城镇燃气聚乙烯管道热氧老化规律的试验设计研究

发布时间：2017-09-08 08:01

  本文关键词：城镇燃气聚乙烯管道热氧老化规律的试验设计研究

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【摘要】：我国自上世纪80年代开始在城市燃气管道中使用聚乙烯(PE)管道,在90年代中期大量使用,迄今已逾30年。经过长期的试验、研究和推广,聚乙烯管道以其使用寿命长(可达50年)、耐腐蚀、较好的柔韧性(抗震和适应沉降)、重量较轻、连接方便等优势,已经在中低压燃气管网中取代了过去的传统管材如钢管、铸铁管等的地位,成为《城镇燃气设计规范》(GB50028-2006)的首选管材,并在高压燃气管道中也逐步开始应用。聚乙烯管道的使用情况也成为了衡量一个地区燃气技术水平的指标之一,到2005年聚乙烯管道在中低压管网建设的使用比例已经达到50%。然而PE管材毕竟属于一种有机材料,其老化问题不可避免。一旦发生破裂导致爆炸发生,将会造成城镇地区巨大的人身伤害及经济损失。因此,对于PE管材老化规律的研究具有巨大的经济价值及工程价值。到目前为止,国内外对承压燃气聚乙烯管道的老化规律研究还不完善。本文研究对象是我国城镇聚乙烯管道主要使用的PE100及PE80管道材料,基于热氧加速老化方法,在自行搭建的热氧加速老化实验模拟实验平台上开展相关实验研究。主要研究不同老化时间、不同内压对PE100及PE80管道材料的老化规律。拉伸试验研究表明热氧老化PE试件的拉伸力学性能随着老化时间及压力的增加而逐步减弱,在加热温度及压力较低时,管材性能变化较慢,但随着温度及压力的逐步增加,聚乙烯管材稳定性发生明显变化。温度每升高10度,其性能成几何状减弱。并利用动力学曲线直线化法将数据进行拟合分析,分别提出了承压和无压PE管道的热氧老化规律预测模型,数据吻合良好,验证热氧加速老化实验模型的正确性,结果表明,燃气PE管道的拉伸力学性能随着热氧老化温度、压力、时间明显变化,断裂点载荷发生剧烈变化。承压燃气PE管寿命低于无压PE管道寿命,当试验压力0.1MPa时寿命减少9.6%。熔体流动速率(MFR)试验研究表明PE试件性能随着热氧老化的温度、时间的变化而发生明显变化,其性能变化参数作为评判试验管材是否老化的指标之一。并将数据进行整理分析,对比老化前后材料性能变化趋势,可看出压力越大,熔体流动速率越大,温度越高,熔体流动速率越大,验证热氧加速老化实验的正确性。差热分析法(DSC)试验研究表明随着热氧老化PE试件的温度、时间的变化而发生明显变化,其性能变化参数作为评判试验管材是否老化的指标之一。并将数据进行整理分析,对比老化前后材料性能变化趋势,可以看出随着实验压力的增加,温度的增加,材料的氧化诱导期明显缩短,表明稳定性下降,压力及温度对于聚乙烯管材的稳定性成负相关的作用,从而验证热氧加速老化实验的正确性。本文的研究结果可用于指导工程聚乙烯管道的剩余寿命评价及处理。
【关键词】：聚乙烯管道 热氧老化 实验研究 寿命预测
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU996.7;TQ325.12
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 1 引言13-25
• 1.1 研究背景及意义13-15
• 1.2 问题的提出15-17
• 1.3 国内外研究进展17-22
• 1.3.1 国外研究进展17-19
• 1.3.2 国内研究进展19-21
• 1.3.3 存在的问题21-22
• 1.4 研究难点22-23
• 1.5 研究内容23-25
• 2 热氧加速老化的相关理论25-41
• 2.1 阿仑尼乌斯定律25-26
• 2.1.1 阿仑尼乌斯的产生25
• 2.1.2 阿仑公式的几种数学表示形式及意义25-26
• 2.2 活化能26-31
• 2.2.1 定义26-27
• 2.2.2 经验活化能27-29
• 2.2.3 活化能的本质29-30
• 2.2.4 经验活化能与温度的关系30-31
• 2.3 加速老化试验31-32
• 2.4 聚乙烯材料老化机理32-37
• 2.4.1 自由基反应机理32-33
• 2.4.2 老化机理33-34
• 2.4.3 红外光谱对老化的影响34-35
• 2.4.4 熔体流动速率法35-36
• 2.4.5 寿命预测方法36-37
• 2.5 聚乙烯管材实验37-40
• 2.5.1 力学性能的研究37-38
• 2.5.2 红外光谱分析38-39
• 2.5.3 熔体流动速率实验39
• 2.5.4 差热分析(DSC)实验39-40
• 2.6 本章小结40-41
• 3 寿命预测模型老化实验设计41-51
• 3.1 实验设计思路41-43
• 3.1.1 研究的原因41
• 3.1.2 实验目的41-42
• 3.1.3 实验参数及测量设备42
• 3.1.4 实验方案设计42-43
• 3.2 实验装置与工作原理43-47
• 3.2.1 实验平台设计原理43-45
• 3.2.2 实验装置介绍45-46
• 3.2.3 实验装置工作原理46-47
• 3.3 实验方案设计47-48
• 3.3.1 老化实验研究47-48
• 3.3.2 热氧加速老化实验48
• 3.4 本章小结48-51
• 4 老化试件相关性能分析(力学、熔体流动速率及差热分析实验)51-63
• 4.1 力学性能测试实验(拉伸力学试验及条件)51-54
• 4.1.1 拉伸试验结果分析51-54
• 4.2 熔体流动速率分析实验54-59
• 4.2.1 实验材料及实验仪器54-55
• 4.2.2 实验条件55
• 4.2.3 实验步骤55-56
• 4.2.4 实验结果及讨论56-59
• 4.3 差热分析法分析59-61
• 4.3.1 实验介绍59-60
• 4.3.2 实验方法60-61
• 4.4 本章小结61-63
• 5 寿命预测分析63-69
• 5.1 聚乙烯材料的寿命预测方法63
• 5.2 0.1MPa下PE管材的寿命预测63-65
• 5.3 无压力下PE管材的寿命预测65-67
• 5.4 本章小结67-69
• 6 结论与展望69-71
• 6.1 结论69-70
• 6.2 展望70-71
• 参考文献71-75
• 索引75-77
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果77-81
• 学位论文数据集81

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本文编号：812821