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慢速裂纹扩展(Slow Crack Growth,SCG)被公认为是造成聚乙烯(Polyethylene,PE)管道在长期承受内压下发生脆性破坏进而导致泄漏的主要原因。PE管道作为燃气输送的载体,一旦发生泄漏,轻则直接影响到人们的日常生活,重则产生爆炸事故造成灾难性的后果。本文针对PE管材慢速裂纹扩展与粘弹性断裂规律开展性能评价试验、理论应用、数值模拟研究。主要研究内容包括:(1)PE管材耐SCG性能评价试验研究。采用应变硬化试验法得到不同PE管材试样的应变硬化模量,用锥体试验验证应变硬化模量表征PE管材耐SCG性能的正确性。对应变硬化模量与片晶厚度、重均分子量、分子量分布、共聚单体含量等微观结构参数之间的相关性进行分析。将宏观和微观层面的试验方法进行结合,对PE管材的耐SCG性能进行更加快速、全面、可靠的评价。(2)PE管材粘弹性断裂行为的定量研究。在通过时间-温度等效原理获取PE管材松弛模量Prony级数表达式的基础上,结合银纹-裂纹桥式扩展机理和裂尖银纹区应力松弛模型,对PENT(单边切口拉伸试验)试样银纹生长、断裂、裂纹起裂、扩展直至其断裂失效的粘弹性断裂行为进行定量研究,分析银纹区生长规律,得到裂纹起裂时间、银纹断裂表面张开位移、裂纹扩展速率以及试样断裂时间四个粘弹性断裂行为关键参量的表达式。利用PENT试样的断裂时间,得到PE管道预期寿命和管道外表面临界裂纹深度之间的关系,为SCG失效模式下的管道预期寿命评估提供理论参考。(3)PE管材粘弹性断裂规律数值模拟研究。采用有限元软件ABAQUS建立PENT试样的有限元模型,结合扩展有限元法(XFEM)对PENT试样的粘弹性断裂行为进行数值模拟。将模拟结果与实际试验结果和理论计算结果进行对比,验证XFEM模拟PENT试样粘弹性断裂行为的合理性和有效性。通过该有限元模型对PENT试样裂纹张开位移和裂纹扩展长度随时间变化规律进行研究,分析试验应力和温度的改变对PENT试验的影响规律,得到既能保证PENT试样的失效模式为脆性破坏,又能大幅缩短试验时间的最佳试验条件。在PENT标准规定的试验条件因试验时间冗长已不再适用于目前PE管材的情况下,利用数值模拟技术为缩短PENT试验时间提供可靠参考。