Termomekanisk respons av ubrukt og degradert PA11

Abstract

I denne masteroppgaven har det blitt gjennomført eksperimentelle og numeriske studier på polyamid 11 (PA11). Arbeidet er utført for å undersøke den termomekaniske oppførselen ved varierende grad av triaksiel spenningstilstand og effekten av materialnedbrytning. PA11 er en semi-krystallinsk termoplast som blir brukt i fleksible olje- og gassrør.

Det ubrukte og nedbrutte materialet har blitt undersøkt ved gjennomføring av strekktester på aksesymmetriske prøvestykker, med og uten kjerv, ved romtemperatur og -20°C. I tillegg har strekktester med forskjellige tøyningshastigheter og trykktester blitt gjennomført på det ubrukte materialet. Elastiske og plastiske materialparametere har blitt funnet analytisk og deretter optimalisert gjennom numeriske simuleringer og visuell inspeksjon. Antagelser i materialmodellen angående tøyningsrate- og trykksensitivitet har blitt undersøkt.

De ubrukte og nedbrutte prøvestykkene viste forskjellig mekanisk oppførsel. En reduksjon i myknerinnhold og molekylær vekt gjorde prøvestykkene stivere, økte styrken i strekk og reduserte duktiliteten. Dessuten ble en global mykningseffekt og et tap av låsningsoppførselen observert i de degraderte prøvestykkene. Det ble observert blekning av bruddflaten og økte volumtøyninger etter degradering. Disse observasjonene indikerer porevekst og kan være grunnen til den økte bruddtendensen for degraderte prøvestykker.

Spenningstriaksialitet hadde et vesentlig utslag på oppførselen til PA11. For kortere kjervradier oppførte prøvestykkene seg sprøere som komponenter, men fremdeles duktile lokalt. En kortere kjervradius økte skaden i prøvestykket. Skademekanismen kommer sannsynlighvis av økt porvekst som er blitt indikert av økte volumtøyninger ved kortere kjervradius. Funnene i denne oppgaven konkluderer at tilstedeværelsen av fleraksielle spenningstilstander og kjemiske midler i fleksible rør er en utfordring for rørenes konstruksjonsstyrke.

Ikkelineære elementanalyser ble gjort i Abaqus sammen med SIMLab Polymer Model. En unik materialmodell ble laget for alle materialvariantene ved varme og kalde forhold. Observerte tendenser på tvers av materialmodellene var at spenningen enten var for myk for prøvestykkene med lite triaksialitet eller for stiv for prøvestykkene med høy triaksialitet. Diameterreduksjonen var for lav for prøvestykkene med lite triaksialitet. Uovernsstemmelsen av diameterreduksjonen skyldtes at plastisk utvidelse var uavhengig av spenningstilstanden i materialmodellen. Mangel på denne avhengigheten var den største svakheten ved simuleringene.

In this thesis, experimental and numerical studies of polyamide 11 (PA11) have been carried out to address the thermomechanical behavior under triaxial stress states and the effects of material degradation. PA11 is a semi-crystalline thermoplastic, which is commonly used as liners in flexible risers for transporting oil and gas.

The virgin and degraded material has been examined through tensile tests with and without notches at room temperatures and at -20°C. Additionally, tension tests with different strain rates and compression tests were conducted. Elastic and plastic material parameters have been analytically identified and optimized through numerical simulations and visual inspection. Furthermore, assumptions regarding strain rate and pressure sensitivity have been studied.

The virgin and degraded specimens showed different mechanical behavior. Degraded PA11 with a reduction of plasticizer content and molecular weight made the test specimens stiffer, increased the tensile strength, and decreased the ductility. Moreover, a global softening effect and a loss of the locking effect were seen from the degraded test results. Furthermore, an increase in volumetric strain and a whitening effect of the fracture surface indicated void growth. Void growth may be the reason for the increased fracture tendency of the degraded materials.

Under all test conditions, the stress triaxiality had a significant impact on the behavior of PA11. A smaller notch radius increased the damage in the specimen. The volumetric strain increased with a decreasing notch radius and should be considered a damage mechanism due to the indications of void growth. Further, for small notch radiuses, the test specimen behaved more brittle as a component, but locally it still behaved highly ductile. Hence, the presence of triaxial stress states and chemical agents challenge the structural integrity of flexible risers.

Non-linear finite element simulations were done using Abaqus together with the SIMLab Polymer Model. A unique material model has been established for each material variation under cold and warm conditions. Common tendencies across the material models were that the response was either too soft for the specimens with low triaxiality or too stiff for the specimens with high triaxiality. The diameter reduction was too low for the specimens with low triaxiality. The discrepancy in diameter reduction was due to the plastic dilation being independent of the stress state in the model. This independence was the greatest weakness of the conducted simulations.