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埋地PE燃气管道失效机理的力学研究

作　者: 李明阳
导　师: 陈国华
学　校: 华南理工大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 聚乙烯埋地燃气管道粘弹性有限元分析管土相互作用
分类号: TU996.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

聚乙烯(Polyethylene,PE)燃气管道以优异的性能逐步取代钢管,在地下燃气管网中得到广泛应用。PE燃气管失效可能引发重特大事故,它的失效机理及其力学研究对于防止事故发生具有重要意义。国内外依靠解析法对埋地PE燃气管道进行力学研究,该方法难以考虑管道蠕变行为及管土相互作用,计算结果也不够准确。另一方面,PE管常规实验条件要求苛刻,难以推广应用。为此,论文针对埋地PE燃气管道失效影响因素,初步建立了一套针对工程实际情况的埋地PE燃气管道力学分析方法,不仅考虑了管道受到交通载荷作用的特殊情况,而且考虑了管土相互作用和管材的粘弹性,使得分析结果更接近真实情况。同时还设计了简易实验对PE管材进行力学性能测试,为PE管的质量评定和长期力学性能测试提供了新方法。主要工作如下:(1)PE管材力学性能的实验研究。基于粘弹性理论,自行设计PE管恒侧压实验,测定管道蠕变性能,运用管材拉伸性能测试实验测定管材拉伸屈服应力和断裂伸长率,该实验结果反映了管道的强度和韧性,这两个简易实验可用于管材的质量评估。(2)PE管材粘弹性力学模型的建立。根据查阅资料得到的HDPE管材松弛模量曲线,推导高密度聚乙烯管材粘弹性力学模型Prony级数,将其作为管道材料参数,对已完成的PE管恒侧压实验进行有限元分析,将有限元分析结果和实验结果相比较,验证了粘弹性力学模型。(3)埋地PE燃气管道的力学分析。应用ANSYS软件,将已建立的PE管材粘弹性力学模型作为材料参数,建立埋地PE燃气管道有限元模型,考虑交通载荷作用,对模型进行瞬态分析,得到管道应力及直径变形量随时间的变化关系曲线,研究管道埋深、服役时间对管道力学性状的影响,对国外埋地PE管仿真实验进行力学分析,验证论文分析结果的准确性。结果表明,聚乙烯的粘弹性可降低管道应力梯度,管顶覆土可减小交通载荷对PE管道的作用力,在满足设计标准的前提下适当增加管道埋深可提高管道寿命。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-12
符号说明  12-14
第一章绪论  14-27
  1.1 研究背景及意义  14-16
    1.1.1 埋地PE 燃气管的发展现状  14-15
    1.1.2 本课题的研究意义  15-16
  1.2 国内外研究现状  16-21
    1.2.1 聚乙烯管材的发展  16-17
    1.2.2 PE 管道失效机理的研究  17
    1.2.3 PE 管实验方法的研究  17-18
    1.2.4 PE 管裂纹扩展的力学分析  18-19
    1.2.5 埋地PE 管道的力学研究  19-20
    1.2.6 存在的问题与分析  20-21
  1.3 埋地PE 燃气管道失效机理及其影响因素  21-24
    1.3.1 埋地PE 燃气管道失效机理  21-22
    1.3.2 管材性能  22
    1.3.3 时间  22
    1.3.4 温度  22
    1.3.5 划痕和缺陷  22-23
    1.3.6 管道设计及安装铺设方式  23
    1.3.7 各种载荷引起的力学破坏  23-24
  1.4 主要研究内容和方法  24-27
    1.4.1 研究内容  24-25
    1.4.2 研究方案  25-27
第二章聚乙烯管材的力学性能与力学模型  27-41
  2.1 引言  27
  2.2 聚乙烯材料的力学性能表现  27-28
    2.2.1 蠕变现象  27-28
    2.2.2 松弛现象  28
  2.3 聚乙烯管材粘弹性力学模型的计算  28-31
    2.3.1 粘弹性力学模型Prony 级数  28-30
    2.3.2 聚乙烯管材Prony 级数参数的确定  30-31
  2.4 聚乙烯管材拉伸性能测试  31-39
    2.4.1 实验目的及原理  31
    2.4.2 实验设备介绍  31-33
    2.4.3 试样介绍  33-35
    2.4.4 实验方法  35-36
    2.4.5 实验结果处理  36-39
  2.5 本章小结  39-41
第三章聚乙烯管恒侧压实验及有限元分析  41-58
  3.1 引言  41
  3.2 恒侧压实验  41-46
    3.2.1 实验设计及原理  41-42
    3.2.2 实验试样  42
    3.2.3 实验设备  42-43
    3.2.4 实验方法  43-45
    3.2.5 实验结果  45-46
  3.3 PE 管恒侧压实验有限元分析  46-56
    3.3.1 有限元模型  46
    3.3.2 材料属性  46-47
    3.3.3 管道与夹具的相互接触  47-49
    3.3.4 边界条件及加载  49
    3.3.5 求解控制  49-50
    3.3.6 求解结果  50-56
  3.4 本章小结  56-58
第四章埋地PE 燃气管道的数值模拟分析  58-77
  4.1 引言  58
  4.2 埋地PE 燃气管道失效判据  58-59
    4.2.1 埋地PE 燃气管道安全性的判别  58-59
    4.2.2 埋地PE 燃气管道失效模式的判别  59
  4.3 埋地PE 燃气管道的力学分析  59-65
    4.3.1 聚乙烯管的埋地敷设  59-61
    4.3.2 管土相互作用  61-62
    4.3.3 埋地PE 燃气管的变形  62-63
    4.3.4 地面载荷对埋地PE 燃气管的作用  63-65
  4.4 埋地PE 燃气管道数值模拟  65-68
    4.4.1 主要计算参数  65
    4.4.2 有限元模型  65-67
    4.4.3 管土相互作用和边界条件  67
    4.4.4 交通载荷的计算  67
    4.4.5 模型求解  67-68
  4.5 求解结果分析  68-73
    4.5.1 管道蠕变行为分析  68
    4.5.2 管道应力变化分析  68-69
    4.5.3 管顶覆土厚度的影响  69-73
  4.6 求解方法验证  73-75
  4.7 本章小结  75-77
结论与展望  77-79
  结论  77
  展望  77-79
参考文献  79-83
攻读硕士学位期间取得的研究成果  83-84
致谢  84

埋地PE燃气管道失效机理的力学研究

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