pe管材蠕变裂纹增长规律的研究

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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PE管材蠕变裂纹增长规律的研究论文作者：杜招鑫学生类别：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DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofChemicalProcessEquipmentSTUDYONTHECREEPCRACKGROWTHBEHAVIOROFPEPIPE

2、SByDuZhaoxinSupervisor:Prof.GaoBingjunMay2017摘要聚乙烯（PE）压力管道凭借其良好的力学性能在燃气输送、生活供水、排污、农业灌溉、矿山沙浆输送以及工业生产的管道工程领域得到了广泛应用。PE管道的设计寿命一般为50年，在服役过程中，PE管道可能会发生泄漏和破坏，其典型的失效模式可以分为三种，韧性失效、类脆性失效和脆性失效。蠕变裂纹增长(CCG)亦称慢速裂纹增长(SCG)，是造成聚乙烯管道失效、影响管道服役寿命的重要因素之一。实际应用时，PE管材的连接常采用电熔焊接或热熔焊接，

3、焊接接头位置的缺陷和管道安装过程中造成的擦伤，都会成为裂纹萌生和扩展的源头，影响PE管材在服役过程中的安全使用，对人民的生活和工业生产造成威胁。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管材的安全使用至关重要。本文根据GB/T8804-2003在不同拉伸速率下对PE100材料的母材及焊缝进行拉伸试验，得到了PE母材和焊缝的屈服强度σy、断裂伸长率εf和弹性模量E随拉伸速率的变化规律，并分析了焊接对材料性能的影响。结果表明，随着拉伸速率的增加，屈服强度逐渐增大，断裂伸长率逐渐减小，而弹性模量也逐渐增大

4、，且带焊缝试样的屈服强度、断裂伸长率和弹性模量均小于母材试样，说明焊缝区的力学性能不如母材的力学性能，其塑性变形能力比母材要差。根据ISO18489-2015标准，采用预制裂纹圆棒(CRB)试验方法，在不同应力比R及初始应力强度因子KI,max下，对材料母材区及焊缝区进行疲劳试验。基于CRB试样柔度法计算得到不同应力比R及应力强度因子KI,max下的裂纹扩展速率，并通过外推法得到R=1时的裂纹增长规律。对于PE管内壁轴向及环向裂纹，假定了裂纹前缘具有近似相同应力强度因子的裂纹形状作为裂纹扩展过程中应具有的形状。以PE

5、管局部塑性垮塌为依据确定一定载荷下裂纹的极限尺寸。利用PE管母材和焊缝的蠕变裂纹扩展速率，计算了不同初始裂纹深度下PE管的剩余寿命，确定了满足50年服役寿命时PE管材允许的最大初始裂纹深度。结果表明，本文所用的PE100管母材最大允许内壁轴向裂纹的相对深度为0.016，此时所对应的应力强度因子值为0.20MPa·m0.5，最大允许内壁环向裂纹的相对深度为0.124，所对应的应力强度因子值为0.26MPa·m0.5；PE100管材焊缝的最大允许内壁环向裂纹的相对深度为0.105，所对应的应力强度因子值为0.24MPa·

6、m0.5。关键词：PE100管材，CRB试样，蠕变裂纹增长，裂纹，剩余寿命评价ABSTRACTPolyethylene(PE)pipeshasbeenwidelyappliedintogasandwatersupply,minesmortarconveying,drainage,irrigationandchemicalpipingsystem.Thelifetimerequirementsforwaterandgaspipesisroughly50years,aninvestigationrevealsthatma

7、nyPEpipesfailedduringsurvicetime.Creepcrackgrowth(CCG)isoneofthemostimportantfactorsthatcontributetothefailuresofPEpipes.Inpractical,theconnectionsofPEpipesoftenusefusedorhotmeltwelding,whichmakestheweldingjointsdegradated.Duringinstallationprocedure,manydefect

8、sandscratchesproducedinthePEpipesurface.Weldingjointsaswellassurfacedefectsisthesensitiveareaforcrackinitiationandslowcrackgrowth,whichaffectedthePEpipelifetimeduringservice