PE管裂纹扩展过程研究范文

《化工生产与技术杂志》2015年第一期

1仿真模型的建立

选取SDR11的PE100燃气管，公称外径dn=160mm，公称壁厚en=14.6mm。为了真实的模拟在役管道的状况，消除边界效应，减少边界约束的影响，根据圣维南原理，有限元模型的长度至少取管线直径的3～5倍，选管线为长1m。在管道偏离中间部位30mm处建立外径180mm、厚度10mm、长20mm的金属环，使之能约束管道在内部加压时径向的变形，减小裂纹扩展的动力，进而约束裂纹扩展。在管道的中间部位内表面建立狭窄长方体缺陷，缺陷的长、宽、高可变。有约束管道模型和有约束内表面缺陷模型分别见图1和图2。管件中间位置管内壁轴线方向的裂纹缺陷，尺寸范围见表1。选用Solid187单元，材料的性能参数取EX（弹性模量）为890MPa，PRXY（泊松比）为0.41，金属环的EX为200GPa，PRXY为0.3，管道内压为1MPa。根据表1，可得出1440组不同的缺陷模型，产生1440组计算结果，最终得到不同尺寸缺陷下的应力分布。由应力集中理论可知，无论缺陷大小如何变化，应力集中点主要出现在缺陷端部的线或面上。因此，在每次计算过程中都提取缺陷端部节点的所有应力，提取出最大应力。缺陷计算应力云见图3。

2结果与分析

由于裂纹宽度增加，会导致应力集中现象减弱，最大应力减小。为了简化，只分析裂纹宽为1mm、长度由1mm增长到80mm，深度由1mm增长到9mm的情况。当有金属环约束存在时，裂纹在扩展过程中，在长度接近30mm时开始受到金属环的约束。裂纹长度超过50mm时，裂纹开始摆脱金属环约束自由地向远离金属环的轴向增长传播。有、无环向约束情况下裂纹最大应力变化规律如图4所示。由图4(a)可知，在无金属约束环时，同一裂纹深度下，随着裂纹长度的不断增加，裂纹增长方向前端面的最大应力不断增加，而且在长度较小的时应力增加较快，裂纹长度较大的时，最大应力增长速度有所减慢。随着裂纹深度的增加，裂纹最大应力增加，最大达45.12MPa，已超过PE100管材的屈服极限。由此可知，当裂纹深度较大时候，裂纹会在动力的作用下不断向外扩展，直至破裂。

由图4(b)可知，有金属环约束时，在同一裂纹长度下，随着裂纹深度的增加，裂纹前端最大应力也呈增长趋势。在裂纹轴向扩展开始阶段（远离约束），随着裂纹长度的增加最大应力在不断增加，但是在渐接近约束时，最大应力出现减小趋势。裂纹在约束作用下扩展过程中随着长度的增加，最大应力基本保持不变，较PE100材料的屈服极限小很多，即在没有外力作用时裂纹一般不会再向外扩展。当裂纹长度增加到越过约束金属环时，随着裂纹长度的增加，裂纹最大应力又出现增大的趋势。而且在长度为78mm、深度为9mm时，最大应力达到22.59MPa，接近管材的屈服极限。综上分析表明，PE管外部金属环对管道内部裂纹扩展具有抑制作用。

3结论

本研究对塑料管道内表面不同尺寸裂纹缺陷在有无约束的情况下进行了仿真分析，计算出不同尺寸缺陷在有无约束时的最大应力计算，通过分析得出以下结论：1)随着裂纹缺陷的轴向和径向发展，裂纹尖端最大应力值不断的增大，可达到甚至超过管材的屈服极限。2)管材外表面有约束的存在，可有效降低裂纹的扩展速度和动力，从而减慢或阻止裂纹的进一步扩展。

作者：李俊李涛张应迁王仕芳单位：四川理工学院