基于循环载荷试验的聚乙烯管材寿命预测研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.09.010

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (9): 63-69.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.09.010

基于循环载荷试验的聚乙烯管材寿命预测研究

杨波¹(), 杨圳², 曾辰³, 王志刚¹(), 翟伟¹, 曹福想⁴

^1.广州特种承压设备检测研究院，广州 510663
^2.中国质量认证中心广州分中心华南实验室，广州 510663
^3.湘潭大学土木工程与力学学院，湖南湘潭 411105
^4.广东省特种设备检测研究院佛山检测院，广东佛山 528251

收稿日期:2022-04-25 出版日期:2022-09-26 发布日期:2022-09-26
通讯作者: 王志刚（1989—），男，工程师，主要从事聚乙烯燃气管道检验检测等研究工作，orinwang8851@163.com
E-mail:boycs@126.com;orinwang8851@163.com
作者简介:杨波（1983—），男，高级工程师，主要从事聚乙烯燃气管道失效分析与寿命评估研究工作，boycs@126.com
基金资助:
广东省省级科技项目(2021B1111600002);国家市场监督管理总局科技项目(2020MK128)

Lifetime prediction of polyethylene pipe based on cyclic load

YANG Bo¹(), YANG Zhen², ZENG Chen³, WANG Zhigang¹(), ZHAI Wei¹, CAO Fuxiang⁴

^1.Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection and Research Institute，Guangzhou 510663，China
^2.Canton Branch，China Quality Certification Centre，Guangzhou 510663，China
^3.College of Civil Engineering and Mechanics，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China
^4.Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and Research Foshan Branch，Foshan 528251，China

Received:2022-04-25 Online:2022-09-26 Published:2022-09-26
Contact: WANG Zhigang E-mail:boycs@126.com;orinwang8851@163.com

摘要/Abstract

摘要：

采用循环载荷裂纹圆棒（CRB）试验，测试了A~C 3种聚乙烯（PE）材料在载荷比（R）分别为0.1、0.3和0.5时，缺口圆柱棒试样的裂纹扩展速率（da/dt）与应强度因子（K_I）的对应关系。通过结合聚合物材料线弹性断裂力学理论，外推至R=1（静载）条件，得到含缺陷PE管材的使用寿命（t_f），并与全缺口蠕变试验（FNCT）评价结果进行了对比分析。结果表明，当A~C 3种PE管材内壁存在a_ini=0.4 mm的初始裂纹缺陷时，CRB试验外推得的管材的t_f分别为44、53和65年；FNCT外推结果分别为53、59和79年；CRB和FNCT的寿命预测结果具有较好的正相关性，寿命预测结果偏差较小，试验结果证实了该方法的有效性。

关键词: 聚乙烯管, 循环载荷裂纹圆棒试验, 全缺口蠕变试验, 寿命预测

Abstract:

In this paper， a cyclic loading circular bar （CRB） test was conducted to measure the corresponding relationship between the crack growth rate da/dt and stress factor K_I of three types of PE materials A， B and C at loading ratios of R=0.1， 0.3 and 0.5， respectively. Through using the theory of linear elastic fracture mechanics of polymer materials in the condition by extrapolating to R=1 （static load）， the failure time t_f of PE pipes with defects was obtained. The results were compared with those obtained form full notch creep test （FNCT）. When there was an initial crack defect at a_ini=0.4 mm on the inner wall of the three PE pipes， the failure lifetimes of extrapolated tubes obtained from the CRB test were 44， 53 and 65 years for the PE pipe A， B and C， respectively. The extrapolating results of FNCT were 53， 59 and 79 years for the PE pipe A， B and C， respectively. The test results indicated that the lifetime prediction results of CRB and FNCT had a good positive correlation， and their deviation was small. The experimental results confirmed the availability of the method.

Key words: polyethylene pipe, cyclic loading crack round bar test, full notch creep test, lifetime prediction

中图分类号:

TQ320.7

杨波, 杨圳, 曾辰, 王志刚, 翟伟, 曹福想. 基于循环载荷试验的聚乙烯管材寿命预测研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(9): 63-69.

YANG Bo, YANG Zhen, ZENG Chen, WANG Zhigang, ZHAI Wei, CAO Fuxiang. Lifetime prediction of polyethylene pipe based on cyclic load[J]. China Plastics, 2022, 36(9): 63-69.

图/表 12

图1 静载荷作用下管材裂纹扩展速率曲线示意图

Fig.1 The schematic diagram of pipe crack growth rate curve under static load

图2 CRB试验原理图［7］

Fig.2 The schematic diagram of CRB test［7］

图3 外推至R=1.0时的静态加载条件下的蠕变裂纹动力学曲线的示意图［5］

Fig.3 The schematic diagram of creep crack dynamics curve under static loading when being extrapolated to R=1.0［5］

图4 当R=0.1，在不同的Kmax时，管材B的CRB试样断面照片

Fig.4 CRB cross⁃section of material B with R=0.1 at different Kmax

图5 当R=0.1时，3种PE管材对应的Nf与Kmax的关系

Fig.5 Relationship between Nf and Kmax of the three kinds of PE materials with R=0.1

图6 在不同R条件下，3种PE管材缺口试样的da/dt⁃Kmax 关系曲线

Fig.6 Corresponding curves between da/dt and Kmax of three kinds of PE materials notched samples under different R

管材编号	A	m
A	3.05×10^-6	7.083
B	4.67×10^-7	7.050
C	1.95×10^-7	6.388

表1 3种PE管材对应的固有参数A和m

Tab.1 Intrinsic parameters A and m corresponding to three kinds of PE materials

图7 不同温度时，3种管材的缺口试样的tf⁃COD关系曲线

Fig.7 The tf⁃COD curves of the three kinds of material notched samples at different temperatures

图8 3种管材缺口试样的dCOD/dt⁃T曲线

Fig.8 The d（COD） /dt⁃T cures of the three kinds of material notched samples

管材编号	T/℃	F/MPa	$d C O D / d t$ /mm $∙ h - 1$	A	m
A	23	8.5	7.84×10^-4	6.40×10^-8	4
B	23	8.5	2.83×10^-4	2.42×10^-8	4
C	23	8.5	2.15×10^-4	1.84×10^-8	4

管材编号	T/℃	F/MPa	$d C O D / d t$ /mm $∙ h - 1$	A	m
A	23	8.5	7.84×10^-4	6.40×10^-8	4
B	23	8.5	2.83×10^-4	2.42×10^-8	4
C	23	8.5	2.15×10^-4	1.84×10^-8	4

表2 3种材料的固有参数A和m值

Tab.2 The intrinsic parameters A and m corresponding to three kinds of PE materials

表2 3种材料的固有参数A和m值

Tab.2 The intrinsic parameters A and m corresponding to three kinds of PE materials

图9 含初始裂纹缺陷的管道模型［16］

Fig.9 The pipe model with initial crack defects［16］

图10 3种PE材料的σhoop⁃tf关系曲线

Fig.10 The σhoop⁃tf relation curves of three kinds of PE materials

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Lifetime prediction of polyethylene pipe based on cyclic load

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