埋地管道热缩套起皱问题分析
Wrinkling of Heat Shrinkable Sleeves / Tapes in Buried pipelines
作者:美国波音公司Shu Guo等 翻译:王向农

摘要:
三层聚烯烃防腐管道的现场周向焊缝,往往用热缩套作为防腐层补口材料,有时候在现场修补损伤的管道涂层时使用热缩带。这些现场施工的防腐材料通常至少由两层不同的材料构成 —— 外层是聚烯烃基膜层,里层是胶粘剂层。使用热缩套补口时,同时也采用环氧树脂底漆层。胶粘剂层往往比聚烯烃基膜层软得多,尤其在高温下。这层比较软的胶粘剂层有助于在现场将热缩套和热缩带包扎在管道上。在一些埋地管道上,管道投入运行一段时间后,观察到聚烯烃基膜出现了起皱现象。聚烯烃基膜的起皱会使胶粘剂发生流淌,从而使水和土壤积存在基膜下面,最终导致钢底材腐蚀。本文提出一个能够描述回填土负荷下聚烯烃基膜发生起皱现象的简单模型。然后,用这样的模型将起皱现象与聚烯烃基膜以及胶粘剂层的机械特性及厚度关联起来。已经推导出简单的公式,可以用于指导热缩套和热缩带的研发和选择,从而用适宜的防腐产品满足特定用途的要求。
关键词:热缩套、热缩带、基膜、胶粘剂层、起皱模型、起皱公式

一、 引言
三层聚烯烃防腐管道现场的周向焊缝常常用热缩套作为补口材料,有时候在现场修补损伤的管道涂层时使用热缩带。这些现场施工的防腐材料通常至少由两层不同的材料构成 —— 外层是聚烯烃基膜层,里层是玛蒂脂或者热熔性胶粘剂层。常用的基膜材料是聚乙烯(PE)、交联聚乙烯(XPE)和交联聚丙烯(XPP)。胶粘剂层往往比聚烯烃基膜层软得多。热缩套和热缩带制造商用特殊配方生产出相对较软的胶粘剂层,其有助于在现场将热缩套和热缩带包扎在管道上。
埋地管道采用热缩套和热缩带防腐遇到一个潜在的问题是管道运行期间基膜的起皱问题。聚烯烃基膜的起皱会使胶粘剂发生流淌,从而使水和土壤积存在基膜下面,最终导致钢底材腐蚀。图1所示是现场观察到的热缩套和热缩带起皱的事例。

图1:(a)起皱的热缩套;(b)埋地管道上起皱的热缩带;
(c)埋地管道上起皱的热缩带;(d)埋地管道上起皱的
热缩带出现“鱼嘴”那样大的空隙
如图1所示,大多数起皱发生在弹簧吊带下面和管道3点钟 – 5点钟位置以及7点钟 – 9点钟位置。在Matt Dabiri评价几种热缩套性能所进行的现场系统研究中,也观察到并确认发生了类似的起皱现象。
图1所示的基膜起皱问题可以归因于回填土对热缩套产生的正常负荷和剪切负荷作用。现场也观察到其他原因造成的基膜起皱问题,如在过重的负荷下,管道与土壤之间的相对运动造成基膜的起皱。本文重点探讨由于回填土的负荷导致聚烯烃基膜发生起皱的状态。至于管道与土壤之间的相对运动造成基膜的起皱问题,以后在另外报告中再进行探讨。
已经辨认出造成埋地管道上的热缩套和热缩带基膜起皱的若干影响因素。除了回填土对热缩套产生的正常负荷和剪切负荷作用外,基膜厚度与胶粘剂层的厚度以及它们的机械特性也是造成基膜起皱的重要影响因素。许多土工技术领域的研究人员与工程师已经研究过回填土在管道上的负荷加载情况,所以,本文不再讨论这个问题。当然,本文关注的重点是描述基膜与胶粘剂层的厚度和它们的机械特性对防腐涂层抗起皱能力的影响。本文开发出简单的模型和公式,可以用于指导热缩套和热缩带的研发和选择,从而用适宜的防腐产品满足特定用途的要求。
图2所示是管道的横截面图以及在基膜起皱状态模型中所用的各种假设条件。本质上,假设钢管是刚性的(并且在负荷下是不会变形的),假设胶粘剂具有弹性基础一样的特性。因此,把基膜起皱状态模型做成一根长的弹性管子安置在一个弹性基础上。用两种不同的负荷条件研究基膜的起皱状态。在第一种情况下,基膜处于均匀的外部压力下;在第二种情况下,基膜处于均匀的剪切负荷(相对于管道横截面的直径对称分布)下。

