耐慢速裂纹扩展docWord文档下载推荐.docx

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有限元；

蠕变

ABSTRACT

Polyethylenepipeshavemoreadvantagesthanmetalpipes，SOtheyarewidelyusedingasfield．Consequently，safetyofPEpipesinserviceisquiteimportant．HoweverSlowCrackGrowth（SCG）isrecognizedasoneofthemajorconcernsforpolyethylenepipes．Weldingjointandscratcharenotavoidedinservice．SoresearchonresistancetoSCGofPEpipesandpredictpipelifetimeisoneofmosteffectivemethodstopretendcatastrophicfailure．

Inordertoreducetesttimeandobservethecrackgrowthconveniently,FullNotchedCrackTestischoosed．ThepreparationofsampleandtheprocedureisbasedonISOI6770．AlsopreviousdatarequiredfromPennsylvaniaNotchedTestisusedtOhelpobtainthecreepparameterswhichisbased0nASTMF1473．CreepfractureismicromechanismofSCGSOcreepperformanceofnon-notchedspecimentistestedatrequiredtemperature．Basedonbasiccreepperformance，SCGofweldingjointandparentmaterialisanalyzedqualitativelyaccordingtoviscoelastictheory．Alsocrackgrowthrateisdeducedaccordingtolocalenergycriterion．Itshowsthatcrackofjointgrowsfasterthanparentmaterial．AnewmethodologydevelopedbyNormanisusedtopredictthelifetimeofin--servivePEpipesfromshort·

·

timelaboratorytest．

TheresultofFNCTdemonstratesthatstresscrackresistanceofparentmaterialisgreaterthanjoint．Theprimarycreepaccountsfor40percentofthewholecreepprocess，SOcrazedamageandviscoelasticbehaviorduringprimarycreeparethedominantfactorsofpredictingandevaluatingmaterialcharacteristic．Basedonpowerlawconstitutiveequation，finiteelementmethod（FEM）isusedtoanalyzethestressandstraindistributionofcracktipthatishelpfultounderstandthemotivationofcrackpropagation．Alsothestress—dependentfactorandfractureparametersareobtainedbyFEManalysis．TheresultindicatesthatperformanceofPE80isdependentonstress．creepcomplianceisdifferentatdifferentstress．Mostofall，CODprimarybehaviorofFNCTiSpredicted．

KEYWORDS：

slowcrackgrowth，polyethylene，viscoelasticity,FEM，Creep

第一章绪论

1．1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（SlowCrackGrowth）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。

1．2聚乙烯管道的应用与发展

1．2．1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4．2％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

PVC．U管、CPVC管、PE．X管以及铝塑复合管等

ABS管、PVC．U管等

PVC-U管

PVC．U管、PE管

PVC．U管、双壁波纹管

PE管

从表1-1可知，PVC．U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。

1．2．2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1000km，占燃气管总铺设里程的0．1％，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16．500mm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，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2000条管材生产线，

其中15％是进口线。

目前，我国燃气管生产能力25000t／a，全部采用进口专用料。

给水管生产能力60000t／a，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DGDB2480H、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）（MFR0.4、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HDPE6380M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-P600BLPE80-P301EBL、PE80-P601KUBL、PE80-P502BL，法国阿托菲纳公司PE100-XS10B、台塑8001、韩国LGPD0100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

ME2421

北欧化工公司

PE80黑色燃气料

MD20BK

PE80黑色双峰料

ME3440

TR418-BLP

韩国大林公司

PE100黑色双峰料

HE3490LS

PE80水管料

PH150

韩国现代公司

P301E（本色）

大韩油化公司

P301E-BL

PE100水管料

P600BL

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。

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％。

1．3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-己烯共聚物家族的第一代产品被称为FinatheneXS10，其熔体流动速率（MFR）为0.3g/10min，密度为（0.950～0.959）g/cm3。

实验表明，新型树脂在物理性能上超过所有第三代树脂，具有卓越的耐慢速裂纹生长和耐快速开裂扩展性能，并且是第一个耐性超过己烯共聚中密度聚烯材料的高密度材料。

使用己烯代替传统的丁烯做共聚单体，使FinatheneXS10比一般的PE100具有更均匀的挤出性能。

2、Solvay聚烯烃欧洲公司

Solvay聚烯烃欧洲公司于最近推出了压力管用的PE100新牌号――EltexTUX100，为高性能交联HDPE化合物。

这种材料是专为管材而开发的，适于做特殊条件下的气体分配管，输送石油产品、液体化学品及热水。

EltexTUX100可用生产PE100管的标准设备进行加工。

Solvay称该牌号比PE100具有更优异的性能，具体表现为：

高温下具有更高的压力强度，更好的耐腐蚀性和耐化学品性；

极高的耐慢速开裂性能，更好的耐快速裂纹增长性；

较高的耐磨损性和刮痕性。

3、韩国三星通用化学品公司

韩国三星通用化学品公司于2005年成功地开发出了具有高强度、高耐压的HDPE新型材料，并取得了PE112的国际认证。

该材料是用串联的双反应釜工艺生产的，由此生产出的HDPE在高摩尔质量部分可产生很多缚结分子，这样其在耐蠕变性和耐慢速开裂性能之间可得到较好的平衡，同时还保持了良好的加工性能。

