加載歷史對聚乙烯管道損傷演化的影響

張 毅， 薛世峰， Ben Jar， 韓麗美， 趙嘉喜

(1．中國石油大學(xué)(華東) 儲運與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266555；2.阿爾伯塔大學(xué) 機械工程學(xué)院，加拿大 埃德蒙頓 T6G 2R3；3.南京工業(yè)大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，南京 211816)

0 引 言

聚乙烯(PE)材料因其具有優(yōu)良的物理和力學(xué)性能、良好的耐腐蝕性、便捷的安裝和維護過程以及至少50年的使用壽命而被廣泛用于制造排水和燃氣管道。根據(jù)美國運輸部管道和危險材料安全管理局的統(tǒng)計，2017年美國新安裝的燃氣管道90%以上是由PE材料制成的。然而,由于材料缺陷、第三方損傷以及地動等原因，PE管道的失效破壞甚至爆炸時有發(fā)生。PE燃氣管道的失效破壞極可能引發(fā)重特大事故，因此對PE材料力學(xué)性能以及損傷失效機理的研究對于防止事故的發(fā)生具有重要意義。

Lemaitre等[1]提出并比較了8種基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)(Continuum Damage Mechanics, CDM)的損傷測量方法。目前應(yīng)用最廣泛的損傷表征方法是通過循環(huán)加載卸載測得彈性模量的衰減，進而計算損傷變量及損傷演化規(guī)律。Borona等[2]采用有限元分析和試驗相結(jié)合的方法研究了低合金鋼在三軸應(yīng)力狀態(tài)下的韌性損傷行為。Celentano等[3]同樣采用有限元分析和試驗相結(jié)合的方法分析表征了鋼在塑性大變形下的損傷演化。Chiantoni等[4]采用X射線斷層攝影技術(shù)和超聲波檢測技術(shù)研究了P91鋼在高溫條件下的損傷演化規(guī)律。Abed等[5]研究了C45鋼在不同溫度和加載速度下的屈服應(yīng)力和損傷演化。在聚合物材料損傷研究方面，Gu等[6]采用加載卸載單軸拉伸試驗和有限元模擬相結(jié)合的方法研究了熱塑性塑料的損傷行為,并比較了不同損傷表征方法對最后得到損傷變量的影響。Zhang等[7]對高密度聚乙烯管材進行了損傷演化表征并研究了應(yīng)變率對損傷演化的影響。文獻[8-9]中分別采用無損超聲波技術(shù)檢測和表征聚乙烯材料的損傷演化過程。在微觀尺度方面，掃描電鏡、小/廣角度X射線散射技術(shù)以及原子力顯微鏡技術(shù)被用于研究半結(jié)晶聚合物材料的空洞化現(xiàn)象及其微觀機理[10-12]。Pawlak[13]通過對高密度聚乙烯材料孔隙現(xiàn)象的研究發(fā)現(xiàn)空洞形成與屈服點附近。文獻[14-15]中研究了聚丙烯和高密度聚乙烯材料的空洞化行為，并在2017年同時采用小角和廣角X射線散射技術(shù)研究了取向聚丙烯材料空洞的形成機理[16]。

雖然半結(jié)晶聚合物材料損傷表征方法及損傷機理的研究在最近取得了很大進展，但現(xiàn)有的損傷表征方法主要是針對金屬或者巖石等彈塑性材料，而PE材料具有復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)和非線性粘彈塑性力學(xué)行為, 并不適用于PE高分子聚合物材料。本文采用兩步實驗法定量描述PE管道損傷演化過程，并重點研究加載模式對PE損傷演化規(guī)律的影響。

1 實驗條件及方案

1.1 PE缺口圓環(huán)式樣

本文實驗采用的所有PE管道式樣都是取自Endot公司提供的直徑52.5 mm,壁厚5.84 mm的PE4710級高密度聚乙烯(HDPE)管道。參照ASTM: D2290-12[17]，本文采用的PE缺口圓環(huán)式樣及尺寸如圖1所示。為了使式樣韌帶區(qū)的應(yīng)力分布均勻，采用的缺口圓環(huán)式樣的缺口輪廓為直的，而不是上述標(biāo)準(zhǔn)采用的圓弧形輪廓。式樣韌帶長度(沿管道軸向方向)和寬度(即管道厚度)設(shè)計為相同的尺寸，這樣可以使韌帶區(qū)的長寬比為1，實驗中韌帶長度和寬度的收縮比是相同的，只需要測量一個方向的尺寸變化即可得到韌帶區(qū)橫截面積的變化。第1步實驗中采用的預(yù)應(yīng)變：

ε=2ln(ω0/ω)

(1)

式中,ω0和ω分別代表變形前、后的式樣韌帶長度。韌帶長度ω的變化是通過電子引伸計測量得到。

(a) (b)

(c)

