内压荷载下扣压式接头管道的应力集中效应

接头（管道连接器）作为整个管网系统最重要的组成部分之一，在管网系统中占有重要位置，但接头又是整个管网系统中最薄弱的环节，理论而言整个管网系统中接头的数量越少，则管道服役可靠性越高［1］。金属管、带有增强层的非金属管等一般用卡箍式、卡爪式、螺栓法兰式等机械连接方式，不带增强层的非金属管还可采用热熔连接方式［2-3］。图7.1为浅层埋地油气用非金属管，其截面分为三层，内层为混合有金属粉末的PE层作为导静电层和内衬层，中间为抗内压HDPE层，外部为HDPE隔离层并兼顾一定抗外压性能。管段连接时需将管截面按从内至外的顺序加热至熔融状态并对接起来再冷却。该种连接方式施工方便且能保证连接处管道材料属性不变，具有很强的抗腐蚀和防泄漏性能。但对于金属管道，根据美国环保署公布的数据显示，全美半数以上使用金属管的加油站存在泄漏。面对越来越高的环保要求，我国也出台了相关标准规范，《汽车加油加气站设计与施工规范》（GB 50156—2012）规定，加油站输油管网应采用无缝钢管或热塑性管［4］，因此热塑性管在国内的普遍应用已成为不可逆转的趋势。但是其结构特点决定了它抗内压和外压性能一般。图7.1中为管径2英寸的非金属管，其抗内压性能仅为1.6 MPa，而相同口径的四层钢带缠绕增强复合管抗内压性能可达40 MPa以上，因此非金属管道一般只用于市区浅埋输油管网［5］。

图7.1　非金属管截面

图7.2　拉伸荷载下管道在接头连接处被拉断

对于采用机械连接方式的金属增强复合管，由于接头材料与增强层材料活泼性不同，连接部位可能会发生电化学腐蚀而导致管道提前破坏［6-7］。特别是对于钢带缠绕增强复合管，由于其非粘结性特点，服役期间外部环境介质或其输送介质可能会沿着扣压式接头的缝隙逐渐渗入增强层中形成电解液，从而加速腐蚀过程［8-10］。扣压式接头的刚度远大于管壁的刚度，当此处受到来自外界荷载作用时，接头和管道连接处会由于刚度差异导致位移不连续而产生破坏变形。如受到弯曲荷载时，此处会在弯曲半径大于管道最小弯曲半径（MBR）时发生局部屈曲而失效，铺管船中套在待铺设管道中的限弯器（bending stiffener）的作用即是用来限制管道发生局部屈曲［11-13］；当管道受到拉伸时，由于内外扣压式的接头结构限制了管壁的位移而导致靠近接头的管壁处更易成为破坏点，如图7.2所示，拉伸过程中管道在接头连接处逐渐发生颈缩并逐渐被拉断。(https://www.xing528.com)

带有扣压式接头的钢带缠绕增强复合管由于接头刚度远大于管壁刚度，因此在内压荷载下管壁发生径向膨胀时，靠近接头部位的管壁实际变形处于不连续状态，管壁的径向变形量会随着其轴向位置（与接头之间的轴向距离）的改变而改变。靠近接头部位的管壁受到扣压式接头的约束，管壁径向变形量趋近于0；远离接头，约束逐渐放松，管壁径向变形量逐渐恢复。即存在因管壁径向变形不连续而导致的应力集中效应，存在某点在内压荷载下该点的变形量最大，该点处增强层上应变最大，亦最易破坏。

钢带缠绕增强复合管内压测试显示，部分情形下爆破点位于管道中间部位；部分情形下爆破点位于靠近接头部位，在此情形下可认为接头所引起的应力集中效应影响了管道的整体变形状态，进而影响了管道的破坏特性。针对第二种情形，本章拟采用薄壁壳理论推导在内压荷载下靠近接头部位的管壁增强层的位移-应变表达式，并分析应力集中效应对管道强度的影响。