耐慢速裂纹扩展.doc
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1、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SCG行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SCG特征,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I
2、S016770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的慢速裂纹扩展数据,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。FNCT实验表明,管材的SCG抗力远远的大于焊缝。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
3、相关性和应力相关性,本文采用粘弹性的幂律本构关系模型对其SCG过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PE80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PENT和FNCT试样SCG的第一阶段,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的SCG行为进行预测。关键词: 慢速裂纹扩展; 聚乙烯; 粘弹性;有限元; 蠕变ABSTRACTPolyethylene pipes have more advantages
4、 than metal pipes,SO they are widelyused in gas fieldConsequently,safety of PE pipes in service is quite importantHowever S low Crack Growth(SCG)is recognized as one of the major concerns forpolyethylene pipesWelding joint and scratch are not avoided in serviceSo research on resistance to SCG of PE
5、pipes and predict pipe lifetime is one of most effective methods to pretend catastrophic failureIn order to reduce test time and observe the crack growth conveniently,Full Notched Crack Test is choosedThe preparation of sample and the procedure is based on ISOI 6770Also previous data required from P
6、ennsylvania Notched Test is used tO help obtain the creep parameters which is based 0n ASTM F1473Creep fracture is micromechanism of SCG SO creep performance of non-notched speciment is tested at required temperatureBased on basic creep performance,SCG of welding joint and parent material is analyze
7、d qualitatively according to viscoelastic theoryAlso crack growth rate is deduced according to local energy criterionIt shows that crack of joint grows faster than parent materialA new methodology developed by Norman is used to predict the lifetime of in-servive PE pipes from shorttime laboratory te
8、stThe result of FNCT demonstrates that stress crack resistance of parent material is greater than jointThe primary creep accounts for 40 percent of the whole creep process,SO craze damage and viscoelastic behavior during primary creep are the dominant factors of predicting and evaluating material ch
9、aracteristicBased on power law constitutive equation,finite element method(FEM)is used to analyze the stress and strain distribution of crack tip that is helpful to understand the motivation of crack propagationAlso the stressdependent factor and fracture parameters are obtained by FEM analysisThe r
10、esult indicates that performance of PE80 is dependent on stresscreep compliance is different at different stressMost of all,COD primary behavior of FNCT iS predictedKEYWORDS:slow crack growth,polyethylene,viscoelasticity,FEM,Creep第一章 绪论11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
11、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:ABS、PB(聚丁烯)、PE、PVC、CAB(醋酸一丁酸纤维素)的应用进行比
12、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【lJ。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(Slow
13、 Crack Growth)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。12聚乙烯管道的应用与发展121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42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
