（材料加工工程专业论文）高密度聚乙烯压力管道热板焊接接头应力场有限元模拟.pdf

摘要 焊接技术( 一般为热熔焊接和电熔焊接两种方法) 是：r ：稃塑料篱道的主要连 接方法，往其焊接i i ；1 i 造过程，礼不r q 避免地产生焊接残余应力与变形，巍接影响 高密度工程魍料褥道的安全应用。繁于高密度聚乙烯( i g hd e n s i t y p o l y e m v e n e ，简称h d p e ) 管道在我困燃气工业t p 的翻益酱及，行腱管道结构焊 接过程应力应变的数值模拟研究，为控制、调整和减少焊接残余应力与变形提供 磷论依据，具有重要的学术价值和现实意义。 本文以热一粘弹| = ! i ：理沦为基础，利用a n s y s 大型有限元分析软件，河次对 商密度聚乙烯镑道热板焊接接头应力应变场和残余应力进行数值模拟。本研究的 主要工作和成果有以下几个方面：建立高密度聚乙烯管道热板焊接接头焊按温度 场和应力应变场三维有限元分析模型，基于热热粘弹性有限元方法 ：考虑材料热 物王| | = ! 性能和力学性能依赖习二温度丽变化，即材料非线性。模拟了实际焊接过程的 温度场以及管道焊接接头应力应变场的变化和残余应力的分布。结果表明轴向没 有应力产生；环向应力在近加热端面处为压应力，远端为拉应力；管壁厚度方向的 应力分布为内外表面附近为压应力，心部为拉应力。三者的机理各不相同，但是 三者的应力水平却都很低。分别采用盲孔法和切割法对h d p e 管接头焊后残余应 力进行了测量，结果表明，焊后残余应力已经松弛完毕，即焊后接头内没有残余 应力。同时也证明了模拟结果的正确性以及热板焊焊接方法本身是低应力的焊接 方法。应用大型有限元软件a n s y s 并考虑固液相变问题对h d p e 热板焊接接头 温度场进行了数值模拟研究。结果表明，热板焊接温度场等温面在轴向截面的曲 线是有向端面凸出的形状。在玻璃化温度附近的低温下用有限元法模拟了h d p e 管热板焊接接头的应力水平及应力分布。结果表明，在低温下( 玻璃化温度附近) h d p e 管热板焊接接头将产生一定的残余应力，经历低温影响严重的内表面区域 为拉应力，由于内应力平衡而使外表面对应的区域为残余压应力，其中内表面区 域的残余拉应力的应力水平要比外表面的残余压应力高近一个数量级。但是在玻 璃化温度附近至室温这样的温度变化范围产生的温度应力不足以使h d p e 材料 发生破坏。同时，测量了经历过低温一常温热循环的h d p e 管热板焊接接头外表 面的残余应力，结果证明其外表面中心区域为压应力，至管端逐渐过渡到拉应力， 并在近端面处出现拉应力峰，压应力最大值则位于管接头中心处，应力分布和应 力水平与有限元模拟结果基本符合。为了评价和对比热板焊接方法的应力水平， 本文应用有限元法模拟了与其过程相似的低碳钢棒电阻对接焊的焊接温度场和 应力场，经类比分析得出论，证实了热板焊接方法是造成其焊接应力水平低的重 要原因。建立了描述塑料热板焊接传热问题的考虑固液相变的简化数学模型并给 出解析解，从而得到热板焊接关于时间和一维位置坐标的双参数轴向温度分布曲 线。由此可以确定轴向任一位置在任一时刻的温度值；可以确定熔层厚度和加热 时间的关系；可以确定在任一时刻液、固两相区的轴向温度分御曲线。 关键词：高密度聚乙烯 焊接应力应变 塑料管道热熔对接焊热板焊 残余应力有限元分析粘弹性 a b s t r a c t h i g hd e n s i t ye n g i n e e r i n gp l a s t i cp i p e i so n eo ff i r ei m p o r t a n t d e v e l o p i n ga l m s f o r t h ep i p e i n d u s t r yp r e s e n t l y 。i th a sb e e na p p l i e dt ot r a n s p o r tt h ew a t e r ，g a s ，a n d c o r r o s i v el i q u i db e c a u s eo fi t sl o w p r i c e ，e a s i l yi n s t a l l e da n dg o o dc o r r o s i v er e s i s t a n c e w e l d i n gt e c l m o l o g y i st h em a i nm e t h o dt oj o i ne n g i n e e r i n g p l a s t i cp i p e s ，a n dd i r e c t l y a f f e c t st h e s a f e t ya p p l i c a t i o no fh i g h d e n s i t ye n g i n e e r i n gp l a s t i cp i p e t h ew e l d h a g r e s i d u a ls t l e s s e sa n dd e f o m l a t i o na r ei n e v i t a b l yp r o d u c e di nt h ew e l d i n gp r o c e s so f t h e s e ss t r u c t u r e s r e c e n t l yt h ea p p l i c a t i o no f h i g h d e n s i t yp o l y e t h y l e n e ( h d p e ) p i p e b e c o m e sm u c hm o r ep o p u l a r t oi n v e s t i g a t et h en u m e r i c a ls i n m l a t i o no ft h ew e l d i n g r e s i d u a ls t r e s s e sa n dd e f o m l a t i o f ii nt h e p i p es t r u c t u r e s ，a n d t h u st o p r o v i d e t h e t h e o r e t i c a lb a s i st b rt h ep r e v e n t i n g ，c o n t r o l l i n ga n dr e g u l a t i n gt h ew e l d i n gr e s i d u a l s t r e s s e sa n dd e f o r m a t i o na r ev e r yi m p o r t a n ti nb o t ha c a d e m i cr e s e a r c ha n d p r a c t i c e i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so ft h et h e r m a l v i s c o e l a s t i ct h e o r y , at h r e e - d i m e n s i o n a l f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a la n a l y s e sa r e s y s t e m i c a l l yp e r f o r m e do nt h e b u t t - f u s i o n w e l d e ds t r e s s s t r a i nf i e l da n dr e s i d u a ls t r e s s e so f t h eh d p e p i p ef o r t h ef i r s tt i m e t h e a n s y sf i n i t ee l e m e n t p r o g r a m i su s e d a n dt h ef i n i t e e l e m e n tn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n r e s u l t so fr e s i d u a ls t r e s sa r ev e r i f i e db yb l i n dh o l ed r i l l i n gm e t h o da n dt h ec u t t i n g m e t h o d t h eb u t t f u s i o nw e l d e ds t r e s s s t r a i nf i e l da n dr e s i d u a ls t r e s s e sd i s m b u t i o no f t h eh d p ep i p ew a ss i m u l a t e d b y a n s y sf i n i t ee l e m e n tp r o g r a mn e a r b yt h e v i t r i f i c a t i o np o i n to f t h eh d p em a t e r i a l s i no r d e rt oa n a l y s i st h es t r e s s1 e v e lo f t h eh o t p l a t ew e l d i n g m e t h o d si t s e l f ，t h es t r e s s - s t r a i nd i s t r i b u t i o na n di t sl e v e l so nt h eu p s e t b u t tw e l d i n go f t h e3 0 # l o w - c a r b o ns t e e lb a rw a sp e r f o r m e d b ya n s y s f e m p r o g r a m a ni d e a lp h y s i c a lm o d e l ，d e s c r i b i n gt h eh e a tt r a n s f e r p r o b l e mi n t h eh o tp l a t e w e l d e dp a r t so fp l a s t i c s ，w a sb u i l