Materiałowe i technologiczne uwarunkowania stanu naprężeń własnych i anizotropii wtórnej powłok cylindrycznych wytłaczanych z polietylenu

• Autorzy: Pusz A.

Warianty tytułu

EN

Material and technological conditions of integral stresses and secondary anisotropy of extrusion-moulded cylindrical coatings from polyethylene

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Obecność naprężeń w ściance wytłoczonej rury przejawia się odkształceniem obwodowym i wzdłużnym szczególnie widocznym na swobodnym końcu rur. Na podstawie wielkości odkształcenia i modułu sprężystości podłużnej można wyznaczyć naprężenia w danej chwili czasu, a znając moduł relaksacji, określić naprężenia w ściance, gdy rura osiąga temperaturę otoczenia po wyjściu z urządzenia chłodzącego linii wytłaczarskiej. Podejmowane próby określenia naprężeń własnych oparte są na pomiarze odkształceń i wprowadzeniu odpowiadającego im stanu naprężeń. W analizie stanu odkształcenia nie podjęto analizy wyjaśniającej proces powstawania naprężeń własnych. Obecność naprężeń po wystudzeniu rury pozwala domniemać, że naprężenia w ściance rury generowane są w trakcie zestalania polimeru. Przyczyną powstania naprężeń są zmiany objętości właściwej na froncie zestalenia. Zmniejszająca się objętość polimeru związana z gradientem temperatury wywołuje w tym obszarze naprężenia rozciągające, a w warstwach zewnętrznych ścianki naprężenia ściskające. Przemieszczający się w głąb ścianki rury front zestalenia kształtuje rozkład naprężeń na jej grubości. Naprężenia te mają charakter technologiczny, a ich rozkład jest charakterystyczny dla technologii wytłaczania. Naprężenia własne, jako naprężenia wstępne, wpływają na roboczy stan obciążenia rury. Przy obciążeniu wewnętrznym ciśnieniem cieczy lub gazu do naprężeń własnych dodają się naprężenia wywołane ciśnieniem. W zależności od czasu, który upłynął od wytłoczenia rury, może wystąpić przekroczenie naprężeń dopuszczalnych wynikających z granicy plastyczności polimeru. W analizie procesów z udziałem wymiany ciepła prócz naprężeń własnych, także należy wziąć pod uwagę stan struktury polimeru, szczególnie jeżeli zaliczany jest do polimerów krystalicznych, gdyż warunki chłodzenia pociągają za sobą jej zróżnicowanie. W przypadku formowania rury, struktura polimeru zależeć będzie od odległości od powierzchni zewnętrznej stykającej się ze ścianką kalibratora. Strumień ciepła przepływa promieniowo ku powierzchni zewnętrznej, a zestalenie postępuje w kierunku przeciwnym. Najpóźniej temperaturę otoczenia osiągają warstwy wewnętrzne. Na skutek niskiej przewodności cieplnej polimerów prędkość studzenia wpłynie na morfologię fazy krystalicznej. Wraz ze wzrostem odległości od powierzchni zewnętrznej zwolnienie prędkości studzenia sprzyjać będzie rozwojowi fazy krystalicznej. Brak chłodzenia wewnętrznej powierzchni rury prowadzi do otrzymania struktury gruboziarnistej, z dobrze wykształconymi sferolitami o niskiej odporności na pękanie, a równocześnie na postępującym w głąb ścianki froncie zestalenia naprężenia termiczne będą wpływały na kształt sferolitów. Należy spodziewać się orientacji struktury i w konsekwencji anizotropii własności, szczególnie mechanicznych, ścianki rury na grubości oraz w warstwie o danym promieniu. Celowe jest rozpoznawanie przebiegu zmian stanu naprężeń, gdyż stanowi to istotny przyczynek do wyjaśnienia procesów zachodzących podczas kalibrowania, co umożliwia trafniejsze prognozowanie własności eksploatacyjnych rur z polimerów termoplastycznych oraz ich stanów granicznych. Stan naprężeń własnych w ściance rury można wyznaczyć rozwiązując równanie przewodzenia ciepła, układ równań równowagi wiążących składowe główne stanu naprężeń wywołane gradientem temperatury oraz ciśnieniem formowania, ze zdefiniowanymi warunkami brzegowymi, początkowymi i funkcjami własności termicznych i mechanicznych tworzywa. Tak postawiony problem wymaga zastosowania metod numerycznych ze względu na uwikłany układ równań, nieliniowe, zależne od temperatury i stanu naprężenia współczynniki materiałowe oraz niestacjonarne pole temperatury. Charakter zagadnienia narzuca zastosowanie zorientowanych problemowo metod programowania. W pracy przedstawiono model fizyczny procesu zestalania, równania prowadzące do wyznaczenia temperatury i naprężeń w czasie zestalenia, oraz wyniki symulacji z wykorzystaniem opracowanego do tego celu oprogramowania. Symulację przeprowadzono na podstawie danych wytrzymałościowych i termicznych dla PE-HD. Zaprezentowano również wyniki badań własności mechanicznych próbek pobranych z różnych warstw ścianki w prostopadłych kierunkach.

