2019年耐慢速裂纹扩展.doc

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SCGT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SCGI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IS016770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勺慢速裂纹扩展数据，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FNC实验表明，管材的SC航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，本文采用粘弹性的幕律本构关系模型对其SCGJ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PE8C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PEN和FNC试样SC啲第一阶段，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勺SCGT为进行预测关键词：慢速裂纹扩展；聚乙烯；粘弹性；有限元；蠕变ABSTRACTPolyethylenepipeshavemoreadvantagesthanmetalpipes，SOtheyarewidelyusedingasfield．Consequently，safetyofPEpipesinserviceisquiteimportant．HoweverSlowCrackGrowth(SCG)isrecognizedasoneofthemajorconcernsforpolyethylenepipes．Weldingjointandscratcharenotavoidedinservice．SoresearchonresistancetoSCGofPEpipesandpredictpipelifetimeisoneofmosteffectivemethodstopretendcatastrophicfailure．Inordertoreducetesttimeandobservethecrackgrowthconveniently,FullNotchedCrackTestischoosed．ThepreparationofsampleandtheprocedureisbasedonISOI6770．AlsopreviousdatarequiredfromPennsylvaniaNotchedTestisusedtOhelpobtainthecreepparameterswhichisbased0nASTMF1473．CreepfractureismicromechanismofSCGSOcreepperformanceofnon-notchedspecimentistestedatrequiredtemperature．Basedonbasiccreepperformance，SCGofweldingjointandparentmaterialisanalyzedqualitativelyaccordingtoviscoelastictheory．Alsocrackgrowthrateisdeducedaccordingtolocalenergycriterion．Itshowsthatcrackofjointgrowsfasterthanparentmaterial．AnewmethodologydevelopedbyNormanisusedtopredictthelifetimeofin--servivePEpipesfromshort••timelaboratorytestTheresultofFNCTdemonstratesthatstresscrackresistanceofparentmaterialisgreaterthanjoint．Theprimarycreepaccountsfor40percentofthewholecreepprocess，SOcrazedamageandviscoelasticbehaviorduringprimarycreeparethedominantfactorsofpredictingandevaluatingmaterialcharacteristic．Basedonpowerlawconstitutiveequation，finiteelementmethod(FEM)isusedtoanalyzethestressandstraindistributionofcracktipthatishelpfultounderstandthemotivationofcrackpropagation．Alsothestress—dependentfactorandfractureparametersareobtainedbyFEManalysis．TheresultindicatesthatperformanceofPE80isdependentonstress．creepcomplianceisdifferentatdifferentstress．Mostofall，CODprimarybehaviorofFNCTiSpredicted．KEYWOR：DSslowcrackgrowth，polyethylene，viscoelasticity,FEM，Creep第一章绪论1．1引言由于聚乙烯(PE)管材与金属材料相比具有密度低，强度与质量比高，脆化温度低，韧性好，耐腐蚀、绝缘性能好，易于施工和安装等特点，已经被广泛用于市政和建筑给排水，燃气供热采暖，农业灌溉和矿山矿物输送等领域。

尤其是燃气领域，相应的国家一系列标准的推出，加速了我国燃气管网“以塑代钢”的进程过去燃气管道主要是金属管道，但是金属管道容易腐蚀，服役时间短，甚至一个很小的缺陷，都会成为失效的隐患因此为了延长金属管道的服役期，通常需要表面镀保护层，但是这样增加了商业成本而聚乙烯管道更高的抗腐蚀能力，以及低的安装成本，使得在燃气领域聚乙烯管网代替金属管网成为本世纪的必然趋势国外对塑料管用于燃气输配管经历了长期的研究探索与应用实践．在对多种塑料管，如：ABSPB(聚丁烯)、PEPVCCAB醋酸一丁酸纤维素)的应用进行比较后，认为聚乙烯管无论在材料的综合性能上，还是从对工程要求的适应性等方面，是目前比较理想燃气用管近几年，世界上许多国家均已普遍使用了聚乙烯燃气管，PE管材成为继聚氯乙烯(PVC)管材之后，消耗量居世界第二位的塑料管材制品【J燃气管道作为能源输送系统，一旦出现质量问题，会直接影响到人们的日常生活，尤其是燃气的泄漏，会产生爆炸的危险实验和应用表明，聚乙烯管道的失效比如泄露大多数都是由于管材在承受长期内压情况下发生裂纹扩展造成的，慢速裂纹扩展(SCG)就是造成失效后果最为严重的一种【3】焊接接头和管道表面的划痕是造成慢速裂纹扩展的最主要因素，但是不可避免。