图2 管道横截面显示起皱模型中所用的假设条件

1.1 处于均匀的外部压力下基膜的起皱
用各种教科书中描述的那些能量分析方法可以很容易地分析安置在弹性基础(胶粘剂层)上并且处于均匀的外部压力下的一根弹性管子(基膜)的起皱状态。本文不讨论建模和分析的细节。能够用如下所得公式评价引起基膜起皱的外部压力。

式中,
P0 = 引起基膜起皱的均匀的外部压力
Pi = 由于胶粘剂变形而作用在基膜上的内部压力
Ea,Eb = 分别为胶粘剂层和基膜层的杨氏模量
ta,tb = 分别为胶粘剂层和基膜层的厚度
rb = 基膜层中间壁(mid-wall)半径 [ = r0 + ta + 0.5 (tb) ]
r0 = 钢管的外径
vb = 基膜的泊松比
假定基膜层的厚度足够薄,就能够用简单的机理分析确定P0–Pi的值:

将公式(2)代入公式(1),由下式就可以得出引起基膜起皱的外部压力:

1.2 处于均匀分布的剪切应力下基膜的起皱
用确定外部压力下基膜起皱负荷的相同方法,能够分析安置在弹性基础上并处于均匀分布的外部剪切应力下的弹性管子的起皱状态(图3)。

图3 假定的基膜上剪切应力的分布状况
应当注意,此处分析中假定剪切应力的分布(图3)相对于管子横截面的直径是对称的。本文不叙述建模的细节。得出的下列公式是用于计算能够引起基膜起皱的剪切应力qb。

二、 示例计算 —— 处于均匀的压力和剪切下的起皱
下文将用公式(3)和公式(4)证明机械特性和胶粘剂层和基膜层的厚度对皱纹即基膜层起皱状况的影响。在下面所有示例中,都假定钢管的外径是20英寸(0.51 m),假定基膜的泊松比为0.4。为了与弹性基础的假设条件保持一致,假定胶粘剂层的泊松比为零。
2.1 基膜刚度对基膜抗起皱能力的影响
图4所示是引起基膜起皱的外部压力随基膜刚度和胶粘剂层厚度的变化状况。

图4 起皱压力随基膜刚度的变化
图4中假定基膜的标准厚度为0.04英寸(1.02 mm)。为了模拟管道高运行温度对基膜起皱状况的影响,假定胶粘剂只有相对较小的10磅/平方英寸(0.069 MPa)刚度。由图4可见,对于刚度相对较小的基膜,开始时,起皱压力随着基膜刚度的增加而增加,但是,当基膜刚度进一步增加时,起皱压力却降低了。从此图可以明显看出,较厚的胶粘剂层造成较低的基膜起皱压力,并且,基膜在管道上更容易起皱。
图5所示是引起基膜起皱的剪切应力随基膜刚度的变化状况。与在基膜压力的示例一样,较厚的胶粘剂层造成较低的基膜起皱剪切应力。但是与在基膜压力的示例形成鲜明对照的是,当基膜刚度增加时,导致起皱剪切应力的增加。

图5 剪切引起的起皱随基膜刚度的变化
从图4和图5可以得出这样的结论,基膜在剪切负荷下比在外部压力下更容易起皱。因此,与外部压力引起的起皱相比较,基膜更容易受到剪切引起的起皱的影响。
应当指出,本文所有图中的胶粘剂层厚度都是以英寸为单位的。
2.2 胶粘剂刚度对基膜抗起皱能力的影响
图6所示是引起基膜起皱的外部压力随胶粘剂层刚度的变化状况。图7所示是引起基膜起皱的剪切应力随胶粘剂层刚度的变化状况。假定基膜的标称刚度为50000磅/平方英寸(345 MPa)。在其他基膜刚度条件下,也观察到类似的状况。

图6 起皱压力随胶粘剂刚度的变化

图7 剪切引起的起皱随胶粘剂刚度的变化
从这两张图可以明显看出,胶粘剂刚度对基膜的起皱状况有很大的影响。刚度稍强的胶粘剂层将造成高得多的起皱负荷。起皱压力随胶粘剂刚度的增加而增加的状况比起皱剪切应力随胶粘剂刚度的增加而增加的状况明显得多。同样,较厚的胶粘剂层将会降低基膜的抗起皱能力,并且,与基膜受到外部压力起皱的状况相比较,基膜受到剪切负荷时更容易起皱。
2.3 基膜厚度对基膜抗起皱能力的影响
图8和图9所示是基膜厚度对基膜起皱状况的影响。假定基膜的标称刚度为50000磅/平方英寸(345 MPa)。并且,用相对比较软的胶粘剂层来模拟较高的管道运行温度对胶粘剂的影响。从这两张图可以看出,较厚的基膜的抗起皱能力好于较薄的基膜。