EN

The presence of stresses in the wall of a extruded pipe is manifested through circumferential and longitudinal strain, visible especially at the free end of a pipe. On the basic of the value of the strain as well as the longitudinal modulus of elasticity, it is possible to determine stresses at a specific moment in time. Knowing the modulus of relaxation it is possible to determine the stresses in the wall when a pipe reaches the ambient temperature after leaving a cooling device of an exrusion line. Attempts to determine internal stresses are based on the measurement of stains and introducing stresses related to them. A further analysis to explain the process of their formation was not undertaken. The presence of stresses after cooling of a pipe makes it possible to presume that stresses in the wall of a pipe are generated during the solidification of a material. The reason for the generation of stresses is the changes of specific volume at the front of a solidifying material. A decreasing volume of material related to a temperature gradient generates tensile stresses in the area in question whereas compressive stresses in the external layers. The front of the solidification of the wall moving deeper into the wall of a pipe forms the distribution of stresses in the thickness of the wall. The said stresses are technological in nature and their distribution is typical of an extrusion technology. Internal stresses affect the working state of the load of a pipe as preliminary stresses. In case of inner load exerted by the pressure of liquid or gas, internal stresses are increased by the stresses exerted by the aforementioned pressure. Depending on the time that has passed since a pipe was moulded, it is possible that allowed stresses resulting from a yield point of a material will be exceeded. During the analysis of processes involving heat exchange, in addition to internal stresses, it is also necessary to take into consideration the condition of the structure of the material used for the wall of a pipe. It is especially necessary, if the material is rated among crystalline one as cooling conditions involve the diversification of the structure of polymer. In case of the formation of a pipe, the structure of material depends on the distance from the external surface contacting the wall of a former. A heat flux flows in a radial manner towards the external surface and the solidification of the wall material advances in the opposite direction. The internals layers reach the ambient temperature at the latest. As a results of the poor heat conductivity of polymers, cooling rate affects the morphology of the crystalline phase. Along with the increase of the distance from the external surface, the slowing down of the slow cooling rate will facilitate the development of the crystalline phase. The absence of cooling of the internal surface of a pipe gives rise to the formation of a coarse-grained structure with well-shaped spherulites characterized by low resistance to cracking. At the same time, on the solidification front moving deeper into the wall, the thermal stresses influence the shape of spherulites. One ought to expect the orientation of the structure and the resultant anisotropy of the properties on the thickness of the wall of a pipe as well as the anisotropy in the layer of a specific radius. It is advisable to determine the course of changes of stresses as this knowledge is a significant contribution to the explanation of the processes occurring during sizing and thus enabling a more accurate prediction of operating properties of thermoplastic pipes and their limiting states. The internal stresses in the wall of a pipe can be determined by solving the equation of heat conduction, the system of equations of equilibrium including the major components of the state of stresses included by temperature gradient and moulding pressure with defined boundary the initial conditions and the functions of the thermal and mechanical properties of a material. The problem presented above requires the use numerical methods due to a confounded system of equations, non-linear material coefficients depending on a temperature and stress as well as an unsteady temperature field. The character of the issue imposes the use of problem-oriented programming methods. This work will contains the physical model of the solidification process, equations loading to the determination of the temperature and stresses during the solidification as well as the results of a simulation determined with the use of software developed for this purpose. The simulation was conducted on the basic of resistance- and heat-related data for PE-HD. Results of mechanical tests of samples token from perpendicular directions and different layers of wall are also presented.

Słowa kluczowe

PL

polimery termoplastyczne; polietylen; polipropylen; polibuten; polifluorek winylidenu; powłoka cylindryczna; modelowanie matematyczne

EN

thermoplastic polymers; polyethylene; polypropylene; polybutene; polyvinylidene fluoride; cylindrycal coatings; mathematical modelling

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe. Mechanika / Politechnika Śląska
• Rocznik: 2005
• Tom: z. 153
• Strony: 1--134
• Opis fizyczny: Bibliogr. 83 poz.