14、用情况基本上代表了各个发达国家的水平。表卜l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、CPVC管、PEX管以及铝塑复合管等ABS管、PVCU管等PVC-U管PVCU管、PE管PVCU管、双壁波纹管PE管从表1-1可知,PVCU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,PE管的发展速度大大高于其他类型的塑料管道,例如像PVC其发展速度也呈下降趋势。欧美国家普遍认为:PE管最终将取代PVC。一方面是由于聚乙烯具有比聚氯乙烯更好的韧性和抗
15、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,PE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,PE管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PVC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PE63及PE32级的聚乙烯管材料,性能较差。第二阶段,是20世纪60年代末期出现的被称为PE80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
16、异的抵抗慢速裂纹扩展能力。PE80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1 000km,占燃气管总铺设里程的01,1970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MDPE管铺设了185000km直径为16500mm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PE80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
17、方面更是表现出良好的性能。第三代聚乙烯材料PE100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熔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HDPE和MDPE,用量己超过90,比利时、法国也在65以上,
18、其它西欧国家也在大量使用。日本也在用HDPE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气输送用的首选材料。我国聚乙烯管材的生产始于上世纪60年代,但是到我国自己能生产聚乙烯树脂后才大量生产和使用聚乙烯管。从80年代初期开始在燃气输配领域试用聚乙烯管材。从1982年上海最早使用聚乙烯管材输送城镇燃气到现在二十多年,与发达国家相比,我国聚乙烯管材的用量仍然有限。据统计我国现有200
19、0条管材生产线,其中15是进口线。目前,我国燃气管生产能力25000ta,全部采用进口专用料。给水管生产能力60000ta,基本采用国产料,其中50用于农村改水工程。近年来,我国聚乙烯管材发展迅速,但其专用料的发展却跟不上管材生产的步伐,而且相对滞后。目前,虽然从国外引进了几条生产线也开始生产PE80和PE100等级的聚乙烯管材料,但仍存在牌号不齐、规格不配套的现象,每年都要进口大量的专用树脂。PE80以上等级的聚乙烯管材料每年要进口数万吨以上,主要用于制造燃气管、各种给水管材等压力管道系统。现在给水管也有不少企业用较好的国产管材专用料,如上海石化YGH041T(PE100)、齐鲁石化的DGD
20、B2480H、燕化的6100M和金菲的TR480等。上海石化采用北欧化工“北星双峰”技术生产的牌号为YGH051T(PE80)(MFR0.75、密度0.94)、YGH041T(PE100)(MFR 0.4、密度0.949)高附加值黑色管道料,填补了国内空白,并通过了瑞典国家测试和鉴定以及按ISO9080标准进行的PE100长期性能的认证。这标志着国产的PE100聚乙烯管道专用料首次获得了国际“通行证”,同时体现了我国承压管道PE基础树脂技术领域的巨大突破。扬子石化研究院近年来也推出了高性能的聚乙烯管材专用料,并经工业化试验获得成功,其性能基本上达到了PE100的水平。这一材料的结构为双峰分子量
21、分布,从而使树脂具有极好的物理性能,达到抗蠕变性、耐龟裂性和良好加工性的完美结合。燕山石化公司于2001年开发的HDPE6100管材专用料,已通过中石化鉴定,它属于中空挤塑产品。另外该公司生产的高品质的管材专用料HDPE 6380M是国内最早开发的双峰分子量分布的高等级管材料,性能达到PE80管材料的要求。国内管材专用料牌号中,齐鲁石化的DMD2480是较好的低压燃气管专用料,性能相当于PE80。DMD2480具有较高的熔体强度、抗撕裂强度和良好的耐环境应力开裂性能(1500h以上),加工性能优良,制品外观平整、光泽好,接缝、套节质量高。2005年,齐鲁石化公司塑料厂和树脂研究所合作开发生产的
22、己烯共聚聚乙烯管材料DGDB2480H和DGDB2480HBK,日前通过了国际权威管材料等级认证机构瑞典BODYCOTE试验室的PE100等级认证。国内常见进口PE80、PE100管材料牌号有:大韩油化PE100-P600、PE100-P600BL PE80-P301EBL、PE80-P601KUBL、PE80-P502BL,法国阿托菲纳公司PE100-XS10B、台塑8001、韩国LG PD0100等,表1列出了国内常见进口PE80、PE100管道专料牌号。表1国内常见进口HDPE(MDPE)管道专用料牌号名称规格生产厂家PE80黄色燃气料MD20YW英国BP公司马来西亚分厂PE80黄色燃气
23、料ME2421北欧化工公司PE80黑色燃气料MD20BK英国BP公司马来西亚分厂PE80黑色双峰料ME3440北欧化工公司PE80黑色燃气料TR418-BLP韩国大林公司PE100黑色双峰料HE3490LS北欧化工公司PE80水管料PH150韩国现代公司PE80水管料P301E(本色)大韩油化公司PE80水管料P301E-BL大韩油化公司PE100水管料P600BL大韩油化公司PE100水管料P110A韩国三星公司应该注意到给水管领域正在越来越多的应用聚乙烯管,而且在不少地区给水管的应用量已经超过聚氯乙烯管。在输配燃气管领域也在广泛采用聚乙烯管,在埋地排水管领域也越来越多地使用各种聚乙烯管器材
24、。而且,随着国外高性能PE80、PEl00材料的推出,改善了原有PE管材性能上的一些缺陷,使PE管道在“十一五”期间得到了很大的发展,尤其在燃气的输送上已成为许多用户的首选。随着陕气进京、西气东输、川气出川等重大天然气工程的建成投产,更加推动了燃气用聚乙烯管道的发展,据中国城市燃气协会对国内47家燃气公司,包括北京、上海、香港中华煤气、港华煤气等公司的调查,截至2003年底共铺设聚乙烯(PE)燃气管6426km,占全部燃气管网的20。13国外新型PE管道料的研发动态1、Atofina公司Atofina公司借助于其专有的双环管工艺,开发出了代表第四代管材树脂的新产品,这种新型的双峰乙烯-己烯共聚
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