ta n ds t u d i e di nt h i sp a p e r t h ep a p e rc o v e r st h e f o l l o w i n ga s p e c t sc o n c e r n i n g t h em a i nw o r ka n dr e s e a r c hi nt h ep r o j e c t ， af i n i t e - e l e m e n tm o d e lb a s e do nt h et h e o r yo ft h e r m a lv i s c o e l a s t i cm a t e r i a l so f t h eh o tp l a t ew e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s s - s t r a i nf i e l di sf o u n d e da n dt h e m a t e r i a ln o n l i n e ( i tm e a n st h a tt h et h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ft h em a t e r i a la r e d e p e n d i n g o nt h e t e m p e r a t u r e a n dc h a g i n g ) i s c o n s i d e r d t h e t e m p e r a t u r e f i e l do fr e a l w e l d i n gp r o c e s s a n dt h e c h a n g e s o f s t r e s s s t r a i nf i e l d si nb u t t ，f u s i o nw e l d sa n dt h er e s i d u a l s t r e s sd i s t r i b u t i o n sa r e a c c u r a t e l ys i m u l a t e d t h er e s u l t so f f i n i t e - e l e m e n tn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nr e v e a l st h a t t h ea x i a ls t r e s si sn e a rt 1 1 en i l a sf o rt h eh o o ps t r e s s ，b o t ht h ei n s t a n t a n e o u sa n dt h e r e s i d u a la tt h ew e l da n dw e l d v i c i n i t y ，a r ec o m p r e s s i o ns t r e s s a tt h es a m et i m e ，t e n s i l e s t r e s s e sa r ea p p e a r e do nt h ei n n e rs u r f a c eo ft h ep i p ew a l l w h i l ew i t ht h ei n c r e a s eo f t h ed e p a r t u r ef r o mt h ew e l d ，b o t ht h ei n s t a n t a n e o u ss t r e s sa n d t h er e s i d u a ls t r e s sa tt h e w e l da n dw e l dv i c i n i t ya r et e n s i l es t r e s si nt h ei n n e rs u r f a c eo ft h ep i p e ，a n dt e n s i l e s t r e s s e sa r eo nt h ei n t e r f a c eo ft h ep i p ew a l l a sf o rt h eo u t e rs u r f a c e ，i ti ss i m i l a rt o t h ei n n e rs u r f a c e ，w h i c ht h e r ei sc o m p r e s s i o ns t r e s sa tt h ew e l da n dw e l dv i c i n i t ya n d t e n s i l es t r e s s e so nt h ef a r - e n d a n dw h a ti m p r e s s e du sm o s ta r et h el e v e lo fw e l d e d s t r e s si sv e r yl o wa n dt h er e s i d u a ls t r e s sa tt h ew e l da n dw e l dv i c i n i t yi sc o m p l e t e l y r