Twórcy

autor

Pusz A.

• Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych Politechniki Śląskiej, 44-100 Gliwice, ul. Konarskiego 18A, tel.: [phone],

Bibliografia

• 1. Adamski M.: Naprężenia własne. Przykłady pomiarow ultradźwiękowych. Biuro Gamma, Warszawa 1999.
• 2. Ajnbidjer S.B., Tjunina E.L., Cirulje K.I.: Swojstwa polimjerow w razlicznych naprjażennych sostojanjach. Izdatielstwo Chimja, Moskwa 1981.
• 3. ASTM-D 5045-93. Standard test method for piane strein fracture toughness and strain energy release rate of plastics materials. Philadelphia 1993.
• 4. Bakar M.: Właściwości mechaniczne materiałow polimerowych. Politechnika Radomska, Radom 2000.
• 5. Bartczak Z.: Gałęski A.: Odkształcenia plastyczne polimerow częściowo krystalicznych: polietylen dużej gęstości (PE-HD). Polimery 1996, nr 6 s.321-384.
• 6. Bogdaszewski H.: Problemy kalibracji lamelowo-prożniowej w procesie wytłaczania tworzyw termoplastycznych. Polimery, 1988, nr 7, s.286 - 288.
• 7. Boot, J.C.&Guan, Z. W.: The Measurement of residual strain in plastc pipe, Plastics, Rubber and Composites Process. Applic. 16, 123-125, 1991.
• 8. Brogden S., Ingham E., Marshall G.P.: The crack growth resistance of PVC and PE. Plastcs Pipes IX Programme and Preprint Papers, Edinburgh 1995.
• 9. Broniewski T., Kapko J., Płaczek W., Thomalla J.: Metody badań i ocena własności tworzyw sztucznych. WNT, Warszawa 2000.
• 10. Brostow W., Comeliussen R., D.: Failure of Plastics. Hanser Publishers, Munich-Vienna-New York 1989.
• 11. Brown J.E., Chautre P., Lowdon A.: Molecularly orientated PE pressure pipes. Plastcs Pipes IX Programme and Preprint Papers. Edinburgh 1995.
• 12. Brzezinka J., Pusz A.: Obliczanie długości kalibratorów i wanien chłodzących w przetworstwie termoplastow metodą wytłaczania. Mechanik 1990, nr 9-10, s. 337-338.
• 13. Charitonow W.W.: Tjepłofizika polimjerow i polimjemych kompozicij. Wyższaja Szkoła, Minsk 1983.
• 14. Clutton E.Q., Williams J.G.: On Measurement of Residual Stress in Plastic Pipes. Polymer Engineering and Science. Mid September 1995. Vol 35 No. 17.
• 15. Dominghaus H. Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften. VDIVerlag GmbH, Dusseldorf 1976.
• 16. Ewing L, MaineL, Greig JM.: British gas Polyethylene Distribution Sysyem- Past, Present and Future. Presentation to German Gas and Water Industry, Cologne Germany, 11 june 1991.
• 17. Nowakowska M. Poliolefiny w:: Chemia polimerow (praca zbiorowa, red. Florjańczyk Z., Penczek S. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1997, tom II, s. 81-98.
• 18. Gałęski A.: Przemieszczenia i splątania makrocząsteczek w krystalizacji polimerow o giętkich łańcuchach. Polimery 1997, nr 7-8 s.432.
• 19. Gasrohr Handbuch. Hostalen. Copyright by Hoechst Aktiengesellschaft. Frankfurt am Main 1987.
• 20. Gebier H., Racke H H.: Bestimmen von Eigenspannungen in dicwndigen Kunststoffrohren, Kuststoffe 79, s.33, 1980,
• 21.Godowskij J.K.: Tieplofizika polimjerow. Izdatielstwo Chimja, Moskwa 1982.
• 22. Godowskij J.K.: Tjeplofiziezeskije metody issljedowanija polimjerow. Izdatielstwo Chimja, Moskwa 1976.
• 23. Greig J. M, Ewing L.: Fracture Propagation in Polyethylene (PE) GAs Pipes. 5th Int. Conference on Plastics Pipes, Uniwersity of York, 8-10 September 1982.
• 24. Grigory S.C.: A methodology for the preventon of rapid crack propagation in polyethylene gas pipelines. Plastes Pipes IX Programme and Preprint Papers. Edinburgh 1995.
