【摘 要】
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高密度聚乙烯(PE100)管材以其优异的化学与力学性能,广泛应用于各个领域。在长期静液压载荷的作用下,由裂纹引起的应力集中区是管道在服役过程中最为危险的一个薄弱环节,通常在裂纹尖端会产生蠕变损伤,引发PE100管慢速裂纹扩展,裂纹扩展到管材所能承受的临界尺寸时,管材迅速发生破坏,从而引发介质泄漏或燃气爆炸,直接危害人们的生命财产安全。因此对于PE100管材的蠕变及慢速裂纹扩展行为的研究至关重要。本
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高密度聚乙烯(PE100)管材以其优异的化学与力学性能,广泛应用于各个领域。在长期静液压载荷的作用下,由裂纹引起的应力集中区是管道在服役过程中最为危险的一个薄弱环节,通常在裂纹尖端会产生蠕变损伤,引发PE100管慢速裂纹扩展,裂纹扩展到管材所能承受的临界尺寸时,管材迅速发生破坏,从而引发介质泄漏或燃气爆炸,直接危害人们的生命财产安全。因此对于PE100管材的蠕变及慢速裂纹扩展行为的研究至关重要。本文首先利用基于应力强度因子的蠕变动力学关系式,对标准尺寸比SDR=11、13.6及17条件下,公称外径为75~400 mm的含外表面轴向和环向半椭圆裂纹的PE100压力管道进行了寿命预测,得到了保证50年使用寿命的条件下,管道所允许的最大初始相对裂纹深度值及对应的应力强度因子值。结果表明,随着管道外径的增大,管道允许相对裂纹深度值a0/t呈现逐渐减小的趋势,且a0/t随着SDR的减小而减小。基于ANSYS软件中的扩展有限单元法对裂纹圆棒试样的疲劳裂纹扩展进行了模拟,并将模拟结果与试验结果进行了对比,发现在稳定蠕变裂纹扩展阶段吻合良好。将此方法用于模拟不同应力比R下受内压作用的含外表面轴向及环向半椭圆裂纹的PE100管材(SDR=11,D0=250mm)的疲劳裂纹扩展,采用外推法,得到了蠕变条件下裂纹扩展速率随应力强度因子的变化规律,将此规律用于评估含外表面轴向及环向半椭圆裂纹的PE100管道的剩余寿命。在相同裂纹深度条件下,通过CRB外推公式获得的带裂纹管道的剩余寿命与模拟值基本一致。采用参考应力法计算了含外表面轴向及环向裂纹的PE100管道的C*,利用光滑试样和裂纹圆棒试样进行蠕变及蠕变断裂试验得到的基于蠕变断裂参数C*的蠕变裂纹动力学关系式,预测了含外表面轴向及环向半椭圆裂纹的PE100管道(SDR=11,D0=250 mm)的剩余寿命。确定了在50年使用寿命的条件下,含外表面轴向半椭圆裂纹PE100管道的最大允许相对裂纹深度为0.231,此时所对应的应力强度因子值为0.621 MPa·m0.5,C*为2.831x10-7N/(m·s);含外表面环向半椭圆裂纹PE100管道的最大允许相对裂纹深度为0.588,此时所对应的应力强度因子值为0.586 MPa·m0.5,C*为4.184x10-7N/(m·s)。
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