壓扁阻斷對聚乙烯燃氣管道力學性能的影響

張 毅 薛世峰 韓麗美 劉翠偉 焦俊朋

1.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院 2.山東省油氣儲運安全重點實驗室

0 引言

聚乙烯（PE）材料因其優良的物理和力學性能、耐腐蝕性以及便捷的安裝和維護過程而被廣泛用于制造排水和燃氣管道。根據美國運輸部管道和危險材料安全管理局(PHMSA)的統計，2018 年美國新安裝的燃氣管道90%以上都是由PE 材料制成的。中國管道領域也在進行“以塑代鋼”的革命，如PE 管道已經在中、低壓燃氣管網中取代了過去的傳統管材，成為《城鎮燃氣設計規范：GB 50028—2006》的首選管材。

然而美國塑料管材數據協會（PPDC）數據及相關研究表明，壓扁阻斷是引起PE 管道力學性能衰減、失效破壞甚至爆炸等特大事故發生的重要原因。20世紀90 年代美國天然氣技術研究所（Gas Technology Institute，縮寫為 GTI）研究了壓扁阻斷引起的PE 管道損傷，并采用靜水壓力實驗和現象學模擬相結合的方法分析了壓縮水平、管道直徑和擠壓工具幾何形狀和尺寸對PE 管道損傷程度的影響[1-4]。2007 年Yayla 和Bilgin[5]首次采用實驗方法系統分析了壓縮水平、管道直徑和擠壓工具幾何形狀對PE 管道短期和長期力學性能的影響。Uzelac 等[6-7]分別在2010年和2011 年研究了壓扁阻斷對PE 管道壁厚和劃痕深度的影響。實驗結果表明，壓扁阻斷“耳朵”處的管道壁厚和劃痕深度變化最大，也是壓扁阻斷最危險的地方。2012 年Brown 等[8]詳細分析了由不當壓扁阻斷操作引起的PE 管道爆炸事故。2015 年美國燃氣技術研究院采用仿真技術探究了管道的壓扁阻斷作業位置和管件之間的標準距離[9]。2018 年Zhang 等[10]采用連續介質損傷力學概念定量分析了壓扁阻斷引起的損傷在PE 管道中的分布規律。國內對于PE 燃氣管道壓扁阻斷技術的研究尚處于起步階段，并且主要集中于介紹PE 管道壓扁阻斷技術流程、相關設備及注意事項等[11-15]，以定性分析為主，缺乏定量研究。

目前PE 管道壓扁阻斷相關技術參數主要參照美國標準，包括ASTM F1041[16]、ASTM F1563[17]以及ASTM 1734[18]。我國根據國際標準BS ISO 4437[19]制訂了相應的標準《燃氣用埋地聚乙烯（PE）管道系統：GB 15558.1—2015》，并對壓扁阻斷流程及注意事項進行了簡單描述和規定。然而，不論是美國標準還是中國標準都還存在著一些不足，需要進一步改進和完善，例如標準中規定常溫下壓管和松管速度不應該超過50.8 mm/min，當外界溫度降低時壓管和松管速度應該降低，但標準中并沒有具體規定低溫下的壓管和松管速度應該降低多少。這樣的標準對現場操作人員的指導意義不大，容易引起不當操作，有可能導致PE 管道過量損傷以及壽命縮短。

為了解決上述問題，筆者采用實驗室試驗與有限元模擬相結合的方法，探究了壓扁阻斷對PE 管道力學性能的影響規律，以期為創建安全高效的壓扁阻斷工藝流程及保障PE 燃氣管道的安全運行提供依據。

1 實驗分析

1.1 實驗材料與方法

實驗材料為進口PE3408 燃氣管材，內徑47.5 mm，壁厚6 mm。用于壓扁阻斷實驗的PE 管道試樣長度為350 mm，滿足ASTM F1041 規定的“試樣長度應大于5 倍管道直徑”。壓扁阻斷對PE 管道力學性能影響的實驗方法及裝置示意如圖1 所示，半徑為19 mm 的擠壓棒安裝在電子萬能試驗機上，通過上擠壓棒的上下移動實現對PE 管道的壓扁阻斷。根據ASTM F1734[18]和GB 15558.1[20]的規定，壓扁阻斷的管壁壓縮率（WC）定義為：