e l a xw i t h i no n eh o u r i ti m p l i e st h a tt h e r ei sn or e s i d u a ls t r e s si nt h eh d p eb n t t - f u s i o n w e l d e dj o i n t s 1 1 h e s e sr e s u l t sa b o v ea r ev e r i f i e d s u b s e q u e n t l yb yb l i n dh o l ed r i l l i n g m e t h o da n dt h ec u t t i n gm e t h o d r e s p e c t i v e l y i t sa l s om e a n st h a tt h eh o tp l a t ew e l d i n g m e t h o di t s e l fi sal o wl e v e ls t r e s sm e t h o d i no r d e rt oc o n s i d e r i n gt h el a t e n th e a t 、i t l s o l i d f l u i dp h a s ec h a n g ep r o b l e m ，a ne n t h a l p y - t e m p e r a t u r ep o g r a mi sd e f i n d e dw h e n a n a l y s i st h et e m p e r a t u r ef i e l do n t h et h eh d p eb u t t f u s i o nw e l d e d j o i n t sb ya n s y s f e m p r o g r a m t h er e s u l t sr e v e a l su st h a tt h et e m p e r a t u r ef i e l d sc r o s ss e c t i o nc u r v e o ft h ei s o t h e r m a ls u r f a c ei s p r o j e c tt o w a r dt h et e r m i n a l f a c e t l l i si sb e c a u s et h e q u a n t i t yo f h e a ti sc o n d u c t e db yt h eh o tp l a t e ，w h i c hm e a n st h eh e a tw o u l d p a s st h e c i r c u m f e r e n t i a ls y m m e t r yp l a n eo fb o t ht h ei n n e rs u r f a c ea n dt h eo u t e rs u r f a c eo f t h e p i p e c o r r e s p o n d i n g l y , t h ep r o f i l er e g i o np r e s s i n gc l o s et ot h ei n n e rs u r f a c eo rt h e o u t e rs u r f a c ei sf o r c e d b e i n g h e a t e de v e nm o r e i n t e n s i v e l y a s a r e s u l t ，t h e i n h o m o g e n e i t yd e p t ho ff u s i o ni n c r e a s e d t h e b u t t - f u s i o nw e l d e ds t r e s s s t r a i nf i e l d a n dr e s i d u a ls t r e s s e sd i s t r i b u t i o no ft h eh d p e p i p ew a ss i m u l a t e db ya n s y s f i n i t e e l e m e n tp r o g r a mn e a r b yt h ev i t r i f i c a t i o np o i n to ft h eh d p em a t e r i a l s t h er e s u l t s s h o wt h a tt h e r ei ss u r e l ys o m er e s i d u a ls t r e s si nt h eh d p eb u t t - f u s i o nw e l d e d j o i n t s a sh a sb e e nu n d e r g ot i r el o wt e n l p e r a t u r e ，t h er e s i d u a ls t r e s si nt h ei n n e rs u r f a c e r e g i o nd i s p l a y sat