基于Matlab的聚乙烯管韧性破坏的分析计算

断裂韧性测试一.影响管线钢韧性的材料学因素所谓韧性，是指材料在外载荷作用下抵抗开裂和裂纹扩展的能力，也就是材料在断裂前所经历的弹塑性变形过程中吸收能量的大小，它是强度和塑性的综合体现。

准确地测试管线材料的断裂韧性不仅可确保管道使用的安全性，而且是在新产品研发中评价其冶金因素是否满足管材韧性要求的有效途径。

在前面成分分析部分已经详细论述了管线钢中各个合金元素对韧性的影响，这里就不在赘述。

除了成分的影响外，影响韧性的因素还包括晶粒尺寸、组织结构、夹杂物的形态与分布等。

晶粒尺寸晶粒尺寸是唯一既能强化又能韧化的因素，在管线钢的控制轧制过程中，细化晶粒已作为韧化的一个重要的手段。

实践证明，现代控轧工艺已经使得超细晶粒钢称为现实。

对于少珠光体钢，晶粒尺寸可细化至几个微米。

不同组织的管线钢以及管线钢中的各个组织所占比例不同，韧性也会显著不同。

在铁素体-珠光体管线钢中，随着珠光体含量的增加，管线钢的韧性降低，韧脆转变温度同时降低[1]。

目前普遍认为针状铁素体管线钢是具有良好的强韧匹配的。

实际上，针状铁素体型管线钢的显微组织通常为针状铁素体和多边形铁素体的混合组织，随着加速冷却速率的提高，可能在组织中出现分布的M-A小岛[2]。

一般认为多边形铁素体不是管线钢的理想组织形态[3]。

对于针状铁素体的强韧性，Tanaka[4]认为：针状铁素体组织与贝氏体组织相比，有高的韧性原因是贝氏体具有较大的断裂单元(有效晶粒尺寸)，而针状铁素体具有较小的断裂单元(有效晶粒尺寸)。

但Tanaka同时认为，100%的针状铁素体具有高的强度，但韧性较低。

而提高韧性的有效方法是通过降低变形温度并增加在奥氏体非再结晶区的变形量获得细小晶粒的多边形铁素体加针状铁素体的混合组织。

韧性提高的原因是多边形铁素体及针状铁素体的细化[5]。

肖福仁认为：在针状铁素体中，裂纹扩展必定强烈地受到彼此咬合、互相交错分布的细小的针状铁素体条束的阻碍，从而有效地提高了钢的强韧性[5]。

低温对聚乙烯材料性能影响的研究聚乙烯护套其本身优良的耐酸碱性及拉伸性能，在桥梁拉索护套上广泛运用。

桥梁用聚乙烯护套存在韧性低、环境应力开裂性能差等问题，文章针对聚乙烯材料护套低温环境下的应力变化开展调查研究，从拉伸屈服强度、冲击韧性和应力方面开展调查研究，提出采用新型材料代替现有技术，通过超高分子量及共混改性等特性为解决聚乙烯护套低温脆裂的提供解决方案。

标签：聚乙烯护套；超低温；应力开裂前言聚乙烯护套为惰性材料，具有优良的耐酸、碱、有机溶剂等特性，除少数强氧化剂外，可耐多种化学介质的侵蚀，无电化学腐蚀。

可以连续成型，在桥梁索体表面形成密实的连续防护层，具有较高表面硬度、刚性和拉伸强度。

但聚乙烯护套也存在着韧性低、环境应力开裂性能差等问题，尤其是在低温环境下，容易出现脆裂的现象。

1 聚乙烯材料拉伸屈服强度随温度变化多数聚乙烯材料的环境应力开裂是一种脆性断裂现象，非化学变化。

断裂时聚乙烯材料未发生塑性变形的过程，没有明显的伸长或颈缩现象，表面呈现出现碎片状。

低温易导致材料变硬、变脆、柔韧性降低或消失，在低温状态下，聚乙烯材料的拉伸强度、伸长率、冲击强度和弯曲强度有明显的变化，根据实际的试验测试可得出以下结论：（1）聚乙烯材料随温度的降低，拉伸强度和弯曲强度逐渐增强。

（2）聚乙烯材料随温度的降低，伸长率和冲击强度逐渐减弱。

根据天津市管道工程集团有限公司保温管厂赵敬云的研究，聚乙烯材料拉伸屈服强度随温度的变化趋势有显著的特征。

在不同的温度环境下，聚乙烯材料对应的拉伸屈服强度和断裂伸长率变化情况呈现截然不同的变化趋势，实际的变化如图1、图2所示[1]。

关于聚乙烯材料的拉伸屈服强度的变化趋势：（1）在环境温度为-40～-30℃區间，随着温度的逐渐升高，聚乙烯的拉伸屈服强度降低较快，温度升高1℃，其对应的拉伸屈服强度减少0.5MPa。

