PE100管裂纹扩展行为研究及寿命预测

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1、分类号：密级：____________________UDC：编号：____________________河北工业大学硕士学位论文PE100管裂纹扩展行为研究及寿命预测论文作者：李海静学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：化工过程机械指导教师：高炳军职称：教授DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofChemicalProcessEquipmentCRACKGROWTHBEHAVIOERSTUDYANDLIFETIMEASSESSMENTOFPE10

2、0PIPESByLiHaijingSupervisor:Prof.GaoBingjunMay2016摘要自20世纪50年代开始，聚乙烯（PE）压力管道凭借其良好性能在燃气输送、给水、排污、农业灌溉、矿山沙浆输送以及油田、化工等管道工程领域得到了广泛应用，这便要求PE管道在使用中具有足够的安全性和使用寿命。蠕变裂纹增长(CCG)亦称慢速裂纹增长（SCG）失效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。实际使用中，PE管常采用电熔和热熔连接，焊接接头缺陷和管道安装过程中的划痕成为裂纹萌生及扩展的敏感区，并对管道在一定期限内的安全使用造成严重

3、影响。因此深入了解PE材料母材及其焊接区域的裂纹扩展行为对保证PE管的安全使用至关重要。本文根据GB/T8804-2003对PE100材料的母材及焊接区进行拉伸试验，测定了材料两区域的的屈服应力σy、断裂伸长率Δ和弹性模量E，并分析了焊接对材料这些性质的影响。试验表明，焊接对PE100材料的屈服应力和弹性模量E影响较小，但焊接区塑性变形能力比母材区差，其断裂伸长率大约是母材区的17.03%。根据ISO18489-2015标准，采用预制裂纹圆棒（CRB）试验法，在不同应力比R及初始应力强度因子Kmax下，对材料母材区及焊接区进行疲劳试验，测定了不同载荷

4、参数及焊接对其裂纹扩展的影响。基于CRB试验外推预测材料母材区及焊接区的蠕变寿命，外推结果表明，在规定使用年限50年内，PE100母材区允许的最大初始缺陷值为K0.50.5max=0.60MPam，焊接区为Kmax=0.56MPam，焊接区比母材区小约6.7%；相同初始缺陷值Kmax下，蠕变寿命焊接区比母材区降低约37.71%~48.19%。借助扫描电镜（SEM）观察断面形貌，对比分析焊接对材料抗裂纹扩展能力的影响，并指出造成母材区和焊接区寿命差异的原因。分析表明，焊接引入了微孔洞和微球晶缺陷，并使材料纤维坚韧程度降低，导致焊接区抗裂性能下降。关键词

5、：PE100，焊接影响，CRB，疲劳裂纹扩展，蠕变寿命预测，SEM断面分析IIABSTRACTSince1950s,pressurizedpolyethylene(PE)pipeshasbeenwidelyappliedintogasandwatersupply,drainage,irrigation,minesmortarconveying,oilandchemicalpipingsystemduetoitsgoodperformanceinthesefields.Thussafetyandenoughservinglifebecomeveryim

6、portantcharactersofPEpipes.MostofPEpipesaredamagedbyCreepCrackGrowth(CCG),alsocalledSlowCrackGrowth(SCG).Inpractical,weldingprocessisemployedfrequently,makingtheweldingjointsandsurfacescratchesbecomethemostdangerousareaofcrackinitiationandcrackgrowth,andputunnegligibledegradati

7、ononPEpipesservinglife.SoitisessentialtohavedetailedstudyincrackgrowthbehaviorofparentandweldedPEpipes.AccordingtoGB/T8804-2003,tensiletestwereappliedonparentandweldedPE100todeterminetheyieldstressσy,elongationatbreakΔandelasticmodulusEofthematerial,andtheweldingeffectalsobedis

8、cussed.TestsshowthatweldinghaslittleinfluenceonσyandE,