圖1 壓扁阻斷對PE 管道力學性能影響的實驗方法及裝置圖

式中D表示壓扁阻斷完成后上下擠壓棒之間的距離，mm；t表示PE 管道最小壁厚，mm。

為了反映真實的壓扁阻斷工況，采用的管壁壓縮率為30%。圖1-b 所示為將壓扁后的PE 管道切割成寬為10 mm 的圓環試樣以定量表征壓扁阻斷對PE管道力學性能的影響。將圓環試樣在電子萬能試驗機上以0.01 mm/min 的速度拉伸直至斷裂，其尺寸和實驗裝置如圖1-c 所示。

為反映真實的壓扁阻斷過程，采用的壓扁阻斷實驗分為3 個階段：壓扁擠壓、應力松弛和卸載松管（圖2）。ASTM F1734 和GB 15558.1—2015 中規定擠壓速度不能超過50.80 mm/min，因此本文采用的擠壓速度為0.01 mm/min、1.00 mm/min 和50.00 mm/min。當管壁壓縮率達到預設值時，通過保持上擠壓棒位置不變使PE 管道進入應力松弛階段。考慮真實的壓扁阻斷維修時間，采用的應力松弛時間為3 h。應力松弛段結束后，以0.10 mm/min 的速度松管卸載，完成整個壓扁阻斷過程。

圖2 壓扁阻斷實驗流程示意圖

1.2 實驗結果與分析

圖3 為PE 管道在不同擠壓速度下的全過程載荷—位移曲線。由圖可知，壓扁阻斷載荷—位移曲線分為4 個階段：A →B 段為上擠壓棒向下移動，直到管道內壁接觸；B →C 段為擠壓棒繼續向下移動，但因為管道內壁接觸，載荷從B 點開始急劇增大，直到C 點達到預先設定的壓縮水平；C →D 段為應力松弛階段，即保持上擠壓棒位移不變以模擬真實的壓扁阻斷維修過程；D →E 段為卸載松管，維修完成后上擠壓棒向上移動至擠壓棒離開PE 管道。壓扁阻斷最大載荷隨著擠壓速度的增大而增大。究其原因，PE 材料本身具有強非線性黏彈塑性力學行為，加載速度增大導致PE 內部分子鏈活動受限，表現出更高的載荷或應力水平[21-23]。

綜上所述，由于仔豬的腹瀉是多種因素共同作用的結果。防治仔豬腹瀉，主要應采取綜合防治措施。仔豬腹瀉的發生、發展與飼養管理密切相關，保持豬舍及用具清潔衛生，加強環境衛生消毒工作，一旦發生仔豬腹瀉應立即隔離和治療，及時清除糞便和污染物，防止病原的傳播，注意仔豬的防寒保暖，把握好仔豬初乳關，增強母豬和仔豬的抵抗力等良好的飼養管理和生物安全措施是防治仔豬腹瀉的基礎。針對性地對疫苗和敏感藥物的選用是防治仔豬腹瀉的技術關鍵。

圖3 壓扁阻斷全過程載荷—位移曲線圖

圖4 顯示了壓扁阻斷引起的PE 圓環試樣力學性能變化。由圖可知，壓扁阻斷位置（相對位置為0）的圓環試樣彈性模量和屈服應力衰減最嚴重，彈性模量和屈服應力分別只有初始值的17%和72%，這說明壓扁阻斷會導致PE 管道力學性能的衰退，特別是壓扁位置處，容易引起PE 管道的失效破壞。同時也可以發現，距離壓扁阻斷位置較遠處（大于1.5 倍管道直徑）的圓環試樣力學性能基本不受壓扁阻斷的影響。這說明壓扁阻斷造成的PE 管道力學性能衰退具有極強的局部性，建議壓扁阻斷維修后加強對擠壓處管道的監測。擠壓速度對圓環試樣力學性能衰減程度的影響較小。

