T-CI 583-2024 临氢环境中聚乙烯管道寿命预测评价方法

TICS83.140.30TCCSG04LifetimepredictionandevaluationmethodsofpolyethylenepipelinesinhydrogenIT/CI583—2024前言 2规范性引用文件 3术语和定义 4因慢速裂纹扩展失效的寿命预测评价方法 24.1方法总则 24.2试样及仪器 24.3试验条件 24.4试验步骤 24.5寿命预测 35因老化失效的寿命预测评价方法 55.1总则 55.2试样及仪器 55.3试验条件 55.4试验步骤 55.5寿命预测 6附录A（资料性）裂纹圆棒试样形状与尺寸 10附录B（资料性）聚乙烯管道因慢速裂纹扩展失效的寿命预测计算流程 11附录C（资料性）聚乙烯管道因老化失效的寿命预测计算流程 12参考文献 T/CI583—2024本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国国际科技促进会提出并归口。本文件起草单位：北京石油化工学院、中国石油大学（华东）、中国科学院金属研究所、深圳市燃气集团股份有限公司、长江大学、国家石油天然气管网集团有限公司科学技术研究总院分公司新能源储运研究中心、北京市燃气集团研究院、中国石油天然气股份有限公司规划总院、福建技术师范学院、宁夏特种设备检验检测院、上海市特种设备监督检验技术研究院、北京青态科技有限公司。本文件主要起草人：宇波、李敬法、李玉星、王俭秋、徐彬、郑度奎、王维斌、刘翠伟、明洪亮、段鹏飞、姜鑫、王念榕、张伟、李敏、王洁璐、徐维普、闫东雷、李璐伶、王财林、聂超飞、张延琦、王玉生、王晓峰、杨涛、赵杰、李建立。1T/CI583—2024临氢环境中聚乙烯管道寿命预测评价方法本文件描述了临氢环境中聚乙烯管道因慢速裂纹扩展失效的和因老化失效的两种寿命预测评价方法。本文件适用于输送纯氢与掺氢天然气的聚乙烯管道的寿命预测评价。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T1040.1塑料拉伸性能的测定第1部分：总则GB/T1040.2塑料拉伸性能的测定第2部分：模塑和挤塑塑料的试验条件GB/T17391聚乙烯管材与管件热稳定性试验方法ISO18489:2015管道系统用聚乙烯（PE）材料循环载荷下耐慢速裂纹扩展能力的测定裂纹圆棒试验方法[Polyethylene（PE）materialsforpipingsystems—Determinationofresistancetoslowcrackgrowthundercyclicloading—CrackedRoundBartestmethod]3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1掺氢天然气hydrogen-blendednaturalgas将一定比例的氢气掺入天然气得到的气体燃料。3.2掺氢比hydrogenblendingratio氢气在掺氢天然气中所占的体积比例。3.3载荷比loadratio最小载荷与最大载荷的比值。[来源：ISO18489:2015，3.7，有修改]3.4氧化诱导时间oxidationinductiontime稳定化材料耐氧化分解的一种相对度量。常压、氧气或空气气氛及规定温度下，通过量热法测定材料出现氧化放热的时间。[来源：GB/T19466.6—2009，3.1]3.5标距gaugelength试样中间部分两标线之间的初始距离。[来源：GB/T1040.1—2018，3.1]3.6试验速度testspeed夹具的分离速度。[来源：GB/T1040.1—2018，3.5]2T/CI583—20243.7断裂伸长率percentageofbreakingelongation试样拉伸断裂后相对于初始试样长度的变化值与初始试样长度的比值。3.8最大拉力Maximumtensileforce在拉伸试验中试样直至断裂为止所受的最大拉伸载荷。4因慢速裂纹扩展失效的寿命预测评价方法4.1概述在临氢环境中，通过循环载荷进行疲劳试验缩短试验时间，由循环载荷的试验结果外推得到静态载荷的试验结果，从而预测临氢环境中聚乙烯管道因慢速裂纹扩展失效的使用寿命。4.2试样及仪器试验所需要的试样及仪器如下。a)按ISO18489:2015的要求，从聚乙烯管道上制作裂纹圆棒试样（CrackedRoundBar，CRB形状与尺寸见附录A。b)带氢釜的拉伸试验机。c)纯氢/掺氢天然气气瓶和纯氮气瓶。