1.2 實驗方法

本文采用分離盤法[17]對PE圓環(huán)式樣進行拉伸、蠕變和疲勞實驗，實驗裝置如圖2所示。采用兩步實驗法研究不同加載歷史對PE管道力學(xué)性能及損傷演化規(guī)律的影響。第1步實驗即損傷引入，通過單軸拉伸、蠕變或者疲勞3種加載模式將PE缺口圓環(huán)式樣拉伸到預(yù)先設(shè)定的預(yù)應(yīng)變值，然后保持位移不變進行3 h應(yīng)力松弛實驗，最后以0.1 mm/min的速度卸載式樣。第1步實驗采用的蠕變加載和疲勞加載實驗流程如圖2所示，蠕變實驗的力值保持為980 N,疲勞實驗的力中值為980 N,幅值為100 N。為了研究拉伸速度對PE式樣力學(xué)性能及損傷演化的影響，對單軸拉伸加載模式，采用了1、10 mm/min兩種加載速度。本文通過上述3種加載模式將五種預(yù)應(yīng)變引入到PE式樣，分別為10%、20%、30%、40%和45%。每個PE式樣有不同的預(yù)應(yīng)變值，即每個式樣有不同的損傷程度。因為PE材料有很強的非線性黏彈塑性力學(xué)行為，將第1步實驗的PE式樣放置2個月以讓黏彈性變形完全恢復(fù)，然后進行第2步實驗。第2步實驗即損傷表征，為了盡可能降低第2步實驗對PE式樣力學(xué)性能的影響，本文采用萬能試驗機所允許的最低拉伸速度0.001 mm/min對PE式樣進行第2次拉伸實驗以測量力學(xué)性能的變化。

(a) 蠕變加載

(b) 疲勞加載

圖2 第1步實驗流程示意圖

2 實驗結(jié)果分析

2.1 加載歷史對PE力學(xué)性能的影響

圖3所示為加載歷史對第2步實驗PE式樣真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的影響。實驗結(jié)果表明，不論第1步實驗采用單軸拉伸、蠕變還是疲勞加載模式，在真應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初期階段，真應(yīng)力隨著預(yù)應(yīng)變的增大而減小。但隨著應(yīng)變增大到某個臨界值，真應(yīng)力隨著預(yù)應(yīng)變的增大而增大。基于圖3計算得到真應(yīng)變?yōu)?.5%的切線模量。通過不同加載模式引入的預(yù)應(yīng)變對切線模量的影響如圖4所示。結(jié)果表明，切線模量隨著第1步實驗引入的預(yù)應(yīng)變值的增大而減小，對同一種預(yù)應(yīng)變，單軸拉伸引起的切線模量衰減最厲害，其次是疲勞加載，蠕變加載導(dǎo)致的切線模量衰減比疲勞加載稍小。從圖4也可以看出,加載速度越大，切線模量衰減越厲害，這也和文獻中的實驗結(jié)果趨勢相同[7,18]。

(a)

(b)

(c)

(d)

圖4 第1步實驗引入的預(yù)應(yīng)變對屈服應(yīng)力的影響

在進行第2步實驗之前對每個PE式樣的參與塑性應(yīng)變進行了測量，實驗結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明,隨著預(yù)應(yīng)變的增大殘余塑性應(yīng)變逐漸增大，并且對同一預(yù)應(yīng)變值單軸拉伸產(chǎn)生的參與塑性應(yīng)變最大，蠕變引起的殘余塑性應(yīng)變比疲勞稍大。

加載歷史對PE式樣屈服應(yīng)力的影響如圖6所示。需要指出的是這里的屈服應(yīng)力是第2步實驗中工程應(yīng)力的最大值。實驗結(jié)果表明，對加載速度為10 mm/min的單軸拉伸加載模式，隨著第1步實驗引入的預(yù)應(yīng)變的增大，屈服應(yīng)力逐漸降低。但是對于加載速度為1 mm/min的單軸拉伸、蠕變及疲勞加載模式，屈服應(yīng)力先是略微增大之后隨著預(yù)應(yīng)變的增加而減小。和前面實驗結(jié)果相似，單軸拉伸模式引起的屈服應(yīng)力下降最多，其次是蠕變和疲勞加載模式。

圖5 第1步實驗引入的預(yù)應(yīng)變對殘余塑性應(yīng)變的影響

圖6 第1步實驗引入的預(yù)應(yīng)變對屈服應(yīng)力的影響

2.2 加載歷史對PE損傷演化的影響

依據(jù)連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)的概念，損傷變量：

D=1-ED/E0

(2)

式中,ED和E0分別表示有損傷和無損傷PE材料的彈性模量。如圖7所示，根據(jù)實驗測得的切線模量變化可以計算得到PE材料在不同加載模式下的損傷演化規(guī)律。同時采用下式對實驗結(jié)果進行了擬合：

D=A[1-exp(-Bε)]

(3)

式中:A和B是擬合參數(shù)，具體數(shù)值見表1。實驗結(jié)果表明,速度為10 mm/min的拉伸加載產(chǎn)生的損傷起始最早、損傷程度最大。加載速度為1 mm/min的拉伸加載損傷起始比蠕變和疲勞晚，但當(dāng)應(yīng)變超過20%,損傷值比蠕變和疲勞加載產(chǎn)生的損傷大。第1步實驗采用疲勞加載比蠕變加載能導(dǎo)致更嚴重的損傷。

圖7 不同加載模式對應(yīng)的損傷演化過程

表1 擬合參數(shù)表

3 結(jié) 論

(1) 采用兩步實驗法定量分析了加載歷史對具有強非線性、黏彈塑性力學(xué)行為的PE材料力學(xué)性能及損傷演化的影響。

(2) 單軸拉伸、蠕變及疲勞加載模式都會引起切線模量和屈服應(yīng)力的降低，其中單軸拉伸引起的力學(xué)性能衰減最厲害，疲勞加載模式次之，蠕變加載引起的力學(xué)性能衰減最輕，并且加載速度越快性能衰減越厲害。

(3) 基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)建立了PE管道在不同加載模式下的損傷演化方程，當(dāng)應(yīng)變大于20%時單軸拉伸損傷最大，疲勞損傷次之，蠕變損傷最小。