2 壓扁阻斷有限元分析

2.1 有限元模型

為了進一步研究壓扁阻斷對PE 管道力學性能的影響，采用ABAQUS 軟件建立PE 管道壓扁阻斷有限元模型，主要包括壓扁工具棒和PE 管道（圖5）。為了節省計算時間，PE 管道采用1/4 模型，共計18 600 個C3D8R 單元，壓扁工具棒為分析剛體。PE 管道與工具棒之間的摩擦系數設為0.08[24]。

圖4 壓扁阻斷對PE 管道力學性能的影響圖

圖5 壓扁阻斷有限元模型圖

2.2 有限元本構方程

采用四段式本構方程，分別描述PE 管道線彈性階段、非線彈性階段、頸縮階段、硬化階段和蠕變松弛階段的力學行為。

式中σ表示等效應力，MPa；ε表示等效應變；εy表示線彈性到非線彈性的轉折應變點；εn表示頸縮起始應變點；εn表示硬化起始應變點；表示等效蠕變應變率；t表示蠕變時間，s；a、b、c、d、e、αk、N、M、β、A、n和m為用戶自定義參數。采用自動迭代程序調整上述參數直到有限元結果與實驗結果吻合。

2.3 有限元結果與分析

圖6 所示為擠壓速度分別為0.01 mm/min、1.00 mm/min 和50.00 mm/min 的有限元結果與實驗結果的對比分析。由圖6 可知，有限元模擬結果與實驗結果非常接近，驗證了本文提出的有限元模型的可靠性與準確性。得到圖6 有限元結果的本構方程參數如表1 所示。需要指出的是，在模擬過程中將方程2（d）分為4 個部分以提高模擬結果的準確度。

2.3.1 壓扁阻斷全過程應力分析

圖6 有限元模擬結果與實驗結果對比圖

表1 壓扁阻斷有限元模擬本構方程參數表

以擠壓速度為1.00 mm/min 的有限元模型為例，研究壓扁阻斷全過程的應力分布情況。考慮實際情況，壓扁阻斷過程分為3 個階段：擠壓階段、應力松弛階段和松管卸載階段。根據表1 中本構模型參數建立模型求解得到PE 管道壓扁阻斷全過程的Mises 應力云圖（圖7）。圖7-a 為擠壓階段結束、管道達到30%壁厚壓縮率時的應力分布。管道上應力最大值約為25 MPa，且主要集中在擠壓棒與管道接觸部位。大于20 MPa 的應力分布范圍約為1/3 管道直徑長度，在離開擠壓部位1.5 倍管徑處，應力值已經小于管道最大應力值的一半。

圖7 壓扁阻斷全過程應力分布圖

圖7-b 為應力松弛段結束時PE 管道的應力分布。與圖6-a 中的應力分布相比，由于PE 材料的蠕變特性，雖然擠壓棒的位置和壁厚壓縮率沒有改變，但PE 管道的應力值顯著減小，由圖7-a 中的最大值25 MPa 減小到10 MPa。而且應力分布沒有擠壓階段集中，大于8 MPa 的應力分布范圍達到了3 倍管徑。

圖7-c 為卸載階段結束時PE 管道的應力分布，可以看出，管道最大應力主要集中在管道的擠壓耳部。管道最大應力約為12.5 MPa，大于10 MPa 的應力分布范圍約為1/4 管徑。擠壓耳部附近應力較大而且集中，管道其他部分應力分布比較均勻。

2.3.2 壓縮率影響分析

以擠壓速度為1.00 mm/min 為例，研究了壓扁阻斷過程中管壁壓縮率對壓扁阻斷過程和PE 管道力學性能的影響。除實驗中采用的30%管壁壓縮率外，又在ABAQUS 中建立了壓縮率為10%和20%的PE 管道壓扁阻斷模型。圖8 為1.00 mm/min 擠壓速度下，管壁壓縮率分別為10%、20%和30%的載荷—位移曲線。由圖8 可知，擠壓力隨著壓縮率的增大而增大。

圖8 不同壓縮率的載荷—位移曲線圖

圖9 為卸載松管后PE 管道不同壓縮率的Mises應力云圖。可以看出，管道上最大應力發生在圖中標注位置，即擠壓耳部。該位置也是壓扁阻斷后的PE管道最易發生失效破壞的位置，需要重點檢測監測，避免事故發生。表2 總結了不同管壁壓縮率下PE 管道上的載荷最大值、應力最大值及卸載后的塑性應變最大值。由表2 可知，當管壁壓縮率由10%提高到30%時，管道上的最大載荷、最大應力及最大塑性應變分別增加了113.8%、12.9%和10.3%。

