聚乙烯管材拉伸应变硬化行为与管道强度失效分析
发布时间：2020-12-27 19:14
以塑代钢符合国家可持续发展战略的需求,相比传统的金属管道,聚乙烯（PE）管道因具有耐化学腐蚀、易施工、易维护及使用寿命长等优点,广泛应用于供水、供燃气和油气输送工程等国家重要生命线工程。PE燃气管等压力管道的设计寿命要求50年以上,在服役过程中,长期承受内压作用,慢速裂纹扩展（SCG）是其失效的主导机制,影响管道服役寿命;同时,PE压力管道通常被埋置在地下,地下水的过量抽取和地震等引起的地基不均匀沉降会引发管道附加变形,甚至导致管道失效与破坏,从而危及人民的生命与财产安全。因此,对PE压力管道材料耐SCG性能的正确评价和管道安全服役行为的有效评估具有重要的学术价值和工程指导意义。本文的主要研究内容与结论如下:（1）PE管材的应变硬化模量测试与耐SCG性能评估。详述了PE管材耐SCG性能加速评价的应变硬化模量法。依据国际标准ISO18488,制备4种PE100和1种PE100-RC级管材专用料的标准试样,对试样进行不同应变率下的恒温拉伸测试,分析其应变硬化行为,得到应变硬化模量。基于应变硬化模量对上述5种PE管材进行耐SCG性能评估,并探讨了温度与拉伸速率对应变硬化模量的影响。结果表明,...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
聚乙烯管道失效模式示意图
高度取向的银纹微纤及微纤间的空洞组成的网络状结构，银纹化是高分子材料所具有的一种损伤现象，是一种材料空洞化和微纤化并存的过程[9-11]。在应力的作用下，裂纹尖端前方的银纹区形成剪切带或诱发产生新的银纹，进而促使银纹区的生长[12]。当银纹区生长达到临界条件时，银纹微纤的相继断裂形成新的裂纹，裂尖穿过桥联区向前扩展，如此重复的过程就构成了典型的 SCG 过程。PE 压力管道的 SCG 过程实际上是裂尖银纹引发→银纹生长→微纤断裂→裂纹扩展的不连续重复过程[13]，如图 1.2 所示。由于 PE 压力管道在服役过程中其工作应力基本上是恒定的，从本质上来讲，其破坏表现为蠕变失效，细观层次的失效机理在于银纹化蠕变损伤及其演化。
最终宏观上引起管材发生脆性破坏（如图 1.3（d）所示）[17]。图 1.3 聚乙烯晶态结构示意图1.3 长期静液压强度PE 管材作为一种黏弹性材料，其强度是关于时间的函数。一般而言，我们所做的短期力学试验只能得到当前的力学性能参数，很难对在服役过程中管材的长期力学性能及管道剩余寿命进行预测，而长期静液压强度为解决这个问题提供了可靠的方法。PE 压力管道的耐静液压性能反映了管道长期承受内压的能力，故对管材的寿命预测提供了依据。长期静液压试验的目的是测试管材的长期静液压强度（MRS），一般是以 20℃下 50 年寿命来定义长期静液压强度，即温度 T为 20℃，寿命达到 50 年的 97.5%置信下限时的平均环向应力就是管材的长期静液压强度，PE 管材的等级定义为 MRS 的 10 倍。如表 1.1 所示：表 1.1 PE 管材的等级命名[18]LPL范围/MPa MRS(50y、20℃)/MPa 材料等级命名10.00~11.19 10 PE1008.00~9.99 8 PE806.30~7.99 6.3 PE634.00~4.99 4 PE403.15~3.99 3.2 PE32试验所得到的 MRS 值是 PE 管材安全设计和应用的必要条件，按照 MRS 的定义
【参考文献】：
期刊论文
[1]应变硬化模量评价聚乙烯管材专用料SCG性能方法研究[J]. 朱天戈,杨化浩,武鹏,者东梅. 塑料工业. 2018(05)
[2]基于应变硬化与微观结构相关性的PE管材耐慢速裂纹扩展性能研究[J]. 陈国华,黄晓之,李茂东,杨波,王志刚,翟伟. 塑料工业. 2018(05)
[3]地层沉陷过程中埋地高密度聚乙烯(HDPE)管道力学行为研究[J]. 周敏,杜延军,王非,尤佺,董冬冬. 岩石力学与工程学报. 2017(S2)
[4]聚乙烯(PE)管材的应用现状及发展趋势[J]. 邓杰义,仇文辉. 广东化工. 2017(13)
[5]PE燃气管道力学失效模式分析[J]. 朱荣全,阮艳灵,秦立臣,秦亚辉. 化学工程与装备. 2017(03)
[6]聚乙烯燃气管道安全质量控制与城市公共安全[J]. 李茂东,吴文栋,涂欣,林金梅. 化工设备与管道. 2013(04)
[7]应变率对混凝土动态强度性能影响的研究进展[J]. 刘鹏,关萍,王怀亮. 大连大学学报. 2009(06)
[8]高密度聚乙烯检查井结构设计研究[J]. 赵远清. 特种结构. 2008(01)
[9]聚乙烯(PE100)给水管材在工程上的应用[J]. 黎东升. 广西城镇建设. 2004(07)
[10]受载高聚物裂尖的损伤和银纹化[J]. 罗文波,杨挺青. 力学学报. 2003(05)
