Vliv reziduálních napětí na odhad životnosti polymerních trubek
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Požadovaná životnost plastových trubek používaných v tlakových rozvodech vody a dalších aplikacích je minimálně 50 let. Takto dlouhou životnost je poměrně náročné prokázat klasickými metodami zkoušení trubek, jako je např. hydrostatická tlaková zkouška. Je však možné vypočítat odhad životnosti trubky vzhledem k tomu, že nejčastější mechanismus porušení trubky je šíření creepové trhliny a následné porušení. Metoda výpočtu je založena na popisu šíření této trhliny pomocí parametrů lineárně elastické lomové mechaniky. Velmi důležitou součástí této metody je simulace šíření trhliny v trubce metodou konečných prvků, ve které je nutné zohlednit různé typy zatížení působící na trubku. Jedním z těchto zatížení je právě reziduální napětí, které ve stěně trubek vzniká při tuhnutí po extruzi. Tato práce začíná úvodem do problematiky a rešerší řešených témat. Především jsou popsány charakteristické vlastnosti trubkových materiálů, typické mechanismy porušování, metody určování reziduálního napětí v plastových trubkách a jejich výsledky, metody testování trubkových materiálů a určování životnosti. Po tomto úvodu jsou určeny řešené problémy a definovány cíle práce. Hlavním téma-tem je popis reziduálního napětí ve stěně různých plastových trubek. Kombinací experimentů a numerického modelování je určeno obvodové i axiální reziduální napětí v trubkách různých rozměrů a z různých materiálů. Také je navržena zjednodušená metoda určování, která poskytuje dostatečně přesný popis stavu obvodového reziduálního napětí a je zároveň nenáročná na provedení. Je řešen také způsob zavedení reziduálního napětí do výpočtu životnosti a jeho vliv na výsledky těchto výpočtů. Kromě reziduálního napětí je studován také vliv vnějšího tlaku zeminy na zakopanou trubku. Reziduální napětí také může za určitých okolností hrát roli při experimentálním určování rychlosti šíření trhliny. Je-li pro měření rychlosti šíření trhliny použit CRB (cracked round bar) test, může se trhlina vlivem reziduálního napětí ve vzorcích šířit asymetricky, což ovlivňuje výsledky měření. Na základě simulace šíření trhliny v CRB vzorku je hodnoceno, zda je vliv tohoto jevu na výsledky pod-statný a zda lze výsledky z těchto testů použít ve výpočtech životnosti.
The lifetime of plastic pipes for water supply and other applications is demanded to exceed at least 50 years. Such a long lifetime is difficult to prove by standard testing methods like the hydrostatic pres-sure test. However, it is possible to calculate an estimation of the lifetime, as the most frequently oc-curring mechanism of failure of plastic pipes is the creep crack propagation and subsequent failure. The method is based on describing the crack propagation by parameters of the linear-elastic fracture mechanics. An important part of this method is a finite element simulation of crack propagation in a pipe loaded by various types of loads. Residual stress, a side product of solidification after extrusion, is one of these loads. This thesis begins with an introductory part and literature review of the relevant topics – most of all the typical material properties of the pipe materials, mechanisms of failure, methods of residual stress determination suitable for plastic pipes and their results, methods of testing the materials and calculating lifetime. After the introduction, the problems to be solved are defined. The description of the residual stress state in the wall of various plastic pipes is the main topic. Both tangential (hoop) and axial residual stress in pipes of different dimensions and materials are determined using a combination of experiments and numerical simulations. Also, a simplified method of tangential residual stress is designed that can provide a sufficiently precise description of the tangential resid-ual stress state and is not difficult to carry out. A method to include the residual stress in the lifetime calculations and its influence on the lifetime is also dealt with. Apart from residual stress, the influence of soil loads in case of a buried pipe is studied. The residual stress can also influence the experimental determination of crack growth rate. If the CRB (cracked round bar) test is used to measure the crack growth rate, the crack can propagate asymmetrically due to the presence of residual stress in the specimens, which affects the results. Based on a finite element simulation of crack propagation in a CRB specimen, the severity of the influence is assessed.
The lifetime of plastic pipes for water supply and other applications is demanded to exceed at least 50 years. Such a long lifetime is difficult to prove by standard testing methods like the hydrostatic pres-sure test. However, it is possible to calculate an estimation of the lifetime, as the most frequently oc-curring mechanism of failure of plastic pipes is the creep crack propagation and subsequent failure. The method is based on describing the crack propagation by parameters of the linear-elastic fracture mechanics. An important part of this method is a finite element simulation of crack propagation in a pipe loaded by various types of loads. Residual stress, a side product of solidification after extrusion, is one of these loads. This thesis begins with an introductory part and literature review of the relevant topics – most of all the typical material properties of the pipe materials, mechanisms of failure, methods of residual stress determination suitable for plastic pipes and their results, methods of testing the materials and calculating lifetime. After the introduction, the problems to be solved are defined. The description of the residual stress state in the wall of various plastic pipes is the main topic. Both tangential (hoop) and axial residual stress in pipes of different dimensions and materials are determined using a combination of experiments and numerical simulations. Also, a simplified method of tangential residual stress is designed that can provide a sufficiently precise description of the tangential resid-ual stress state and is not difficult to carry out. A method to include the residual stress in the lifetime calculations and its influence on the lifetime is also dealt with. Apart from residual stress, the influence of soil loads in case of a buried pipe is studied. The residual stress can also influence the experimental determination of crack growth rate. If the CRB (cracked round bar) test is used to measure the crack growth rate, the crack can propagate asymmetrically due to the presence of residual stress in the specimens, which affects the results. Based on a finite element simulation of crack propagation in a CRB specimen, the severity of the influence is assessed.
Description
Keywords
plastové trubky, životnost, šíření creepové trhliny, metoda konečných prvků, simulace šíření trhliny, lineárně-elastická lomová mechanika, cracked round bar test, plastic pipes, lifetime, slow crack growth, finite element method, crack growth simulation, linear-elastic fracture mechanics, cracked round bar test
Citation
PODUŠKA, J. Vliv reziduálních napětí na odhad životnosti polymerních trubek [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2019.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Inženýrská mechanika
Comittee
prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Eva Nezbedová, CSc. (člen)
Ing. Lucie Malíková, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Roland Jančo, Ph.D. (člen)
Ing. Aleš Materna, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Michal Kotoul, DrSc. (člen)
doc. Ing. Stanislav Seitl, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2019-06-26
Defence
Hlavním přínosem je návrh zjednodušené metodiky určení obvodového reziduálního napětí, kterou postačuje aplikovat jen na jednom vzorku. Dále závěr odvozený z principů LELM, že zahrnutí reziduálních napětí do odhadu životnosti je nutné, protože ji významně snižují. Odhadnutá životnost trubek přesahuje 100 let a lze očekávat spíše jejich porušení jiným mechanismem v důsledku degradace materiálu.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení