聚乙烯管道的蠕变寿命分析

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1、学校代码10530学号201510181912分类号O346密级公开硕士学位论文聚乙烯管道的蠕变寿命分析学位申请人刘雁鹏指导教师罗文波教授学院名称土木工程与力学学院学科专业固体力学研究方向固体本构理论及应用二〇一八年五月二十七日CreepLifeAnalysisofPolyethylenePipeCandidateLiuYanpengSupervisorProf.LuoWenboCollegeCollegeofCivilEngineeringandMechanicsProgramSolidMechanicsSpec

2、ializationSolidConstitutiveTheoryandApplicationDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateMay,2018摘要聚乙烯(PE)材料力学性能优异，在当今社会中发挥重要作用，PE管道广泛应用于天然气、石油、供水和排污等工程。PE压力管道的失效机理和失效时间与其所受应力大小以及环境介质密切相关。依据使用环向应力的大小，聚乙烯管道的长期失效模式可以分为三个部分，当应力较高时，其失效通常因局部屈服并开裂而发生韧

3、性破坏；在中等应力作用下，管道经历裂纹形核与慢速扩展过程而发生准脆性失效；在低应力作用下，管道寿命长达50年以上，管道因输运介质的长期腐蚀与材料老化导致性能劣化而失效，其失效时间与应力作用大小无显著相关性。对实际服役条件下的PE压力管道而言，慢速裂纹扩展(SCG)是其主要失效机制，SCG过程在管道蠕变失效时间中所占比例很大，因此研究PE管道的SCG行为具有十分重要的科学意义和应用价值。本文从PE材料的基础力学性能出发，通过理论和试验结合的方法，对PE压力管道进行蠕变寿命评估，主要研究内容如下：(1)试验样品制备。考

4、虑工程实际，本文研究工作所选用的试件都是从管道上取材，通过机械刀具加工而成型，未经挤压和加热，测试所得力学性能参数与工程实际较为接近。(2)PE管材的基础力学性能研究。使用自行制取的PE试件，进行不同速率下的恒速单轴拉伸试验，不同应力水平的蠕变试验以及不同应力比下的疲劳裂纹扩展试验，通过合适的数据采集以及数据处理方式，得到PE管材的基本力学性能参数。(3)PE管道蠕变寿命研究。将蠕变视为一种特殊的疲劳状态，通过不同应力比下疲劳试验得到PE管材的疲劳裂纹扩展规律，通过一种外推方法，得到其蠕变裂纹扩展规律。应用Pari

5、s幂律模型，对特定PE管道进行蠕变寿命预测，并与国际标准ISO9080外推法进行对比，验证了基于断裂力学加速预测方法的有效性。关键词：聚乙烯；PE管道；慢速裂纹扩展；蠕变寿命；疲劳寿命；应力强度因子IAbstractPolyethylene(PE)materialshaveexcellentmechanicalpropertiesandplayanimportantroleinthesociety.PEpipesarewidelyusedinnaturalgas,petroleum,watersupply,ands

6、ewerageprojects.ForPEpressurepipes,thefailuremechanismandfailuretimearecloselyrelatedtothehoopstressandtheenvironmentalmedium.Itisgenerallyacceptedthatthelong-termfailurebehaviorofpressurizedPEpipescanbeseparatedintothreetypicalregionsdependingonthehoopstressi

7、npipes.Infirstregionforrelativelyhighstresslevels,thepipefailureismainlycausedbytheductiledeformation,resultinginalargeplasticregion.Insecondregionformoderatehoopstresslevels,thepipefailureismanifestedasaquasi-brittleslowcrackgrowth(SCG)whichprecededbyacrackin

8、itiationstage,SCGfailuresusuallyhappensoverarelativelylongperiodoftime.Inthirdregion,thepipefailureismainlycausedbyagingprocess,polymerdegradationandstresscorrosioncracking,showing