e n s i l es t r e s sw h i l et h eo u t e rs u r f a c eo n e i sc o m p r e s s i v e h o w e v e r ， t h er e s i d u a ls t r e s sl e v e l so nt h ei l i n e rs u r f a c ei sa b o u tf i v eo rs e v e nt i m e st h a no nt h e o u t e rs u r f a c e a tt h es a m e t i m e ，t h er e s u l t sv e r i f i e dt h ef a c tt h a tt h es t r e s sl e v e lc a u s e d b yt e m p e r a t u r er e g i o nf r o mt h er o o m t e m p e r a t u r et ot h ev i t r i f i c a t i o np o i n tc a nn o t d a m a g eh d p e m a t e r i a l t h ew e l dr e s i d u a ls t r e s s e sd i s t r i b u t i o n so ft h eh d p e p i p e s o u t e rs u r f a c ew i t hl o wt e m p e r a t t t r ea r e c o m p a r a t i v e l y m e a s u r e db yb l i n dh o l e d r i l l i n g m e t h o d t h er e a lm e a s u r e m e n t so ft h e r e s i d u a ls t r e s s e sa r e b a s i c a l l y a g r e e m e n t w i t ht h en u m e r i c a lr e s u l t sd i s t r i b u t i o np a t t e r n so fu s i n gt h ef i ? , mm o d e li n o r d e rt o a n a l y s i s t h es t r e s sl e v e lo ft h eh o tp l a t ew e l d i n gm e t h o d si t s e l f ，t h e s t r e s s - s t r a i nd i s t r i b u t i o na n di t sl e v e l so nt h eu p s e tb u t tw e l d i n go f t h e3 0 # l o w - c a r b o n s t e e lb a rw a sp e r f o r m e db ya n s y sf e mp r o g r a m o nt h eb a s i so ft h i s a n a l o g u e s i m u l a t i o nh e r e ，w ec a ns u r e l yt oc o n c l u d et h a tt h eh o tp l a t ew e l d i n gi sam e t h o dw i t h l o wl e v e ls t r e s s a ni d e a lp h y s i c a im o d e l ，d e s c r i b i n gt h eh e a tt r a n s f e rp r o b l e mi nt h e h o t p l a t ew e l d e dp a r t so f p l a s t i c s ，w a s b u i l ta n ds t u d i e di nt h i sp a p e r a ne x a m p l ew a s t h e np r e s e n t e dt ob r i n go u tt h et e s to ft h i sm o d e l ，u s i n gt w op a r a m e t e r s ：t h ea x i a l t e m p e r a t u r ep r o f i l ef o rd i f f e r e n th e a t i n gt i m ea n dt h eh e a t i n gt i m eo fr e q u i r e dm e l t d e p t h c o m p u t e dr e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n t a ld a t a t h ea p p r o a c h h e r ei si m p o r t a n tt ot h e o r ya n dm o r ea p p l i c a b l ei nr e a