获奖项目名称：

多因素耦合作用下埋地燃气聚乙烯管道老化机理及寿命预测方法

第一完成单位：

北京交通大学

项目联系人：

兰惠清

联系人电话：

13671376426

联系人邮箱：

hqlan@bjtu.edu.cn

项目简介：

2.1研究目的
  聚乙烯（PE）管道会在服役中不可避免地发生老化，导致其机械、物理和化学性能的下降和运行安全性降低，严重危害人民生命财产安全。本研究面向城镇燃气输送中广泛采用的PE埋地管道，针对其在温度波动、内压加载与土壤腐蚀等多因素耦合作用下的时变退化与失效预测难题，构建“机理—表征—模型—验证—预测”一体化技术体系，显著提升PE管道本质安全水平。本项目在国家重点研发计划等支持下，系统开展了老化失效机理、力学模型构建、化学模型耦合与寿命预测方面的研究，取得以下主要创新成果：
2.2主要科学发现点
  （1）在老化机理和平台研发方面，首次系统揭示了PE管在耦合环境下的加速热氧老化机理，建立了基于宏观力学承载能力、微观力学分析和化学降解测试等一系列的PE管老化性能表征技术；创新研制温度、压力与腐蚀介质的拟环境加载耦合的加速老化试验平台并提出老化评价方法；构建了PE管熔流率与分子动力学耦合模型；明确 PE 管材降解服从自由基链式反应与氧化过程协同主导的规律，揭示抗氧剂耗尽、结晶度演化与表面微裂纹产生等微观变化对宏观模量、硬度增长及空间非均匀老化的驱动作用；验证纳米压痕在服役与热氧条件下表征非均匀时间、空间力学性能的有效性。
  （2）在模型方法方面，提出了PE管的力学性能分析引入耦合老化因素的黏弹—黏塑性本构模型。在模型上提出融合老化指标（如结晶度、羰基指数）与宏观力学参数（屈服应力、剪切模量、活化能）定量映射的多尺度黏弹—黏塑性本构模型，引入时温等效与扩展阿伦尼乌斯框架以刻画化学老化与机械载荷的协同效应；首次通过开发仿真软件接口的方式建立仿真软件（ABAQUS）中的聚乙烯管材流变材料模型；通过与老化耦合的本构模型精确仿真了聚乙烯管道的变形和损伤；最终还对地面沉降、人工挖掘和地面占压完全模拟。
  （3）在寿命预测方面，构建了城镇燃气PE管道寿命预测方法及安全评价体系。基于多因素加速老化实验平台并开展材料验证与重复性分析，据此建立考虑内压、腐蚀、温度耦合效应的寿命预测方法；通过温度内压、压力腐蚀等耦合方式下的寿命评估、空间寿命评估和不同寿命预测方式的效果评估，系统的构建了PE管道的寿命预测方法及安全评价体系。
2.3成果产生的价值
  项目发表论文30篇（SCI收录27篇、EI收录3篇），授权专利12项（发明专利6项），研制国家标准4项，成果经中国腐蚀与防护学会鉴定，整体达到国际先进水平，部分国际领先。近三年，在深圳燃气、新奥燃气、亚大、乾明等大型企业规模化应用，取得经济效益超5亿元，社会与经济效益显著。