埋地管道热缩套起皱问题分析

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1、埋地管道热缩套起皱问题分析WrinklingofHeatShrinkableSleeves/TapesinBuriedpipelines作者：美国波音公司ShuGuo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

2、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，14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

3、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；（

4、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–145点钟位置以及7点钟–9点钟位置。在MattDabiri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

5、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。

6、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。14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

7、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14ta，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：1.1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

8、布的外部剪切应力下的弹性