圖9 不同壓縮率PE 管道應力分布圖

表2 壓縮率影響分析表

2.3.3 擠壓棒幾何尺寸影響分析

為分析擠壓棒幾何尺寸對PE 管道力學性能的影響，擠壓棒半徑分別為14 mm、19 mm 和24 mm，PE 本構方程參數同表1。建立有限元模型求解后，得到的壓扁阻斷全過程力—位移曲線如圖10 所示。由圖10 可知，擠壓力隨著擠壓棒半徑的增大而增大。然而，進一步分析有限元結果發現PE 管道上最大Mises 應力和塑性應變隨著擠壓棒半徑的減小而增大（表3）。究其原因，半徑越小，擠壓棒在PE 管道上造成的應力集中越明顯，對管道造成的損傷越大。故壓扁阻斷作業中建議適當增大擠壓棒尺寸，減小其對PE 管道造成的損傷。

圖10 不同擠壓棒半徑下的載荷—位移曲線圖

表3 擠壓棒幾何尺寸分析參數表

2.3.4 摩擦系數影響分析

壓扁阻斷現場作業時，多是在戶外進行，管道表面的雜質、顆粒等會對擠壓棒與PE 管道之間的摩擦力產生較大影響。現考慮3 種情況：①是前文計算過的，摩擦系數為0.08，用以反映擠壓棒與PE管道之間的正常摩擦；②是模擬壓扁阻斷作業現場，對擠壓棒與PE 管道表面適當清潔，去除砂石泥土并適當潤滑，在ABAQUS 有限元建模時，將此種情況下的摩擦系數設為0.04；③是模擬壓扁阻斷現場作業時，擠壓棒與聚乙烯管道表面存在一些雜質，使得在壓扁阻斷過程中二者之間的摩擦有所增大，在ABAQUS 有限元建模時，將此種情況下的摩擦系數設為0.20。使用ABAQUS 軟件建立模型并求解分析，研究不同摩擦系數對壓扁阻斷過程以及PE 管道力學性能的影響。

不同摩擦系數的載荷—位移曲線如圖11 所示，摩擦系數對載荷—位移曲線的影響主要體現在載荷最大值上。摩擦系數從0.08 降低為0.04，載荷最大值減小了5.6%；當摩擦系數從0.08 增大到0.20，載荷最大值增大了9.6%。值得注意的是，將摩擦系數為0.04和摩擦系數為0.20 對比，后者的載荷最大值比前者增大了16.1%，數值上增加了5.4 kN。進一步采用有限元模型分析PE 管道最大應力及塑性應變，結果如表4所示。摩擦系數的增大會導致管道應力及塑性應變的增大。這也意味著在實際施工過程中，若不清理擠壓棒和PE 管道表面，殘留的雜質和泥沙會導致管道應力增加，產生額外損傷。因此，建議在對PE 管道進行壓扁阻斷維修、維護作業時，盡量清潔擠壓棒和PE管道的表面，必要時可以加適量潤滑劑，這樣可以以更小的力達到預定的壁厚壓縮率，有助于壓扁阻斷作業的順利進行及管道安全運行。

圖11 不同摩擦系數下的載荷—位移曲線圖

表4 摩擦系數分析參數表

3 結論

1）壓扁阻斷會引起PE 管道力學性能的衰退，在標準允許的最大壁厚壓縮率30%下，PE 管道的彈性模量和屈服應力分別降低為初始值的17%和72%，且力學性能的衰減主要集中在管道擠壓耳朵位置。

2）PE 管道上最大載荷、最大應力及最大塑性應變隨擠壓速度和壓縮率的增大而增大；PE 管道的最大載荷隨著擠壓棒尺寸的增大而增大，但最大應力和最大塑性應變隨擠壓棒尺寸的減小而增大。

3）PE 管道和擠壓棒之間越光滑（摩擦系數越小），管道上的最大載荷、最大應力及最大塑性應變越小。