点载荷作用下聚乙烯燃气管道的损伤分析

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.03.012

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (3): 67-72.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.03.012

点载荷作用下聚乙烯燃气管道的损伤分析

蒲强¹^,², 何霞¹^,², 王国荣¹^,², 胡刚¹^,²()

^1.西南石油大学，机电工程学院，成都 610500
^2.西南石油大学，能源装备研究院，成都 610500

收稿日期:2023-08-21 出版日期:2024-03-26 发布日期:2024-03-28
通讯作者: 胡刚（1987-），男，副研究员，主要从事橡胶密封机理、智能完井工具、油气井工程研究，swpu_hugang@163.com
E-mail:swpu_hugang@163.com
基金资助:
深水钻井工程四川省自然科学基金创新研究群体(2023NSFSC1980)

Damage analysis of PE gas pipes under point loading

PU Qiang¹^,², HE Xia¹^,², WANG Guorong¹^,², HU Gang¹^,²()

^1.School of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China
^2.Energy Equipment Institute，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China

Received:2023-08-21 Online:2024-03-26 Published:2024-03-28
Contact: HU Gang E-mail:swpu_hugang@163.com

摘要/Abstract

摘要：

通过单轴拉伸试验获得了聚乙烯（PE）材料弹性及屈服参数。建立了点载荷下的管⁃土有限元模型，研究了埋地燃气PE在点载荷下的力学响应，分析了点载荷尺寸、管道内压及管道直径的影响。基于DFDI（ductile failure damage indicator）模型，结合有限元仿真结果，对点载荷下的PE管进行了定量损伤计算。结果表明，与无点载荷管道的损伤结果对比可知，点载荷的存在增大了管道损伤；管道内压变化时管道损伤变化较大；管道直径变化时对PE管损伤影响较小，各管径下的损伤值都比较接近。

关键词: 聚乙烯, 燃气管道, 点载荷, DFDI模型, 管道损伤

Abstract:

The elasticity and yield parameters of PE were determined through a uniaxial tensile experiment. A pipe⁃soil finite element model under a point load was established to study the point⁃loading mechanical response of buried PE gas pipes， and the effects of point⁃loading dimension， pipe internal pressure， and pipe diameter were analyzed. Based on the DFDI （ductile failure damage indicator） model and combined with the finite element simulation results， quantitative damage calculations were carried out for PE pipes under a point load. The results indicated that the point load increased the pipe damage when compared to the damage results of the pipe without a point load. The pipe damage shows a great change with a variation of the internal pressure of the pipe. There is little effect on the PE pipe damage with a small change in the pipe diameter， and the damage values under each pipe diameter are relatively close to each other.

Key words: polyethylene, gas piping, point load, ductile failure damage indicator model, pipe damage

中图分类号:

TQ325.1⁺2

蒲强, 何霞, 王国荣, 胡刚. 点载荷作用下聚乙烯燃气管道的损伤分析[J]. 中国塑料, 2024, 38(3): 67-72.

PU Qiang, HE Xia, WANG Guorong, HU Gang. Damage analysis of PE gas pipes under point loading[J]. China Plastics, 2024, 38(3): 67-72.

图/表 17

图1 点载荷作用在管道下表面［2］

Fig.1 Point loads acting on the lower part of the pipe

塑性应力/MPa	塑性应变	塑性应力/MPa	塑性应变
7.42	0	13.81	0.097 27
9.41	0.023 74	14.67	0.126 95
10.02	0.030 3	15.1	0.158 8
10.35	0.050 7	15.35	0.189 39
12.89	0.065 08	15.53	0.220 03

表 1 PE材料塑性参数

Tab.1 Plasticity parameters of PE materials.

图2 点载荷下的埋地燃气PE管示意图

Fig.2 Schematic diagram of buried gas PE pipe under point load

图3 管⁃土模型边界条件设置

Fig.3 Model boundary condition settings

图4 点载荷处于交界处时的PE管应力云图

Fig.4 Stress cloud of PE pipe with the point load at junction

图5 点载荷尺寸变化时PE管在交界处的局部应力云图

Fig.5 Local stress cloud of PE pipe at junction against point load dimension

图6 点载荷尺寸变化时PE管沿轴线方向的Mises应力变化曲线

Fig.6 Mises stress variation curve of PE pipe along the axial direction against point load dimension

图7 点载荷尺寸变化时PE管沿轴线方向的应变变化曲线

Fig.7 The strain variation curve of PE pipe along the axial direction against point load dimension

图8 管道内压变化时PE管在点载荷位置处的应力云图

Fig.8 The stress cloud of PE pipe at the point load location against the internal pressure of the pipe

图9 管道内压变化时PE管沿轴线方向的Mises应力变化曲线

Fig.9 Mises stress variation curve of PE pipe along the axial direction against the internal pressure of the pipe

图10 管道内压变化时PE管沿轴线方向的应变变化曲线

Fig.10 The strain variation curve of PE pipe along the axial direction against the internal pressure of the pipe

图11 管道直径变化时PE管在点载荷处的局部应力云图

Fig.11 Local stress cloud of PE pipe at point load against pipe diameter

图12 管道直径变化时PE管沿轴线的Mises应力变化曲线

Fig.12 The Mises stress variation curve along the axis of PE pipe against pipe diameter

图13 管道直径变化时PE管沿轴线的Mises应力曲线

Fig.13 The strain variation curve along the axis of PE pipe for against pipe diameter

