埋地PE燃气管道失效机理的力学研究

论文摘要

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。

论文目录

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