硕士论文
[1]高等级聚乙烯管材料的结构与性能研究[D]. 查晓娟.华东理工大学 2018
[2]含缺陷燃气聚乙烯管道的安全评定数值分析[D]. 左建东.北京交通大学 2017
[3]地基沉陷引起地下PE管道变形破坏的试验与分析[D]. 陈志磊.太原理工大学 2013
[4]典型复杂载荷条件下埋地聚乙烯管强度的数值模拟[D]. 马津津.浙江大学 2013
本文编号：2942323
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
聚乙烯管道失效模式示意图
高度取向的银纹微纤及微纤间的空洞组成的网络状结构，银纹化是高分子材料所具有的一种损伤现象，是一种材料空洞化和微纤化并存的过程[9-11]。在应力的作用下，裂纹尖端前方的银纹区形成剪切带或诱发产生新的银纹，进而促使银纹区的生长[12]。当银纹区生长达到临界条件时，银纹微纤的相继断裂形成新的裂纹，裂尖穿过桥联区向前扩展，如此重复的过程就构成了典型的 SCG 过程。PE 压力管道的 SCG 过程实际上是裂尖银纹引发→银纹生长→微纤断裂→裂纹扩展的不连续重复过程[13]，如图 1.2 所示。由于 PE 压力管道在服役过程中其工作应力基本上是恒定的，从本质上来讲，其破坏表现为蠕变失效，细观层次的失效机理在于银纹化蠕变损伤及其演化。
最终宏观上引起管材发生脆性破坏（如图 1.3（d）所示）[17]。图 1.3 聚乙烯晶态结构示意图1.3 长期静液压强度PE 管材作为一种黏弹性材料，其强度是关于时间的函数。一般而言，我们所做的短期力学试验只能得到当前的力学性能参数，很难对在服役过程中管材的长期力学性能及管道剩余寿命进行预测，而长期静液压强度为解决这个问题提供了可靠的方法。PE 压力管道的耐静液压性能反映了管道长期承受内压的能力，故对管材的寿命预测提供了依据。长期静液压试验的目的是测试管材的长期静液压强度（MRS），一般是以 20℃下 50 年寿命来定义长期静液压强度，即温度 T为 20℃，寿命达到 50 年的 97.5%置信下限时的平均环向应力就是管材的长期静液压强度，PE 管材的等级定义为 MRS 的 10 倍。如表 1.1 所示：表 1.1 PE 管材的等级命名[18]LPL范围/MPa MRS(50y、20℃)/MPa 材料等级命名10.00~11.19 10 PE1008.00~9.99 8 PE806.30~7.99 6.3 PE634.00~4.99 4 PE403.15~3.99 3.2 PE32试验所得到的 MRS 值是 PE 管材安全设计和应用的必要条件，按照 MRS 的定义
【参考文献】：
期刊论文
[1]应变硬化模量评价聚乙烯管材专用料SCG性能方法研究[J]. 朱天戈,杨化浩,武鹏,者东梅. 塑料工业. 2018(05)
[2]基于应变硬化与微观结构相关性的PE管材耐慢速裂纹扩展性能研究[J]. 陈国华,黄晓之,李茂东,杨波,王志刚,翟伟. 塑料工业. 2018(05)
[3]地层沉陷过程中埋地高密度聚乙烯(HDPE)管道力学行为研究[J]. 周敏,杜延军,王非,尤佺,董冬冬. 岩石力学与工程学报. 2017(S2)
[4]聚乙烯(PE)管材的应用现状及发展趋势[J]. 邓杰义,仇文辉. 广东化工. 2017(13)
[5]PE燃气管道力学失效模式分析[J]. 朱荣全,阮艳灵,秦立臣,秦亚辉. 化学工程与装备. 2017(03)
[6]聚乙烯燃气管道安全质量控制与城市公共安全[J]. 李茂东,吴文栋,涂欣,林金梅. 化工设备与管道. 2013(04)
[7]应变率对混凝土动态强度性能影响的研究进展[J]. 刘鹏,关萍,王怀亮. 大连大学学报. 2009(06)
[8]高密度聚乙烯检查井结构设计研究[J]. 赵远清. 特种结构. 2008(01)
[9]聚乙烯(PE100)给水管材在工程上的应用[J]. 黎东升. 广西城镇建设. 2004(07)
[10]受载高聚物裂尖的损伤和银纹化[J]. 罗文波,杨挺青. 力学学报. 2003(05)
硕士论文
[1]高等级聚乙烯管材料的结构与性能研究[D]. 查晓娟.华东理工大学 2018
[2]含缺陷燃气聚乙烯管道的安全评定数值分析[D]. 左建东.北京交通大学 2017
[3]地基沉陷引起地下PE管道变形破坏的试验与分析[D]. 陈志磊.太原理工大学 2013
[4]典型复杂载荷条件下埋地聚乙烯管强度的数值模拟[D]. 马津津.浙江大学 2013
本文编号：2942323
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hxgylw/2942323.html
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