• 25. Hering M.: Termokinetyka dla elektrykow. WNT, Warszawa 1980.
• 26. Hostalen GM. Rohre aus Hostalen. Hoechst Frankfurt am Main 1992.
• 27. Hyla I.: Tworzywa sztuczne. Własności - przetworstwo -zastosowanie. Wydawnictwo Politechni Śląskiej, Gliwice 1999.
• 28. Janson J. E.: Plastics Pipes for Water Supply and Sewage Disposal. Borealis, Stockholm 1999.
• 29. Janson L.E., Molin J.: Design and installation of buried plastcs pipes. Stockholm 1991.
• 30. Kanalrohr Hadhuch. Copyright by Hoechst Aktiengesellschaft. Frankfurt am Main 1975.
• 31. Kenndaten fur die Verarbeitung thermolpastischer Kunststoffe. Teil 1. Thermodynamik. Carl Hanser Verlag. Munchen, Vien 1979.
• 32. Kinloch A.J., Young R.J.: Fracture Behavior of Polymers. Elsevier Applied Science. London and New York 1988.
• 33. Koszkul J., Suberlak O.: Podstawy fizykochemii właściwości polimerow. Politechnika Częstochowska, Częstochowa 2004.
• 34. Koszkul J.: Polipropylen i jego kompozyty. Politechnika Częstochowska, Częstochowa 1997.
• 35. Kuliczkowski A.: Rury kanalizacyjne. Własności materiałowe. Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej. Kielce 2001.
• 36. Kunststoffe Hoechst. Rohre. Hostalen GM 5010 T2, Hostalen GM 7040 G. Hoechst, Frankfurt am Main 1983.
• 37. Kunststoffrohr Handbuch. Druckrohre fur Wasser, Gas, Industrieleitungen. Vulkan-Verlag, Essen 1984.
• 38. Marciniak A., Gregulec D., Kaczmarek J.: Numerical Procedures. Wydawnictwo NAKOM, Poznań 1991.
• 39. Michalski L, Eckersdorf E.: Pomiary temperatury. WNT, Warszawa 1986.
• 40. Michaeli W.: Exrusion Dies. Design and Engineering Computations. Hans Publishers, Munchen Vienna New York 1984.
• 41. Mieszkowski M.: Pomiary cieplne i energetyczne. WNT, Warszawa 1981.
• 42. Monasse B.: Crystallization under elongation of polypropylene. 6th Intemationl ESAFORM Conference on Material Forming, Salerno, April 28-30, 2003.
• 43. Morris J. Stokes R.: From pipe to pipeline. Plastcs Pipes IX programme and Preprint Papers, Edinburgh 1995.
• 44. Natti S.Rao.: Designing Machines and Dies for Polymer Procesing with Computer Programs. Fortran and Basic. Second edition. Hanser International, Munchen 1983.
• 45. Nicholson J W.: Chemia polimerow. WNT, Warszawa 1996.
• 46. Pawlak A., Piorkowska E.: Crystallization of isotactic polypropylene in a temperature gradient. Colloid Polym. Sci 279, p. 939-946, 2001.
• 47. Pielichowski J. Puszyński A.: Technologia tworzyw sztucznych. WNT, Warszawa 1992.
• 48. Piorkowska E.: Krystalizacja sferolityczna polimerow- modelowanie i symulacja komputerowa. Polimery 2001, 46, nr 5, s. 323-334.
• 49. PN-EN ISO 527.: Oznaczanie właściwości przy statycznym rozciąganiu.
• 50. PN-EN ISO 179-2.: Tworzywa sztuczne. Oznaczanie udamości metodą Charpy’ego. Instrumentalne badanie udamości.
• 51. PN-EN 638.: Rury z tworzyw termoplastycznych. Oznaczanie właściwości przy rozciąganiu.
• 52. PN-ISO 8256+AC.: Tworzywa sztuczne. Oznaczanie wytrzymałości na udarowe rozciąganie.
• 53. PN-EN-705, Rury i kształtki z tworzyw sztucznych, analiza danych.
• 54. Przygocki W.: Metody fizyczne badań polimerow. PWN, Warszawa 1990.
• 55. Przygodzki W., Włochowicz A.: Fizyka polimerow. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001.
• 56. Pusz A.: Obliczanie czasu chłodzenia wyprasek z tworzyw sztucznych. Polimery 1987, nr 1, 32, s.26.