图8 起皱压力随基膜厚度的变化

图9 剪切引起的起皱随基膜厚度的变化
三、 起皱状况的有限元模型
图10 和图11比较了根据公式(3)和公式(4)以及起皱状况的有限元模型得出的起皱压力与起皱剪切应力。有限元分析(FEA)是按工业常用标准进行的。在有限元分析中,基膜层与胶粘剂层都用多层平面应变有限元建模,同时假定钢管是刚性的。由于在负荷与边界条件中存在对称性,所以,有限元分析建模时只用了一半(半个圆周的)基膜层与胶粘剂层。通过确定基膜分析中的特征值,得出引起基膜起皱的压力与剪切压力。

图10 根据分析模型和有限元分析预测的起皱压力的比较

图11 根据分析模型和有限元分析预测的起皱剪切应力的比较
图10与图11的结果是用下列材料特性和层厚得到的。
Ea—— 胶粘剂层的杨氏模量 = 10磅/平方英寸(0.069 MPa)
ta —— 胶粘剂层的厚度 = 0.1英寸(2.54 mm)
tb —— 基膜层的厚度 = 0.04英寸(1.02 mm)
vb —— 基膜的泊松比 = 0.4
r0 —— 钢管的外径 = 10英寸(0.254 m)
为了与起皱状况的分析建模保持一致,在有限元分析中,也假定胶粘剂的泊松比为零。
对于均匀的外部压力下的起皱状况,从图10 可见,在很宽的基膜刚度范围里,有限元模型分析结果与根据公式(3)预测的结果是相当符合的。对于均匀的剪切应力下的起皱状况,如图11所示,根据公式(4)所做的预测与有限元分析的结果呈现相同的变化趋势,虽然仅仅得到了起皱剪切应力的预测值合理符合的结果。尽管如此,依然认为用公式(4)评估基膜在均匀的剪切负荷下的状况是很有用的。

图12 基膜在均匀的外部压力下起皱的模式

图13 基膜在均匀的剪切负荷下最初的起皱模式
图12和图13所示是根据有限元分析得到的最初的褶皱(起皱)模式。在均匀的外部压力下,基膜层起皱,即沿着基膜整个圆周长度形成波纹长度和振幅始终一致的褶皱(图12)。然而,在均匀的剪切负荷下,如图13所示,基膜最初会发生局部起皱。随着剪切负荷的进一步增加,这个局部起皱区域会扩展开来(图中未展示更高的褶皱模式)。本文叙述的有限元分析结果全部局限于最初的褶皱,即基膜的起皱模式。

四、讨论小结
本文的目的是对埋地管道上热缩套和热缩带使用中遇到的基膜起皱问题有所认识。为了描绘基膜层与胶粘剂层的机械特性和厚度对热缩套和热缩带抗起皱能力的影响,开发了一个简单的机理模型,用于描述基膜的起皱状况。已经推导出的分析公式可以用于指导热缩套和热缩带的研发和选择,从而用适宜的防腐产品满足特定用途的要求。
起皱模型的分析结果表明,胶粘剂层的厚度和刚度对基膜起皱都有很大影响。较厚的胶粘剂层会降低基膜的抗起皱能力,基膜在管道上更容易起皱。另一方面,刚度较强的胶粘剂层会使基膜具有更强的抗起皱能力。无论如何,外部负荷随着胶粘剂层刚度的增加而增加,由此造成基膜的起皱,在外部压力下的这种基膜起皱问题比在剪切应力下的这种基膜起皱问题更为严重。
在我们实际遇到的基膜刚度范围内,增加基膜的刚度会降低外部压力引起的基膜起皱问题。另一方面,增加基膜的刚度会升高引起基膜起皱的剪切应力。较厚的基膜的抗起皱能力比较薄的基膜更强。
本文研究得出的总的结论是,与外部压力引起的起皱问题相比,在剪切负荷下基膜更容易起皱。因此,基膜受到剪切时比受到外部压力时更容易起皱。图14比较了分别处于均匀的外部压力和均匀的剪切应力下的热缩套和热缩带的抗起皱能力。由图14可以清楚地看出,基膜在外部压力下的抗起皱能力好于在剪切负荷下的抗起皱能力,所以,这将影响特定埋地管道负荷条件下热缩套和热缩带产品的选择决策。

图14 基膜分别在外部压力和剪切应力下的抗起皱能力比较
用有限元模型的分析结果已经确认了基于分析模型的起皱公式的相对实用性。对于在均匀的外部压力下的起皱状况,在很宽的基膜刚度范围内,有限元模型分析结果与起皱公式的预测结果良好符合。对于在均匀的剪切应力下的起皱状况,有限元模型分析结果与起皱公式的预测结果呈现相同的变化趋势,虽然仅仅得到了起皱剪切负荷的预测值合理符合的结果。因此,建议开展进一步的研究,改进用于预测剪切应力下基膜起皱的分析公式。

参考文献

(本文译自NACE C2012 0001297)