聚乙烯管道寿命预测研究进展

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.11.017

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (11): 149-162.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.11.017

聚乙烯管道寿命预测研究进展

武立文¹, 乔亮²^,³, 范峻铭²^,³, 闻炯明⁴, 李兆璞¹, 张毅¹()

^1.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东青岛 266580
^2.深圳市燃气集团股份有限公司，广东深圳 518000
^3.深圳市燃气输配及高效利用工程技术研究中心，广东深圳 518000
^4.江苏省特种设备安全监督检验研究院（常熟分院），江苏常熟 215500

收稿日期:2023-05-19 出版日期:2023-11-26 发布日期:2023-11-22
通讯作者: 张毅（1988—），男，副教授，从事聚乙烯燃气管道损伤失效分析、寿命预测及高分子聚合物损伤失效机理与表征研究，zhangyi@upc.edu.cn
E-mail:zhangyi@upc.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(11802343);城市老旧PE管道风险评估技术研究(KJ2023005)

Research progress in life prediction of polyethylene pipeline

WU Liwen¹, QIAO Liang²^,³, FAN Junming²^,³, WEN Jiongming⁴, LI Zhaopu¹, ZHANG Yi¹()

^1.College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum （East China），Qingdao 266580，China
^2.Shenzhen Gas Corporation Ltd，Shenzhen 518000，China
^3.Shenzhen Engineering Research Center for Gas Distribution and Efficient Utilization，Shenzhen 518000，China
^4.Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province （Changshu Branch），Changshu 215500，China

Received:2023-05-19 Online:2023-11-26 Published:2023-11-22
Contact: ZHANG Yi E-mail:zhangyi@upc.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

综述了聚乙烯（PE）管道的失效模式和失效准则，总结归纳了4种管道寿命预测方法，包括基于长期静液压试验法、基于Arrhenius公式法、基于慢速裂纹扩展（SCG）法和基于双曲本构方程法；概述了5种管道风险评估方法，包括专家评分法、事故树分析法、管道指数风险评分法、层次分析法和模糊综合评价法。未来可建立力⁃化耦合作用下的有限元分析模型，结合大数据分析和管道风险评估方法，保障在役PE管道的安全运行。

关键词: 聚乙烯管道, 失效模式, 失效机理, 寿命预测, 管道风险评估

Abstract:

This paper reviewed the failure modes and failure criteria of polyethylene （PE） pipelines and summarized four pipeline life prediction methods， including the long⁃term hydrostatic test method， Arrhenius formula method， slow crack growth method， and hyperbolic constitutive equation method. Five pipeline risk assessment methods were summarized， which included expert scoring method， fault tree analysis method， pipeline index risk scoring method， and analytic hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation method. In the future， a finite element analysis model under the force⁃chemical coupling action should be established through combining with the big data analysis and pipeline risk assessment methods to ensure a safe operation for the in⁃service PE pipelines.

Key words: polyethylene pipe, failure mode, failure mechanism, life prediction, pipeline risk assessment

中图分类号:

TQ325.1⁺2

武立文, 乔亮, 范峻铭, 闻炯明, 李兆璞, 张毅. 聚乙烯管道寿命预测研究进展[J]. 中国塑料, 2023, 37(11): 149-162.

WU Liwen, QIAO Liang, FAN Junming, WEN Jiongming, LI Zhaopu, ZHANG Yi. Research progress in life prediction of polyethylene pipeline[J]. China Plastics, 2023, 37(11): 149-162.

图/表 14

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寿命预测方法	方法描述		优点	缺点
基于长期静液压试验法	通过对管道施加恒定内压和恒定温度，得到不同温度和应力下的静液压强度曲线，计算得到实际温度下的管道寿命。		预测管道寿命的标准方法，认可度较高	试验周期过长，不利于新型PE管材的研究与开发
基于Arrhenius公式法	结合动力学曲线直线化法和Arrhenius公式预测管道老化失效寿命		试验操作简便，能够较快预测管道寿命	管道的热氧老化行为较为复杂，通过标准的线性Arrhenius公式外推实际温度下的管道寿命可能并不准确
基于SCG性能预测法	PENT试验	将预制裂纹试样放置于恒温水槽中进行拉伸试验	试验时间相对于静液压试验明显缩短	随着PE管道的耐SCG性能增强，试验所需时间也越来越长
	FNCT试验	将预制裂纹试样放置于恒温水槽中进行拉伸试验	试验时间相对于静液压试验明显缩短	随着PE管道的耐SCG性能增强，试验所需时间也越来越长
	SH试验	在80 ℃环境下对哑铃状试样进行拉伸试验	试样不需要预制缺口和添加表面活性剂	试验需在高温下进行，不符合管道的实际服役环境
	CRB试验	对裂纹圆棒试样进行不同载荷比的疲劳拉伸试验	对于有较强耐SCG性能的现代管道，该方法可以在较短的时间内预测管道寿命	CRB试样的裂纹深度测量存在误差，该方法的适用性有待验证
基于双曲本构方程法	通过黏弹性应力分析模型预测管道韧性失效寿命		通过拉伸试验和模型计算，能够较快地预测管道韧性失效寿命	基于应力失效准则判断管道失效的方法较为保守

寿命预测方法	方法描述		优点	缺点
基于长期静液压试验法	通过对管道施加恒定内压和恒定温度，得到不同温度和应力下的静液压强度曲线，计算得到实际温度下的管道寿命。		预测管道寿命的标准方法，认可度较高	试验周期过长，不利于新型PE管材的研究与开发
基于Arrhenius公式法	结合动力学曲线直线化法和Arrhenius公式预测管道老化失效寿命		试验操作简便，能够较快预测管道寿命	管道的热氧老化行为较为复杂，通过标准的线性Arrhenius公式外推实际温度下的管道寿命可能并不准确
基于SCG性能预测法	PENT试验	将预制裂纹试样放置于恒温水槽中进行拉伸试验	试验时间相对于静液压试验明显缩短	随着PE管道的耐SCG性能增强，试验所需时间也越来越长
	FNCT试验	将预制裂纹试样放置于恒温水槽中进行拉伸试验	试验时间相对于静液压试验明显缩短	随着PE管道的耐SCG性能增强，试验所需时间也越来越长
	SH试验	在80 ℃环境下对哑铃状试样进行拉伸试验	试样不需要预制缺口和添加表面活性剂	试验需在高温下进行，不符合管道的实际服役环境
	CRB试验	对裂纹圆棒试样进行不同载荷比的疲劳拉伸试验	对于有较强耐SCG性能的现代管道，该方法可以在较短的时间内预测管道寿命	CRB试样的裂纹深度测量存在误差，该方法的适用性有待验证
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聚乙烯管道寿命预测研究进展

Research progress in life prediction of polyethylene pipeline

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