（2）在环境温度为-30～0℃区间，随着温度的逐渐升高，聚乙烯的拉伸屈服强度的趋势逐渐减缓，温度升高1℃，其对应的拉伸屈服强度减少0.4MPa。

PVC管的性能参数及与PE管的比较硬质聚氯乙烯管（PVC-U）具有较高的抗冲击性能和耐化学腐蚀性能。

它可根据使用要求的不同，在加工过程中添加不同的添加剂，使其具有不同的物理和化学性能。

根据结构形式不同，它又可分为螺旋消声管、芯层发泡管、径向加筋管、螺旋缠绕管、双壁波纹管和单壁波纹管。

PVC-U管主要用于城市供水、城市排水、建筑排水和建筑给水等输送管道。

其性能参数如下：1.PVC管与PE管的比较聚氯乙烯管应用的历史最久，目前在世界各地仍被广泛的应用。

这是因为聚氯乙烯具有强度较高、刚性较大、材料价格比较低等优点，而且已经有了丰富的使用经验。

但是近十几年来，国际上聚乙烯管的发展速度明显要快于聚氯乙烯管。

例如：在给水管领域正在越来越多的应用聚乙烯管，而且在不少地区给水管领域应用聚乙烯管的数量已经超过聚氯乙烯管；在输配气管领域则几乎不使用聚氯乙烯管；在埋地排水领域也越来越多的使用各种聚乙烯管。

为什么聚乙烯管材、管件发展如此迅速呢？分析其原因主要是三方面：1•管材用聚乙烯材料不断取得重大技术进步；2.聚乙烯管的柔韧性和可熔接性使其在铺设时方便经济和使用中安全可靠；3.环境保护的要求越来越高。

1.1管材用聚乙烯材料不断取得重大技术进步聚乙烯是塑料材料中用量最大的品种，分为高密度聚乙烯（HDPE）、中密度聚乙烯（MDPE）和低密度聚乙烯（LDPE），其应用领域特别广阔，用于制造管材、管件是其用途之一，但并不是所有的聚乙烯都适合用于管材、管件生产，要制造高品质的聚乙烯管材、管件，必需采用专门为此开发的“聚乙烯管材专用料”，低密度聚乙烯只能用于低压小直径的管材，给水、输气聚乙烯管主要应用高密度和中密度聚乙烯的管材专用料。

在管材发展初期，聚乙烯管应用量远小于聚氯乙烯管，其主要原因是经济性。

那时候高性能的聚乙烯管材专用料还没有开发出来。

早期的聚乙烯材料大约相当于 PE63 以下的级别，因为强度低，在同样的使用条件下（同样的压力和直径），聚乙烯管的壁厚要比聚氯乙烯管厚一倍以上。

管道应力分析和计算管道应力分析和计算目次1 概述1.1 管道应力计算的主要工作1.2 管道应力计算常用的规范、标准1.3 管道应力分析方法1.4 管道荷载1.5 变形与应力1.6 强度指标与塑性指标1.7 强度理论1.8 蠕变与应力松弛1.9 应力分类1.10 应力分析2 管道的柔性分析与计算2.1 管道的柔性2.2 管道的热膨胀补偿2.3 管道柔性分析与计算的主要工作2.4 管道柔性分析与计算的基本假定2.5 补偿值的计算2.6 冷紧2.7 柔性系数与应力增加系数2.8 作用力和力矩计算的基本方法2.9 管道对设备的推力和力矩的计算3 管道的应力验算3.1 管道的设计参数3.2 钢材的许用应力3.3 管道在内压下的应力验算3.4 管道在持续荷载下的应力验算3.5 管道在有偶然荷载作用时的应力验算3.6 管系热胀应力范围的验算3.7 力矩和截面抗弯矩的计算3.8 应力增加系数3.9 应力分析和计算软件1 概述1.1 管道应力计算的主要工作火力发电厂管道（以下简称管道）应力计算的主要工作是验算管道在内压、自重和其他外载作用下所产生的一次应力和在热胀、冷缩及位移受约束时所产生的二次应力；判断计算管道的安全性、经济性、合理性，以及管道对设备产生的推力和力矩应在设备所能安全承受的范围内。

管道的热胀应力应按冷、热态的应力范围验算。

管道对设备的推力和力矩应按冷状态下和工作状态下可能出现的最大值分别进行验算。

1.2 管道应力计算常用的规范、标准（1）DL/T 5366－2006火力发电厂汽水管道应力计算技术规程（2）ASME B 31.1－2004动力管道在一般情况下，对国内工程采用DL/T 5366进行管道应力验算。

对涉外工程或顾客有要求时，采用B 31.1进行管道应力验算。

1.3 管道应力分析方法管道应力分析方法分为静力分析和动力分析。

对于静荷载，例如：管道内压、自重和其他外载以及热胀、冷缩和其他位移荷载作用的应力计算，采用静力分析法。