l i s t i cc a s e s k e yw o r d s ：h i g h d e n s i t yp o l y e t h y l e n e ( h d p e ) h o t p l a t ew e l d i n g v i s c o e l a s t i c i t y r e s i d u a ls t r e s s e s b u t t f u s i o nw e l d i n g f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s w e l d i n g s t r e s s s t r a i n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盔盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 靴敝储獬：和形绎替聃叻，多咿月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫凄盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密屠适用本授权说明) 靴敝储戳：确凡烽 签字日期：三口一，年眵月；j 日l 导师签名 签字日期：o 审年，月，日 i 天津大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第章绪论 焊接残余应力和变形，一直是国内外焊接学者们关注的焦点问题，可以说这 是一个既传统而又是热点的问题。 所谓传统，是由于自从出现焊接技术已来，人们就已经注意到在焊接结构的 生产制造过程中不可避免地产生残余应力与变形，并可能给结构带来一系列不利 的影响。早在4 0 年代o s g o o d 1 , 2 1 就在其著作中纳入了残余应力产生、测试以及 对焊接结构断裂影响方面的文章，随后又有大量的文献阐述此类问题，其目的就 是探索对焊接残余应力和变形进行控制、调整和减小的工艺方法与措施。 所谓热点，是因为在以往的研究过程中无论从研究方法还是研究手段都要受 当时客观条件的限制，多数是基于实验和较为简单的计算分析。随着现代科学技 术的快速发展，从研究方法和手段上现已采用有限元数值模拟技术，克服了传统 的经验或实验( 研究周期长、难度大) 以及解析法( 因假设过多影响结果精度， 甚至对一些问题根本无法解答) 的弊端，特别是近几年高性能计算机和相关软件 的广泛应用和日益普及，使得人们对焊接应力与变形的研究工作表现出极大的关 注，而且在国际上有关焊接数值模拟技术的交流也十分活跃，国际会议颇多，例 如“m o d d i n go fc a s t i n g w e l d i n ga n da d v a n c e d s o l i d i f i c a t i o np r o c e s s e s ”以及 “n u m e r i c a l a n a l y s i so f w e l d a b i l i t y ”等会议，已举办了多届。1 9 9 6 年1 1 月日本大 阪大学接合研究所( j w r i ) 组织了一个“t h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n i n j o i n i n ga n d w e l d i n g ”国际专题研讨会，集中了多国这一领域的主要学者探讨其现状和发展 前景3 】。国际焊接学会( i i w ) 于1 9 9 6 年成立了专门从事“焊接结构残余应力 和变形预测研究”的工作小组，该工作组由1 0 个国家约2 0 位代表组成，我国学 者亦参与了该小组的工作。该小组于1 9 9 7 年召开了首次会议，1 9 9 9 年5 月举行 了关于残余应力和变形预测( r s d p ) 的“r o u n dr o b i n ”草案讨论会，于2 0 0 1 年2 月再次举行关于r s d p 的工作和学术会议。显然，焊接残余应力和变形的数 值模拟与理论预测已经成为焊接学科发展的一个热点。 管道是一种广泛应用于石油、化工、能源和市政建设等国民经济的重要部门 的结构件，属于一种典型的焊接结构。管道结构往往承担着输送石油、天然气、 泥沙以及易燃、易爆、有毒和具有腐蚀性酸、碱介质等任务，而且常常处在高温、 高压、严寒等恶劣的服役条件下。因此，管道工业的安全运行与发展是关系到国 计民生的大事，国内外都十分重视管道工业。 然而，管道结构在焊接生产和制造过程中，由于不均匀加热、冷却、材质变 化、拘束条件和现场作业等原因，会在焊接接头内部产生瞬态热应力以及残余应 第一章绪论 力和变形。它们的存在，往往是形成焊接裂纹的重要因素，又是造成热( 动) 应 变时效脆化的根源，在一定条件下会影响构件的强度、刚度及其使用寿命。更为 严重的是在某些情况下，它们可能导致管道的应力腐蚀开裂、早期疲劳实效和脆 性断裂等突发、灾难性事故，从而给生产、人身安全及社会带来巨大损失。 塑料压力管道是管道工业发展的重要方向，与传统金属管道相比，塑料压力 管道具有质轻价廉、比强度大、比刚度高以及耐磨损、唰腐蚀、酬绝缘等特点。 