• 57. Pusz A.: Analiza zjawisk termicznych w zgrzeinie doczołowej. Materiały II Konferencji Naukowo Technicznej „Polimery i Kompozyty Konstrukcyjne”, t. II, Ustroń 1996, s. 163-173.
• 58. Pusz A.: Kinetyka zmian temperatury w zgrzeinie doczołowej w świetle jakości połączenia, materiały konferencyjne Instytutu Spawalnictwa, Gliwice 1999, s. 1-13.
• 59. Pusz A.: Wybrane zagadnienia przepływu ciepła w zgrzeinie doczołowej, Prace Naukowe Katedry Budowy Maszyn nr 1/96, Politechnika Śląska, Gliwice 1996, s. 195-205.
• 60. Pusz A.: Doraźne proby wytrzymałości połączeń spawanych i zgrzewanych, materiały konferencyjne Instytutu Spawalnictwa, Gliwice 1997, s. 1-8.
• 61. Pusz A.: Wpływ struktury nadcząsteczkowej na przebieg procesu pełzania polietylenu wysokiej gęstości, Prace Naukowe Katedry Budowy Maszyn, Gliwice 1999, nr 2, s. 165-174.
• 62. Pusz A.: Gazociągi z tworzyw sztucznych. Monografie. Seria: Gazownictwo nr 2. Polskie Zrzeszenie Inżynierow i Technikow Sanitarnych Oddział Wrocław 2002.
• 63. Pusz A.: Naprężenia własne a stan graniczny w rurach z tworzyw termoplastycznych. V Konferencja Naukowo-Techniczna, Nowe Technologie w Sieciach i Instalacjach Wodociągowych i Kanalizacyjnych. Ustroń, luty 2004.
• 64. Rationalisation in the injection moulding shop. Kunststofftechnik VDI-Verlag GmbH, Dusseldorf 1981.
• 65. Sikora R.: Podstawy przetworstwa tworzyw wielkocząsteczkowych. Wydawnictwa Uczelniane. Politechnika Lubelska, Lublin 1992.
• 66. Składzień J.: Termokinetyka dla elektrykow. Skrypty uczelniane Politechniki Śląskiej nr 751. Gliwice 1979.
• 67. Sprawocznik. Tieplofiziczieskije i reołogiczieskije charaktieristiki i koeficjenty tijenija napołnienych tjermopłastow. Naukowa Dumka, Kijew 1983.
• 68. Staniszewski B.: Wymiana ciepła, podstawy teoretyczne. PWN, Warszawa 1980.
• 69. Szargut J.: Modelowanie numeryczne pol temperatury. WNT, Warszawa 1992.
• 70. Szczepański W.: Mechanika techniczna. Metody doświadczalne mechaniki ciała stałego. PWN, Warszawa 1984.
• 71. Szlezynger W.: Tworzywa sztuczne. Chemia, technologia wytwarzania, właściwości, przetworstwo, zastosowanie. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszow 1996.
• 72. Tadmor Z., Gogos C.: Principles of Polymer Procesing. A. Wiley - Interscience Publication, New York, Brisbane, Chichester, Toronto 1979.
• 73. Timoszenko S., Goodier J.N.: Teoria sprężystości. Arkady, Warszawa 1962.
• 74. Ward J.M.: Mechaniczne własności polimerow jako tworzyw konstrukcyjnych. PWN, Warszawa 1975.
• 75. Wilczyński A.P.: Mechanika polimerow w praktyce konstrukcyjnej. WNT, Warszawa 1984.
• 76. Wilczyński K.: Reologia w przetworstwie tworzyw szucznych. WNT, Warszawa 2001.
• 77. Wilczyński K.: Przetworstwo tworzyw sztucznych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000.
• 78. Wintergerst S.: Orientierungen und Spannungen in Spritzgussteilen. Kunnststoffe, 10, 1973,
• 79. Wrobel G., Pusz A.: Materiałowe i funkcjonalne uwarunkowania technologii ekspansyjnego osadzania wewnętrznych wykładzin z PE rurociągow. Archiwum nauki o materiałach. T.23, nr 1, s. 67 - 81.
• 80. Zakrzewski M., Zawadzki J.: Wytrzymałość materiałow, PWN, Warszawa 1983.
• 81. Zhuang Z. Guo Y. Analisys of dynamie fracture mechanisms in gas pipelines. Eng. Fracture Mechanics 64, 271-289, 1999.
• 82. Żenkiewicz M.: Adhezja i modyfikowanie warstwy wierzchniej tworzyw wielkocząsteczkowych. WNT, Warszawa 2000.
• 83. Żuchowska D.: Polimery konstrukcyjne. WNT, Warszawa 2000.