图14 点载荷尺寸变化时PE管的损伤

Fig.14 The damage of PE pipe against point load dimension

图15 管道内压变化时PE管的损伤

Fig.15 The damage of PE pipe against the internal pressure of the pipe

图16 管道直径变化时PE管的损伤

Fig.16 The damage of PE pipe against the diameter of the pipe

参考文献 13

1	PLASTIC PIPING DATA COLLECTION INITIATIVE STATUS REPORT［R］.Plastic Piping Data Committee， 2021.
2	LUO J， ZHANG Y， LI L， et al. Fatigue failure analysis of dented pipeline and simulation calculation.［J］. Engineering Failure Analysis， 2020.
3	ZHANG Y， JAR P Y B. Quantitative assessment of deformation⁃induced damage in polyethylene pressure pipe［J］. Polymer Testing， 2015（No.0）： 42⁃50.
4	周立国，姚安林，徐涛龙，等. 挖掘载荷下燃气PE管道损伤分析［J］. 中国安全科学学报， 2017，27（03）： 59⁃64.
	ZHOU L G， YAO A L， XU T L， et al. Damage analysis of urban gas PE pipeline under excavation load［J］. China Safety Science Journal， 2017，27（03）： 59⁃64.
5	王博，李建三，李茂东，等. 裂纹深度比对聚乙烯管力学性能影响的研究及损伤模［J］. 塑料工业， 2018，46（2）： 128⁃132.
	WANG B， LI J S， LI M D， et al. Effect of crack depth ratio on mechanical properties of polyethylene pipes and damage modeling［J］. China Plastics Industry， 2018，46（2）： 128⁃132.
6	王志刚，杨波，李仕平，等. 含缺陷聚乙烯管材蠕变损伤行为及使用寿命预测方法研究［J］. 塑料工业， 2020，48（11）： 90⁃93.
	WANG Z G， YANG B， LI S P， et al. Research on creep damage behavior and lifetime estimation method of defects PE pipes［J］. China Plastics Industry， 2020，48（11）： 90⁃93.
7	ZHA S， LAN H， ZHANG H， et al. Quantitative assessment of damage in buried polyethylene pipe subjected to land subsidence［J］. Journal of Pressure Vessel Technology， 2021（4）： 41 801.
8	RICE J R， TRACEY D M. On the ductile enlargement of voids in triaxial stress fields［J］. Journal of the Mechanics and Physics of Solids， 1969（3）： 201⁃217.
9	HANCOCK J W， MACKENZIE A C. On the mechanisms of ductile failure in high⁃strength steels subjected to multi⁃axial stress⁃states［J］. Journal of the Mechanics and Physics of Solids， 1976（2/3）： 147⁃160.
10	ARUMUGAM U， GAO M， KRISHNAMURTHY R， et al. Root Cause Analysis of Dent With Crack： A Case Study： 2012 9th International Pipeline Conference［C］. Calgary， Alberta， Canada， 2012.
11	薛涛. 含凹陷管道安全性研究［D］. 成都：西南石油大学， 2017.
12	查四喜. 地面沉降作用下埋地聚乙烯管道力学特性及损伤研究［D］. 西南石油大学， 2019.
13	WEE J， CHUDNOVSKY A， CHOI B. Crack layer model for semi⁃elliptical surface cracks in HDPE pipes and application in buried pipes with complicated loading conditions［J］. International Journal of Mechanical Sciences， 2021，208： 106680.

[1]	罗冠群, 赵乐, 潘雅琪. 废弃PE与PET共热解特性与动力学特性研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(3): 86-93.
[2]	蒲强何霞王国荣胡刚. 点载荷作用下聚乙烯燃气管道的损伤分析[J]. , 2024, 38(3): 67-72.
[3]	陈清江, 董志聪, 李红发, 吴毅江, 高松, 聂文翔, 罗应文. 改性纳米氧化镁交联聚乙烯复合材料的制备及其电气性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(2): 20-25.
[4]	吴志峰, 姜锐涛, 丁永跃, 潘新飞, 王志伟. 钢塑转换防腐层老化性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(2): 76-81.
[5]	赵晓波, 王国泰, 梁淑君. 聚硅氧烷包覆改性聚磷酸铵及其阻燃聚乙烯性能的研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(1): 86-91.
[6]	董党锋. 废旧聚乙烯/废旧聚丙烯/废硫渣复合改性剂含量对改性沥青性能的影响[J]. 中国塑料, 2023, 37(8): 101-106.
[7]	李红伟, 章勇锋, 齐武军, 阮刚勇, 阮沥波, 方宇超. 聚乙烯管道及其增强复合管道在实际工程应用中的问题[J]. 中国塑料, 2023, 37(8): 69-78.
[8]	吴海龙肖照华赵森龙李岩扈廷勇. 灰分对PE材料炭黑含量检测的影响[J]. , 2023, 37(7): 98-103.
[9]	周向阳, 林艺冰, 徐梓轩, 龚根香, 肖敏, 尹国强. 选择性透过CO₂气体PVA/淀粉膜制备及性能研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(2): 38-44.
[10]	许丽丹, 李瑜, 徐海云, 项鲁冰, 程德宝, 王志伟. 聚乙烯混配料管材与非混配料管材的性能对比研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(12): 78-83.
[11]	孙文潇, 杨帆, 侯梦宗, 贺丹丹, 吴慧, 刘强, 张宏. 环境中的微塑料污染及降解[J]. 中国塑料, 2023, 37(11): 117-126.
[12]	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.
[13]	万艳红. 氯化聚乙烯及专用料的研究进展[J]. 中国塑料, 2023, 37(11): 35-45.
[14]	王斌, 王振超, 何安淇, 程德宝, 王娅茹, 赵晓颖, 项爱民. 聚乙烯/炭黑复合材料电熔焊接研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(10): 111-116.
[15]	段凯歌, 朱辉, 倪佳, 泮豪, 周朝锡, 陈小蝶, 梅振威, 于东明. 热塑性交联聚乙烯（TPEXa）管材的制备及性能研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(1): 8-12.

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Damage analysis of PE gas pipes under point loading

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