而且在生产与使用方面均可以节约大量能源。在美国及西欧各国塑料压力管道广 泛地应用于供水、排水、陆运煤气和天然气以及农用灌溉等领域。目前美国的高 密度聚乙烯煤气管道普及率为1 0 0 英国和丹麦为9 2 ，比利时、法国和德国 也分别达到了7 7 、6 8 和6 5 “1 1 。 我国从6 0 年代中期开始研制生产和应用p v c 塑料管道，7 0 年代进行了聚 乙烯、聚丙烯塑料管道的开发与应用。改革开放以来，我国在塑料压力管道的开 发生产与应用有了很大的发展，而且在我国大规模铺设塑料压力管道也已经是国 家基础设施建设的一项重要内容。但是，我国的塑料压力管道主要应用于建筑排 水、电线导管、农业灌溉等低压管道领域。目前我国已引进和开发出了高密度聚 乙烯( h d p e ) 塑料压力管道，这为我国推广和普及塑料压力管道奠定了基础 4 , 6 , 7 1 。 塑料压力管道的焊接是影响塑料压力管道应用的关键技术之一1 8 1 ，为了推 动塑料压力管道在我国的广泛应用，因此有必要对塑料压力管道的焊接展开系统 的研究。塑料压力管道的焊接方法主要有两种：热熔对接焊和电熔焊，这两种方 法在施工中被广泛采用。 热熔对接焊，又称热板焊，是采用热熔对焊机来加热管道端面，使其熔化， 迅速将其贴合，并保持一定的压力经冷却达到熔接的目的。各尺寸的塑料压力 管道均可采取热熔对接方式焊接，一般公称直径大于9 0 m m 的管道推荐采用热熔 对接焊，该方法经济可靠，其焊接接头在受拉和受压时都比管道本身具有更高的 强度。 电熔焊是利用预埋于电熔管件内表面的电热丝通电而使其加热，从而使管件 的内表面及管道( 或管件) 的外表面分别被熔化，由于塑料焊管自身的热涨效应， 使塑料管道和其连接件熔在一起，然后冷却到要求的时间后而达到焊接的目的。 电熔焊的特点是连接方便、迅速，外界因素干扰小，在公称直径较小的管道上应 用比较经济，一般公称直径小于9 0 m m 的管道推荐采用电熔焊。 焊接技术是工程塑料管道的主要连接方法，是直接影响高密度工程塑料压力 管道安全应用的关键环节。目前聚乙烯、聚丙烯和聚丁烯管道均己采用焊接连接 制造。随着工程塑料管道焊接技术的发展，焊接管道也从最初的低压管道向中高 压管道发展。 天津大学硕士学位论文 同传统的金属管道一样，塑料管道结构在焊接生产和制造过程中，也会由于 不均匀加热、冷却、材质变化、拘束条件和现场作业等原因，在焊接接头内部会 产生瞬态热应力以及残余应力和变形。它们的存在，往往是形成焊接裂纹的重要 因素，又会引起高分子聚合物内部组织结构的变化，在一定条件下会影响构件的 强度、刚度及其使用寿命。更为严重的是在某些情况下，它们可能导致管道的应 力腐蚀开裂、早期疲劳实效和脆性断裂等突发、灾难性事故，从而给生产、人身 安全及社会带来巨大损失。例如“”，1 9 7 2 年1 0 月3 0 日，美国明尼苏达州的盐 湖城发生了一起由聚乙烯管线破坏导致爆炸的事故，造成6 人死亡，1 0 余人受 伤。8 0 年代，青海省某化工厂一条p v c 管线快速开裂，裂纹扩展十余米。估计 在其它工业上广泛使用的塑料压力管道结构以及各种管道结构也曾发生过不少 与焊接残余应力分布不合理的相关事故。因此，防止管道结构失效事故的发生， 确保其安全运行，无论对我国经济发展还是对人民的生命财产安全都具有重要的 意义。 作为焊接工作者，只有从管道的结构设计、生产制造过程入手，有针对性地 采用合理的生产、制造工艺和防止措施，得到高质量的焊接接头，才能保证管道 结构的安全运行。因此有必要开展对管道结构的各项强度指标能够产生重要影响 的不利因素一焊接残余应力与变形方面的研究工作，尤其是对焊接过程中瞬态热 应力应变场以及焊接残余应力的分布规律、形成原因及其影响因素给予重点研 究。所以，开展管道结构焊接过程应力应变的数值模拟研究，无疑具有重要的学 术价值和现实意义。 1 2h d p e 材料简介” 高密度聚乙烯( h i g hd e n s i t yp o l y e t h y l e n e ( h d p e ) ) 是由乙烯单体经过加 压聚合而成的一种烯烃族树脂，原料来源于石油。1 9 3 3 年英国的i m p e r i a l c h e m i c a lc o m p a n y 公司首先制得低密度聚乙烯( l o wd e n s i t y p o l y e t h y l e n e ( l d p e ) ) ，并于1 9 3 9 年开始工业化生产，最早用于电话绝缘电缆和同轴电缆的 制造，后来在第二次世界大战期间的雷达发展中起了重要的作用。前联邦德国于 1 9 5 3 年，美国于1 9 5 4 年分别制造出高密度聚乙烯h d p e 和中密度聚乙烯( m i d d l e d e n s i t yp o l y e t h y l e n e ( m d p e ) ) ，并于1 9 5 7 年开始工业化生产。目前，聚乙烯 已经成为世界上树脂塑料中产量最大的品种。 1 2 1 聚乙烯的主要性质 ( 1 ) 密度 最早的聚乙烯采用高压法制造，产品中含有较多的支链，因而分子链不能紧密 第一章绪论 堆积，材料密度较低，称为低密度聚乙烯。后来不断生产出了不同支化度的聚乙烯， 随着支化度的降低，聚乙烯的密度有了明显的提高。