因此研究材料固有的SCG(SlowCrackGrowth)抗力以及精确预测管道的寿命是避免灾难性的破坏发生是最有效的方法1．2聚乙烯管道的应用与发展1．2．1塑料管道的发展塑料管道因其重量轻、耐腐蚀、水流损失小、安装方便等特点受到了管道工程界的青睐在国外，塑料管材不断替代金属或其他传统材料的管材，发展十分迅速从1980"-"1990年的十年中除塑料管以外，其他各种材料的管材增长速率总和还不足2％但塑料管的增长率却是其他各种管材增长率的总和的4倍，达8％进入90年代，塑料管的需求仍以每年4．2％的速率增长，其产值大约以每年8％的速率递增美国是世界上科技最为发达的国家之一，塑料管道发展起步早，发展比较成熟所以，美国塑料管道的发展及应用情况基本上代表了各个发达国家的水平表卜I美国管道应用分布管道用途管道类型室内供水管道室内排水管道室内灌溉管道市政供水管道市政排水管道燃气管道PVCU管、CPV管、PEX管以及铝塑复合管等ABS管、PVC□管等PVC-UtPVCUt、PEtPVCUt、双壁波纹管PEt从表1-1可知，PVC□管道在美国是发展最为成熟的塑料管道，其应用范围仍然囊括了所有给排水系统|4J。

但是近些年来，全世界范围内由于聚乙烯管材用料的技术的进步，PET的发展速度大大高于其他类型的塑料管道，例如像PV（其发展速度也呈下降趋势欧美国家普遍认为：PEf最终将取代PVC一方面是由于聚乙烯具有比聚氯乙烯更好的韧性和抗慢速裂纹能力，所以在这种对性能有较高要求的场合，比如燃气的输送，PB被大量使用另一方面是由于PVC目前在欧洲面临着环保与卫生性能的双重压力15】在美国现在同样遇到旧管网的修复问题，PEI道由于在非开挖技术上面的独到的优点而有广泛的应用前景因此，聚乙烯管材已成为继PV（之后，世界上消费量第二大的塑料管材管道品种122聚乙烯管道发展及应用聚乙烯管材料的发展，经历了以下三个发展阶段第一阶段，是指低密度聚乙烯和一些高密度聚乙烯，相当于PE6：及PE3或的聚乙烯管材料，性能较差第二阶段，是20世纪60年代末期出现的被称为PE8（级高、中密度聚乙烯管材料该材料具有较高的长期静液压强度和优异的抵抗慢速裂纹扩展能力PE8C级管材料的出现，很快占领了国外供水管和燃气管的市场例如在美国，1960年铺设聚乙烯燃气管仅1000km，占燃气管总铺设里程的0.1%,1970年后新铺设燃气管中90%都采用聚乙烯管。

英国则早在1991年4月之前，就已经用MDP管铺设了185000km直径为16.500mr的燃气管线，并且从1991年开始，每年95%的燃气管的支管配线和90%的主管线都用聚乙烯管铺设第三阶段，是20世纪80年代末出现的被称为第三代的聚乙烯管材专用料PEl00该材料的分子质量分布呈双峰型，结构与第二代PE8C级聚乙烯树脂显著不同，不但具有优异的抵抗慢速裂纹扩展能力，在抵抗快速裂纹增长方面更是表现出良好的性能第三代聚乙烯材料PE10（是特定的二元分布管道树脂，其结构特点是精细地控制了分子量分布和组成分布，高分子量级分和低分子量级分各占约一半高分子量级分含有共聚单体，生成大量把片晶连起来的连接分子，提供了很高的长期强度和快速开裂裂纹增长阻力分子量低的级分是均聚物，保证了树脂有高的结晶度和刚性，熔融时起到内加工助剂的作用，使PE容体在高的剪切率时有低黏度，从而提供了好的可加工性而且近年来又开发出第四代PE原料PE125但目前还未进入工业化生产在欧美，聚乙烯燃气管非常普及，美国、英国、丹麦燃气管道己基本采用HDP和MDPE用量己超过90%，比利时、法国也在65%以上，其它西欧国家也在大量使用日本也在用HDP管代替钢管铺设低压燃气管线以提高抗震性并降低工程造价。

尤其是近年来，随着国际上对聚乙烯管材研究的不断进步，材料的性能不断提高和改进，更加增强了聚乙烯管的竞争优势，拓宽了聚乙烯管的应用领域聚乙烯管材现已成功应用于压力管线近54年的事实，更使得聚乙烯管成为供水和燃。