本文關(guān)鍵詞：聚乙烯管電熔接頭慢速裂紋擴(kuò)展研究　出處：《浙江大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,作為國民經(jīng)濟(jì)血管的油氣管道以年均10%以上的速度飛速增長。聚乙烯管因具有強(qiáng)耐腐蝕性、良好的焊接性能、經(jīng)濟(jì)環(huán)保性、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于油氣輸送等領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì),新鋪設(shè)的城市中低壓燃?xì)夤艿?0%以上均使用聚乙烯管,且大量使用電熔接頭進(jìn)行連接。調(diào)研結(jié)果顯示,接頭是管道系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié),因而其安全性是確保整個管道系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。貫穿電熔套筒的慢速裂紋擴(kuò)展是電熔接頭三類主要失效模式之一,而慢速裂紋擴(kuò)展是一種時間跨度最大可至數(shù)十年的裂紋擴(kuò)展形式,遠(yuǎn)超過了標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的1000小時,因而依據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)無法有效地檢測出該失效模式�，F(xiàn)階段國內(nèi)外對耐慢速裂紋擴(kuò)展能力的評價仍以原始標(biāo)準(zhǔn)試樣的測試試驗(yàn)為主,給出預(yù)置特定裂紋的試樣在蠕變拉伸條件下的裂紋擴(kuò)展失效時間。由于并未考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)和載荷情況,這種測試方法無法定量地獲得電熔接頭的使用壽命與裂紋擴(kuò)展過程的關(guān)系。目前也尚沒有針對電熔接頭慢速裂紋擴(kuò)展這一失效模式的檢驗(yàn)與評價方法,亟需進(jìn)行更為深入的研究,為基于該失效模式的設(shè)計(jì)及檢測方法的提出作好前期的技術(shù)準(zhǔn)備,從而提升聚乙烯管道系統(tǒng)的安全保障能力。本文在國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目"聚乙烯管道電熔焊接接頭超聲檢測特征線的形成機(jī)理研究"(項(xiàng)目編號:51305394)和國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目"基于粘彈性損傷模型的聚乙烯管材慢速裂紋擴(kuò)展機(jī)理研究"(項(xiàng)目編號:51575480)的支持下,采用理論模型、試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算三者相結(jié)合的方法,建立了聚乙烯管電熔接頭慢速裂紋擴(kuò)展的數(shù)值研究方法,主要研究內(nèi)容以及結(jié)論如下:(1)進(jìn)行了不同溫度下的松弛實(shí)驗(yàn),基于時溫等效原理,獲得了 25℃和80℃下聚乙烯材料線性黏彈性本構(gòu)模型的Prony級數(shù)表示形式;提出了可用于表征裂紋擴(kuò)展的損傷模型,且通過兩個不同應(yīng)力水平下的蠕變實(shí)驗(yàn)詳述了確定損傷模型參數(shù)的方法,并初步給出了 25℃和80℃這兩個溫度下的相關(guān)參數(shù);基于有效應(yīng)力的概念,將上述損傷模型與線性黏彈性本構(gòu)模型結(jié)合,建立了含損傷黏彈性模型,為構(gòu)建慢速裂紋擴(kuò)展的數(shù)值研究方法提供了理論基礎(chǔ)。(2)進(jìn)行了一維線性黏彈性方程的數(shù)值離散,并據(jù)此推導(dǎo)了三維情形下的損傷黏彈性方程的增量形式,將損傷的計(jì)算與應(yīng)力更新計(jì)算進(jìn)行了解耦處理,提高了數(shù)值方法的收斂性;遵循了用戶材料子程序UMAT編制的相關(guān)規(guī)則,實(shí)現(xiàn)了本文建立的含損傷黏彈性本構(gòu)模型的二次開發(fā);設(shè)計(jì)了一種滑動式半自動切口制樣裝置,進(jìn)行了25℃下慢速裂紋擴(kuò)展研究的標(biāo)準(zhǔn)單邊切口蠕變試驗(yàn)(PENT試驗(yàn)),采用VIC-2D非接觸式視頻引伸計(jì)記錄了試驗(yàn)過程;而后基于編制的UMAT子程序建立了 PENT試驗(yàn)有限元分析模型,采用損傷后的單元集合表征裂紋的擴(kuò)展路徑,模擬結(jié)果能夠較好地預(yù)測拉伸、張開位移—時間曲線,驗(yàn)證了本文建立的數(shù)值方法的有效性;在此基礎(chǔ)上詳細(xì)分析了 PENT試驗(yàn)過程中裂紋慢速擴(kuò)展的原因,探討了損傷參數(shù)對慢速裂紋擴(kuò)展過程的影響規(guī)律;上述工作為考慮實(shí)際載荷工況時工程構(gòu)件中的慢速裂紋擴(kuò)展模擬提供了有效的數(shù)值工具。(3)詳細(xì)分析并討論了 80℃下靜液壓試驗(yàn)過程中含缺陷聚乙烯管電熔接頭中貫穿電熔套筒的慢速裂紋擴(kuò)展行為,懫用線彈性有限元計(jì)算與斷裂力學(xué)理論相結(jié)合的方法分析了裂紋擴(kuò)展路徑與管材軸向約成75°夾角的現(xiàn)象;利用本文建立的損傷表征裂紋擴(kuò)展的數(shù)值方法,實(shí)現(xiàn)了貫穿電熔套筒的慢速裂紋擴(kuò)展過程模擬,得到了失效時間,探討了裂紋擴(kuò)展過程中應(yīng)力的時空變化規(guī)律;基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果,研究了電熔套筒厚度、管材厚度、內(nèi)冷焊區(qū)長度、熔合區(qū)長度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對慢速裂紋擴(kuò)展過程的作用規(guī)律,并給出了內(nèi)壓—慢速裂紋擴(kuò)展失效時間曲線,得到了相應(yīng)的擬合公式。
[Abstract]:Based on the theory model , experimental research and numerical calculation , this paper presents a new method for testing the crack propagation of polyethylene pipe electric melting joint , which is based on the theory model , experimental study and numerical calculation . ( 2 ) The numerical discretization of the one - dimensional linear viscoelastic equation is carried out , and the incremental form of the damage viscoelastic equation in the three - dimensional case is derived . The simulation of the crack propagation path and the axial direction of the tube is improved by using the VMAT subroutine .

【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TQ320.724;TE973

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1426892