PE112与现有的双峰PE100相比，可耐更高的工作压力，从而可降低管壁厚度。

制成相同直径、相同工作压力的管道时，PE112壁厚比PE100可减薄10%。

PE112的熔体强度超过PE100，而且可用挤出成型法生产直径更大的管道而不出现管壁熔垂。

用注塑成型法生产管件时，其加工性能与PE100相似。

用这种新材料可制成最大直径为1600mm的高耐压管。

4、其他公司

Boreali、Solvay和Fina等公司正在开发第四代管材树脂PE125，这是通过PE交联实现的，其可使PE管在壁很薄的情况下耐更高的压力。

但目前交联PE管材的成本比传统的PE管成本高约5倍，只有当生产技术进一步改进时，其成本才有可能降低。

1．4聚乙烯管材的力学性能

聚乙烯（PE）作为制造管材、管件等的原料，与其他工程材料如钢铁、水泥等一样必须具备与工程要求相适应的强度、刚度、韧性、寿命等基本性能。

1．屈服应力和拉伸强度

聚乙烯是典型的粘弹体，力学行为介于弹性固体和粘性液体之间。

聚乙烯高分子的粘弹性决定了它的力学性能具有时间相关性、温度相关性和载荷速度相关性。

聚乙烯是由结晶区和无定形区组成的部分结晶性聚合物。

无定形区对剪切屈服没有贡献。

只有结晶区才能产生剪切屈服，如晶区的滑移，扭曲。

因此聚乙烯材料在一开始拉伸时，就伴随有像橡胶一样的非线性弹性行为。

当拉伸应力达到其屈服应力后，聚乙烯原有的结晶结构开始破坏，片晶分成很多的小晶片，并沿着拉伸方向发生扭转，分子链之间产生滑移，发生塑性变形。

由于聚乙烯的流变性，使得材料极易发生工程上称为冷拉的变形。

随着变形量的增大，形变应力不断提高。

晶体结构不断的转变成纤维状结构，最终以分子链的断裂和滑脱而断裂。

其屈服应力、拉伸强度与速度、温度等因素有关系一J。

2．长期静液压强度

聚乙烯的蠕变和应力松弛特性，使PE的强度成为时间的函数因此，对于PE这种特殊的性能，在工程中就必须知道强度与时间的定量关系。

对于像测应力应变关系的力学试验，只能是得到当前的力学性能数据，这对于要求数十年寿命的工程没有指导意义。

长期静液压强度恰好解决了这个问题。

聚乙烯的长期强度是以管材形式，通过施加静液压的方法测试的，所以称为长期静液压强度。

由于聚乙烯（PE）高分子材料的多分散性结构特点。

使得其力学性能的的测定值具有很大的分散性。

目前，塑料管的使用寿命基本稳定在50a左右，所以现在一般是以200C、50a来定义长期强度，即连续施力l：

150a造成聚乙烯管材破坏时管壁上的环向张应力。

但是对于一个实验，50a的工程寿命要做50a的实验是不可能的。

而塑料管道的时温等效原理解决了这个问题，利用高温、短时间内（长期静液压强度试验要求必须取得la的有效试验数据）作出的环应力与时间曲线的结果向低温和长时间外推，得出20"

（2、50a，97．5％置信下限下的长期静液压强度和最小强度要求（MRS）。

所以，长期静液压强度试验的缺点是试验时间长，属于破坏性实验，其质量检验和产品研发验证成本都比较高⋯】。

由于管材料的不断发展，国际上己开发出具有高强度、综合性能好的中密度聚乙烯管材专用料，其强度性能已不再与密度直接相关，所以国际上已不再按密度对聚乙烯管材进行命名，而是根据聚乙烯管的长期静液压强度（MRS）对管材及其原料进行分类和命名。

目前，国际上将聚乙烯（PE）管材料分为PE32，PE40，PE63，PE80和PEl00等级[12,13J。

3．耐快速裂纹扩展

管道的快速开裂是指在管道偶然发生开裂时，裂纹以几百米／秒的速度迅速增长；

瞬间造成几十米甚至上千米管道破坏的大事故。

通常，聚乙烯材料具有很好的柔韧性，断裂前可吸收大量的机械能。

但是，高分子材料的力学性能强烈的依赖施加外力的速度和温度等条件。

当材料中存在缺陷，或者加载速度过快，都会使PE来不及韧性变形而破坏。

所以研究材料的耐快速裂纹扩展有很重要的意义。

目前，国内外就快速裂纹扩展（RCP）的问题，建立了各种评价管材快速裂纹扩展阻力的实验方法，例如全尺寸试验和小比例稳态实验（S4试验）。

为了保证聚乙烯工程系统的安全，除了要按长期静液压强度设计管道外，还要按耐快速开裂的临界压力或临界温度做断裂力学设计。

系统只有满足这两个设计要求时，才是安全的。

4．耐慢速裂纹扩展

长期静液压强度能够很好的评价材料的长期性能，但是它的断裂只是管材制造缺陷在长期低应力作用下缓慢增长的结果。

而聚乙烯管道在实际应用过程中，要经过仓储、运输、施工现场的滚动拖拉等，在管线的表面上会造成一定的损伤。

而这种深划痕造成的损伤是长期静液压强度（MRS）所解决不了的，耐慢速裂纹增长性能却解决了这个问题。

像长期静液压强度的另一缺点就