a s t m ( a m e r i c a n s o c i e t yf o r t e s t i n g o f m a t e r i a l s ) 将其分为四类：第一类为低密度聚乙烯，第二类为中密度聚 乙烯，第三、四类为高密度聚乙烯，如图1 1 所示。 表1 1 聚乙烯的密度及分类 t a b l e l 1d e n s i t yo f p ea n di t sc l a s s i f i c a t i o n t y p ed e n s i t y 1 0 9 1 0 0 9 2 5 ( 1 0 w 1 2 0 9 2 6 0 9 4 0 ( m e d i u m ) 3 0 9 4 1 0 9 5 9 ( h i g h ) 4 0 9 6 0 a n d a b o v e ( h i g h l ( 2 ) 结晶度 聚乙烯是一种半结晶聚合物，其内部同时存在结晶区和非结晶区。结晶度与 链的支化程度密切相关，高密度的聚乙烯的结晶度可达9 0 以上。结晶区的密 度大于非结晶区的密度，因此，密度可以反映聚乙烯的结晶度。 结晶度对高分子聚合物材料的拉伸强度和刚度( 拉仲模量和弯曲模量) 有较大的 影响，随着结晶度的增加，聚乙烯的强度和刚度将增加。 ( 3 ) 相对分子量 聚乙烯的相对分子量对材料的加工性能及最终的物理和机械性能有重要的 影响，它决定聚合物的长期强度、刚度、韧性和疲劳性能，同时影响聚合物的熔 融粘度。用于管道系统的聚乙烯要求有较高的相对分子量( 1 0 0 ，0 0 0 ) ，以保 证管道具有长期强度、韧性、刚度和疲劳强度。 ( 4 ) 玻璃化转变温度 随着温度或测量时间尺度的不同，同一种聚合物材料一般均存在三个状态、 两种转变，即玻璃态、高弹态和粘流态以及玻璃化转变( 玻璃态一高弹态的转变) 和流动转变( 高弹态一粘流态的转变) 。对于高密度聚乙烯材料，属于部分结晶 高聚物，其结构由晶区和非晶区两部分组成。由于晶区比非晶区分子链排列紧密， 分子间作用力大，大分子和链段的热运动都更加困难，所以通常晶区的熔点t 。 高于非晶区的玻璃化温度t 。因此，在常温下于高密度聚乙烯材料处于t 。- - t g 范围内，此时，非晶区的链段已经能运动，而晶区部分则尚未“解冻”，从而使 高密度聚乙烯呈现出既有一定柔性又有一定网0 性的力学状态，因其比较接近于理 想的弹性状态，故称为高弹态，又称为橡胶态。材料的熔点t 。是这种状态的上 限温度，高于熔点材料变为具有一定粘度的流体状态，称为粘流态，玻璃化转变 温度t 。则是高弹态的使用下限温度，当温度低于t g 时，链段被冻结，材料进入 天津大学硕士学位论文 玻璃态，成为刚性的硬塑料。聚乙烯的玻璃化转变温度在- - 6 8 。c7 , 左右。 ( 5 ) 其它性质 聚乙烯还具有良好的耐磨性、耐蚀性，可燃性和渗透性等性能。 1 2 2 聚乙烯管材的特点瞳明 近年来高分子材料科学技术的飞速发展，管道领域发生了“以塑代钢”的革 命，在这场革命中，聚乙烯管以其优良的综合性能而倍受嘱目。p e 管的优良性 能归纳起来表现在以下几点： 1 、长久的使用寿命在额定的温度、压力状况下聚乙烯管可安全使用5 0 年以上。 2 、卓越的耐腐蚀性能和耐磨损能力p e 管的抗腐蚀性是钢管的四倍以 上。 3 、较宽的使用温度范围+ 2 0 - - 4 0 。c 为p e 管道的安全使用范围。 4 、可靠的连接性能p e 管热熔或电熔接口强度高于管材本体，接缝不会 由于土壤移动或活荷的作用而断裂。 5 、较好的耐冲击性_ p e 管韧性好，拉伸断裂伸长率约为钢管的2 0 倍， 重物直接压过管道不会导致管道破裂，有很强的抗震性。 6 、良好的施工性能管道很轻，焊接工艺简单施工方便。 7 、优良的环保性能p e 管无毒，不生锈无二次污染，原料可回收再利用， 管材内壁光滑阻力小，能耗低。 1 3 塑料压力管道连接技术简介阳1 阳 在聚乙烯管道的制造和敷设过程中，管材之间的连接是影响其结构完整性及 持久强度的重要环节。接头的质量控制技术也是发展承压聚乙烯管道的关键技术 之一。由于聚乙烯分子链由亚甲基组成，并具有较高的对称性，决定了其极性很 低，因此聚乙烯管道的连接就不能采用溶剂粘结的方法，只能采用机械连接或焊 接的方法。 h d p e 管道的焊接方法主要有两种：热熔对接焊( b u t t - - f u s i o nw e l d i n g ) 和 电熔焊( e l e c t r o - - f u s i o nw e l d i n g ) ，这两种方法在管道施工中被广泛采用。下面 仅对本文涉及到的热熔对接焊( 又称热板焊) 作一简单介绍。 1 3 1 热熔对接焊的原理和基本工艺过程 热熔对接焊的原理是采用热熔对焊机将两个制件表面加热到设定的温度，使 第一章绪论 其熔化，后施加足够的外力将它们迅速贴合，并保持一定的压力，经充分冷却后 使管材连接。从理论上讲各种规格的取管材均可采取热熔对接焊连接，般公称 直径大于9 0 0 n u n 的管材推荐采用热熔对接焊，用该方法焊接时不需要其它附件， 经济可靠，热熔对接焊口在承受拉力和压力时都比管材本身具有更高强度。其主 要工艺过程如图1 所示，图2 为h d p e 热熔对接焊管接头。