划分，如图3，将接头熔合面缺陷部位细化网格，过度到管材逐渐放大网格；
边界条件：由步骤2中确定缺陷尺寸，考虑到结构特征及对称性，如图2，建立1/4内压载荷模型计算，缺陷建立在模型内部；在内压载荷作用下高密度聚乙烯管(HDPE)接头端面施加平衡轴向力Pt＝PD/(4T)，其中内压载荷P(MPa)，直径D(mm)，壁厚T(mm)另一端面施加固定约束，管道对称面施加对称约束，HDPE管材内部施加均匀面力来模拟受内压载荷；如图2，建立1/4弯矩载荷模型，计算在弯矩载荷模型材料定义、网格划分和单元类型同内压载荷模型。在接头端面中心建立参考点，模型焊接接头端面与参考点耦合，在参考点上施加弯矩载荷，另一端面施加固定约束，中间对称面添加对称约束；
后处理输出载荷与最大主应变曲线：从有限元分析软件(ABAQUS)计算结果文件中，选择缺陷应力最大点，输出载荷与最大主应变曲线，依据双切线极限载荷确定准则确立缺陷下极限载荷，如表3。
表3不同缺陷极限内压和极限弯矩
Figure GDA0003690626710000091
步骤4中建立极限载荷回归公式：计算在三因素四水平共12组含熔合面缺陷接头的极限内压和极限弯矩，通过不同缺陷参数极限载荷建立回归公式：
PL＝fP(x1,x2,x3)Py   (3)
其中，
Figure GDA0003690626710000092
(1)极限内压载荷回归模型如式(4)，拟合相关系数为0.994：
fP(x1,x2,x3)＝-0.222x1 0.279(exp(0.099x2)+3.794)(2.927x3+1.480)+1.597(4)
ML＝fM(x1,x2,x3)My   (5)
其中
Figure GDA0003690626710000093
其中
Figure GDA0003690626710000094
为极限弯矩修正系数，
Figure GDA0003690626710000101
(2)极限弯矩回归模型如式(6)，相关系数为0.944：
fM(x1,x2,x3)＝(49.067exp(-1.753x1)-0.146)(x2 0.0003-0.999)(-552.679x3+49.214)   (6)
步骤5包括：以A组2号缺陷为例，PL＝1.354MPa，ML＝87.978N*m，可得到该缺陷安全评定公式如(5-4)所示，如图5中，A组2号含缺陷接头承受内压和弯矩载荷在包络线内，认为安全可靠，可以得到安全评定曲线如式(7)所示，其中P为管材承受纯内压载荷，M为管材承受纯弯矩载荷。
Figure GDA0003690626710000102
如图5认为修正后的安全评定曲线，在椭圆包络线内部为安全区域，外部为不可接受区域。
本发明提供了一种含熔合面缺陷聚乙烯管热熔接头安全评定方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种含熔合面缺陷聚乙烯管热熔接头安全评定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对含熔合面缺陷的聚乙烯管道缺陷表征，确定缺陷部位管道规格和缺陷尺寸，并进行规则化处理；
步骤2，确定聚乙烯材料力学性能，制作接头管材拉伸试样，在低应变率进行单轴拉伸试验，获得应力应变曲线及屈服强度；
步骤3，计算无缺陷接头下的极限载荷；
步骤4，通过有限元分析方法计算含熔合面未焊透缺陷热熔接头的极限载荷，建立极限载荷回归模型；
步骤5，得到任意尺寸下熔合面未焊透缺陷的极限载荷，确定安全评定曲线，评定含缺陷聚乙烯管承载能力范围；
步骤1包括：所述缺陷部位管道规格包括：聚乙烯管道规格直径D、厚度T、径厚比SDR＝D/T；所述缺陷尺寸包括，缺陷厚度方向t、周向角度方向θ、轴线方向b0；
所述规则化处理包括：熔合面未焊透缺陷为面状缺陷，对缺陷厚度方向t、周向角度方向θ、轴线方向b0无量纲化解，使得x1＝t/T，x2＝θ/π，
Figure FDA0004121716390000011
其中，R0表示聚乙烯管道外径；x1、x2、x3分别为相对深度、相对轴向角度、相对轴向长度；
步骤3包括：采用如下公式计算无缺陷接头的极限内压和极限弯矩：
Figure FDA0004121716390000014
Figure FDA0004121716390000012
其中
Figure FDA0004121716390000013
为极限弯矩修正系数，Py和My分别为极限内压和极限弯矩，σy为屈服强度，Ri为聚乙烯管道内径；
步骤4包括：
材料定义：根据步骤2确定接头和管材材料属性，输入应力应变曲线数据点；
网格划分：内压载荷模型、弯矩载荷模型选择缩减积分单元划分，将接头熔合面缺陷部位细化网格，过度到管材逐渐放大网格；
边界条件：由步骤1中确定缺陷尺寸，建立1/4内压载荷模型计算，缺陷建立在内压载荷模型内部；在内压载荷作用下高密度聚乙烯管接头端面施加平衡轴向力Pt＝PD/(4T)，其中P表示内压载荷，D表示聚乙烯管直径，壁厚T另一端面施加固定约束，管道对称面施加对称约束，高密度聚乙烯管的管材内部施加均匀面力来模拟受内压载荷；建立1/4弯矩载荷模型，弯矩载荷模型的材料定义、网格划分和单元类型同内压载荷模型；在接头端面中心建立参考点，弯矩载荷模型焊接接头端面与参考点耦合，在参考点上施加弯矩载荷，另一端面施加固定约束，中间对称面添加对称约束；
施加载荷：由步骤3确立无缺陷接头极限内压Py和极限弯矩My输入的施加载荷；
后处理输出载荷与最大主应变曲线：从有限元分析软件计算结果文件中，选择缺陷应力最大点，输出载荷与最大主应变曲线，依据双切线极限载荷确定准则确立缺陷下极限载荷；
步骤4中，所述建立极限载荷回归模型，具体包括：
建立极限内压PL回归模型：
PL＝fP(x1,x2,x3)Py
其中，
Figure FDA0004121716390000021
a1～a7为回归模型参数，fP(x1,x2,x3)为关于缺陷尺寸的函数；
建立极限弯矩ML回归模型：
ML＝fM(x1,x2,x3)My
其中无缺陷接头极限弯矩载荷
Figure FDA0004121716390000022
Figure FDA0004121716390000023
fM(x1,x2,x3)为关于缺陷尺寸的函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5包括：根据步骤4建立的极限内压PL回归模型和极限弯矩ML回归模型计算在任意尺寸熔合面缺陷极限载荷，依据GB/T19624，以包络线形式最终表达为极限弯矩和极限内压比率的椭圆方程：
Figure FDA0004121716390000031
取安全系数n＝1.5，得到修正后安全评定曲线：
Figure FDA0004121716390000032
其中P为管材承受纯内压载荷，M为管材承受纯弯矩载荷；
对于修正后的安全评定曲线，在椭圆包络线内部为安全区域，外部为不可接受区域。
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