聚乙烯管韧性破坏寿命预测方法研究.pdf

式验研究
聚乙烯管韧性破坏寿命预测方法硏究
徐成',徐平,施建峰,郭伟灿
(1.浙江大学应用力学研究所,浙江杭州310027;2.浙江大学化工机械研究所,浙江杭州
310027;3.浙江省特种设备检测研究院,浙江杭州310020)
摘要:聚乙烯管在静液压作用下有3种失效模式:蠕变初性破坏、慢速裂纹脆性破坏和材料劣化破
坏。提出基于粘弹性应力分析模型的聚乙烯管材蠕变韧性破坏寿命预测方法。在内压作用下,聚
乙烯管材的蠕变导致其壁厚不断减薄,环向应力逐淅增大。同时,基于粘弹性应力分析模型得到管
材蠕变的应变率逐渐减小,由于聚乙烯的屈服应カ具有明显的率相关性,屈服应力也随之逐淅减
小。当增加后的环向应力值与管材瞬时屈服应力相等时,聚乙烯管材发生韧性失效,从而得到初性
失效寿命与内压載荷之间的关系。
关键词:聚乙烯管道;屈服应力;粘弹性模型;韧性破坏;失效寿命
中图分类号:TH145.4;TB302.3文献标识码:A文章编号:1001-4837(2012)01-0001-06
doi:10.3969/j.jiss.1001-4837.2012.01.001
Prediction of Ductile Rupture Failure Life of HDPE Pipe
XU Cheng , XU Ping SH Jian-feng, GUO Wei-can
(1. Institute of Applied Mechanics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China; 2. Institute of Process
quipment, hejiang Univesity, Hangzhou 310027, China 3. Zhejiang Special Equipment Inspection and
Research Institute, Hangzhou 310020, China)
Abstract: There are three typical failure modes of high density polyethylene( HDPE )pipe under hydro-
static pressure, which are ductile rupture caused by creep, slow crack growth and degradation. The dura
tion time of HDPE pipe under hydrostatic pressure before ductile rupture failure is predicted based on a
visco-elastic model. It is found that hoop stress increases due to reduction in wall thickness of HDPE
pipe, while yielding stress decreases owing to decrease of strain rate. When the hoop stress approaches
the instant yielding stress, HDPE pipe quickly deforms and then structural failure will follow. The rela-
tionship between hydrostatic pressure and failure life of HDPE pipe are obtained
Key or: polyethylene pipe yield stress; visco-elastic model; ductile rupture; failure lie
的力学性能、优良的焊接性能山和较长的使用寿
0引宫
命等优势,被广泛用于城市燃气输送。对于在一
聚乙烯管道由于其良好的耐腐蚀性能、优越定压力下工作的聚乙烯管,其使用寿命是人们非
基金项目:国家科技支撑计划项目(2011BAKO6B01)
CPVT
聚乙烯管韧性破坏寿命预测方法研究
Vol29.No12012
常关注的问题?。目前,对聚乙烯管的寿命预测
聚乙烯管材韧性破坏的本质是材料承受的环
是采用美国塑料管道协会(简称PPI)制定的ISO向应力达到或者超过材料的屈服应力。聚乙烯材
9080?标准:
料是一种粘弹性材料,屈服应力有明显的应变率
A
ア+{の
lo
(1)效应;同时聚乙烯管因蠕变使其直径和壁厚发生
变化,从而导致环向应力发生相应的变化。因此,
式中4一失效寿命,h
需要建立聚乙烯管的粘弹性应力分析模型,计算
Tー一静液压试验温度,℃
环向应力与屈服应力的变化趋势,从而获得聚乙
A,B,C,D一与具体材料牌号有关的回归烯管材韧性破坏的寿命。
模型参数
打压时的环向应力,MPa
1试验部分
通过大量的不同温度的静液压试验拟合经验
公式的参数,从而得到环向应力与失效寿命的关
拉仲试样制备
系。但是静液压试验的数据非常离散,同时需要
试样采用PE80D90SDRI1燃气用埋地聚乙
花费大量的时间,因此很有必要结合聚乙烯的材烯管材。根据GB/T8804.3《热塑性塑料管材拉
料特性给出相应的预测方法。内压载荷作用下,伸性能测定第3部分:聚烯烃管材》制备聚乙烯
聚乙烯管主要存在3种失效模式,如图1所示。拉伸标准试样。试样尺寸如图2所示。
图中模式-1为短时韧性破坏,当受到外力大于
屈服应力管材产生较大塑性变形并且很快破
坏?;模式-2为脆性破坏,管材由于裂纹尖端在
撕裂应力作用下产生裂纹扩展导致管材的破坏,
也称之为慢速裂纹増长;模式-3为整体材料的
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劣化导致脆性失效,在这一阶段的管材寿命通常
已经远远超过50年。
图2拉伸试验标准试样尺寸
1.2试验设备
试验硏究所用的拉伸试验仪器为某公司生产
模式-1
的WDW-100型微机控制电子万能试验机,主要
技术参数见表1。
模式-
表1电子万能试验机參数
模式
项最大试验力精度试验力精度位移精度调速范围
/kN等级」/%
/mm|/mm·min
数值1000.
士0.1「0.001.0005~500
LL M Lml I Im止uu
10°101031031010°10°102
失效寿命/h
为了避免拉仲过程中试样接头的滑移和非拉
伸部位的变形,采用在试样上装电子引伸计的方
图1聚乙烯管3种失效模式
式来读取拉伸过程中的实际变形,所用电子引伸
计的主要技术参数见表2。
随着材料合成技术的进步,新型的PE100管1.3性能测试
材具有十分优异的耐慢速裂纹扩展性能,其韧性
试样在23℃环境中调节6h以上,以消除温
破坏区域变得越来越广,因此有必要对其初性破度差异对试验的影响,然后分别用10-2,10
坏寿命预测方法进行研究。
10-4,103,3x10-/s的应变速率进行拉伸试验。