PE100管材及热熔接头的蠕变裂纹扩展性能研究

作     者：张建国 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高炳军

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：PE管材 热熔接头 蠕变裂纹扩展 断面分析 蠕变断裂参量C* 

摘      要：聚乙烯（PE）类管道因其诸多优良特性,广泛应用于市政和建筑给排水、燃气输送、供热采暖、工业排污等领域。通常认为长期静载下PE管道的典型失效形式是由蠕变裂纹萌生（CCI）和蠕变裂纹扩展（CCG）引起的慢速裂纹扩展（SCG）失效,属于类脆性失效。大尺寸PE管道多采用热熔对接方式进行连接,在焊接过程中产生的焊接缺陷以及运输、安装过程中产生的划痕,在静载荷作用下会引发蠕变裂纹萌生及扩展,影响整个管道系统的安全运行和长期使用寿命。因此深入了解PE材料及其热熔接头的蠕变裂纹扩展性能对保证PE管材的安全使用至关重要。在室温下,根据GB/T11546.1-2008对PE100母材及热熔接头试样进行不同应力条件下的拉伸蠕变试验,获得了两种材料在稳态蠕变阶段的蠕变规律,分析了焊接对PE材料蠕变性能的影响。热熔接头试样的稳态蠕变过程中的蠕变速率大于母材试样,说明热熔接头处的耐蠕变变形能力不及母材的耐蠕变变形能力。在室温下,PE100母材及热熔接头进行了不同载荷下基于预制裂纹圆棒（CRB）试样的蠕变裂纹扩展试验。在稳态蠕变裂纹扩展过程中,热熔接头CRB试样的裂纹张口位移速率大于PE100母材,即热熔接头的耐蠕变裂纹扩展性能低于PE100母材。借助SEM对试验材料蠕变裂纹失效断面进行分析。结果表明,PE100及热熔接头在拉应力下能够产生银纹的最大应力为σ=15.05MPa,超过该临界值后,裂纹不再是慢速裂纹扩展,失效形式转为韧性失效;由于焊接过程中聚乙烯系带分子未能充分扩散,造成热熔接头试样的银纹微纤拉伸长度较短,导致热熔接头的抗蠕变裂纹扩展能力下降,同时焊接过程中产生的微气孔会加速蠕变裂纹扩展速率。通过柔度标定试验,得到了 CRB试样柔度C与裂纹深度a之间函数关系式,对PE100母材及热熔接头CRB试样的蠕变裂纹扩展深度a进行了间接测量。确定了PE100及热熔接头在不同静载荷F下的蠕变断裂参量C*与裂纹扩展速率a的关系式。