聚乙烯管道慢速裂纹扩展的粘弹性行为研究

论文摘要

由于聚乙烯管道有着金属管道无可比拟的优越性,目前已被广泛的应用于输送燃气领域。对于燃气这种危险的领域保证管道服役过程中的安全性以及延长管道的寿命显得尤为重要。慢速裂纹扩展(SCG)被认为是造成聚乙烯管道失效,影响管道寿命最重要的隐患之一。焊接接头以及管道安装过程中的划痕往往成为慢速裂纹扩展的敏感区。而焊接和划痕是工程中不可避免的,因此研究管道的SCG行为以及准确预测管道寿命成为避免灾难性危害发生必要的手段。本文通过合理的分析和对比,为了在有效的实验时间内可以得到明显的SCG特征,根据标准ISO16770选择全切口蠕变拉伸实验(FNCT)。蠕变断裂是慢速裂纹扩展的微观机制,因此本文首先根据标准ISO16770的实验温度,进行了无缺口的蠕变实验,确定了材料本身的蠕变性能。利用得到的蠕变实验参数,结合PENT的慢速裂纹扩展数据,根据粘弹性断裂力学理论对焊接接头和管材慢速裂纹扩展的孕育期,即第一阶段的银纹损伤进行了定性分析。利用裂尖局部能量判据求得了裂纹扩展速率,验证了焊缝的裂纹扩展速率大于管材,并将实验的数据应用到实际中,预测了管道的服役寿命。FNCT实验表明,管材的SCG抗力远远的大于焊缝。焊缝切口尖端的起裂时间占整体断裂时间的40%,对试样的整体失效寿命起着决定性的作用。因此研究慢速裂纹扩展初期的银纹损伤及裂尖的粘弹性行为成为预测和判断管道性能必须的部分。根据聚乙烯的粘弹性特征,即时间相关性和应力相关性,本文采用粘弹性的幂律本构关系模型对其SCG过程的初期蠕变行为进行数值模拟。通过模拟结果和实验数据的对比,确定了聚乙烯的应力相关因子即蠕变本构模型中的未知参量,证实了PE80管道具有很强的应力相关性,即在不同应力水平下的蠕变行为不同。同时模拟了PENT和FNCT试样SCG的第一阶段,得到了裂纹扩展初期的应力场和应变场分布。通过有限元模拟结果和实验结果的对比,说明了有限元可以有效地分析蠕变历程,并对FNCT的SCG行为进行预测。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 聚乙烯管道的应用与发展
• 1.2.1 塑料管道的发展
• 1.2.2 聚乙烯管道发展及应用
• 1.3 聚乙烯管材的力学性能
• 1.4 慢速裂纹扩展的实验方法概述
• 1.4.1 常用的SCG实验方法
• 1.4.2 实验方法的选择
• 1.5 本文的研究内容及技术路线
• 1.5.1 本文的研究内容
• 1.5.2 本文的技术路线
• 第二章 SCG实验准备
• 2.1 试样的制备
• 2.1.1 蠕变及拉伸实验取样
• 2.1.2 SCG实验取样
• 2.2 聚乙烯试样的力学性能实验
• 2.2.1 实验设备
• 2.2.2 实验条件及结果
• 2.3 FNCT实验方案的制定
• 2.4 FNCT试样尺寸及实验载荷选择的依据
• 2.4.1 粘弹性材料中的应力强度因子
• 2.4.2 FNCT试样的应力强度因子
• 2.5 PENT的实验描述
• 第三章 SCG实验结果分析
• 3.1 应力开裂机理
• 3.1.1 Lustiger微观模型
• 3.1.2 银纹
• 3.1.3 环境应力开裂
• 3.1.4 疲劳应力开裂
• 3.2 慢速裂纹的微观扩展过程
• 3.3 实验结果分析
• 3.3.1 焊缝和管材COD行为的细观动力学分析
• 3.3.2 银纹生长速度的求解
• 3.3.3 FNCT实验结果分析
• 3.4 聚乙烯管道的寿命预测
• 3.5 小结
• 第四章 蠕变本构方程的确定及有限元分析
• 4.1 蠕变本构方程的获得
• 4.1.1 几种主要的一维蠕变理论
• 4.1.2 聚乙烯蠕变方程参数确定
• 4.2 有限元分析
• 4.2.1 裂纹几何形状的基本假设
• 4.2.2 计算模型的建立
• 4.2.3 模型精确度的验证
• 4.3 计算结果分析
• 4.4 FNCT实验有限元模拟
• 4.4.1 FNCT计算结果
• 4.4.2 FNCT计算结果分析
• 4.5 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