纯氢和纯氮的浓度需大于99.9%，掺氢天然气可用氢气和氮气的混合气体代替。4.3试验条件为了保证数据的拟合，每种试验条件至少需要3个变量。试验条件如下：a)试验温度：至少3个试验温度，推荐温度范围为-20℃~40℃,试验温度控制精度为±1℃;b)试验氢环境压力：至少3个氢环境压力，一般不超过0.4MPa；c)试验掺氢比：至少3个大于0的掺氢比，一般不超过20%；d)载荷比：至少3个小于1的载荷比，一般不超过0.7；e)目标应力范围：至少3个目标应力范围，最大应力应小于聚乙烯管道材料的屈服应力。4.4试验步骤试验步骤如下。a)将裂纹圆棒试样放置在带氢釜的拉伸试验机中。b)通过氮气对氢釜进行吹扫：1)氮气充入氢釜，氢釜内的压力达到0.2MPa以上，且不超过氢釜的最大工作压力；2)排放氢釜内的氮气和空气的混合气体，釜内的压力降至0MPa；3)反复执行步骤1)和2)至少5次。c)通过氢气/掺氢天然气对氢釜进行吹扫：1)氢气/掺氢天然气充入氢釜，氢釜内的压力达到0.2MPa以上，且不超过氢釜的最大工作压力；2)排放氢釜内的氢气/掺氢天然气和氮气的混合气体，氢釜内的压力降至0MPa；3)反复执行步骤1)和2)至少5次。d)在临氢环境中（纯氢/掺氢天然气），按ISO18489:2015进行疲劳拉伸试验。e)裂纹圆棒试样断裂后，通过氮气对氢釜进行吹扫：1)氮气充入氢釜，氢釜内的压力达到0.2MPa以上，且不超过氢釜的最大工作压力；2)排放氢釜内的氮气和氢气/掺氢天然气的混合气体，氢釜内的压力降至0MPa；3)反复执行步骤1)和2)至少5次。f)从氢釜中取出裂纹圆棒试样，结束试验。3T/CI583—2024g)根据4.3的试验条件，重复试验步骤a)～f)，获取不同工况下的慢速裂纹扩展速率da/dt，其中a表示裂纹扩展长度，t表示裂纹扩展时间。4.5寿命预测4.5.1裂纹圆棒试样的最大应力强度因子的计算根据4.3的试验条件，通过公式(1)～公式(4)计算不同载荷比和目标应力范围下裂纹圆棒试样的最大应力强度因子KI,max。F式中：KI,max——最大应力强度因子，单位为兆帕平方根米（MPa·m0.5）。Fmax——最大载荷，单位为牛（N）。b——韧带半径，单位为毫米（mm）。aini——初始缺口长度，单位为毫米（mm），aini=1.5mm。r——试样半径，单位为毫米（mm）。f(b/r)——试样的典型函数。Dini——韧带直径，单位为毫米（mm）。Δσ0*——目标应力范围，当裂纹圆棒试样的密度小于或等于945kg/m3时，为10.5MPa～12.5MPa；当裂纹圆棒试样的密度大于945kg/m3时，为11.5MPa～13.5MPa，防止过高的应力使得裂纹圆棒试样发生韧性破坏。R0——载荷比。4.5.2静态载荷下慢速裂纹扩展速率的计算4.5.2.1动态载荷下慢速裂纹扩展速率与最大应力强度因子的拟合通过4.4的实施和4.5.1的计算，得到不同温度下、氢环境压力、掺氢比和载荷比下的慢速裂纹扩展速率da/dt和最大应力强度因子KI,max。da/dt和KI,max的关系通过Paris模型拟合，如公式(5)所示。式中：da/dt——裂纹扩展速率，单位为毫米每秒（mm/s）；K——最大应力强度因子，单位为兆帕平方根米（MPa·m0.5I,maxU、m——与温度、氢环境压力、掺氢比和载荷比有关的参数。4.5.2.2基于外推法的静态载荷下慢速裂纹扩展速率的计算与拟合通过公式(5)的拟合，得到不同温度、氢环境压力、掺氢比和载荷比下da/dt和KI,max的Paris拟合关系式，将它们绘制成图1a)。通过切换坐标，得到图1b)所示的图像，再通过不同类似的函数（如多项式、幂函数、指数函数等）拟合得到在不同da/dt下载荷比R0和KI,max的关系，并选择拟合精度最高的函数作为最终所选择的模型。根据所拟合的公式，最终外推出当R0=1（表示静态载荷）时，不同da/dt所对4T/CI583—2024应的KI,max，再将这些数值绘制回图1a)中。通过公式(5)对图1a)中由外推法得到的R0=1时da/dt及其所对应的KI,max进行拟合，可以得到在不同温度T、氢环境压力PH和掺氢比HR环境中，R0=1时的da/dt和KI,max所满足的Paris关系式，其中包含参数U和m。在纯氢环境中，可通过二元二次多项式描述U、m与温度T和氢环境压力PH的关系，分别如公式(6)和公式(7)所示。在掺氢环境中，可通过三元二次多项式描述U、m与温度T、氢环境压力PH和掺氢比HR的关系，分别如公式(8)和公式(9)所示。图1外推法过程示意图U=aT22 2 式中：a～j——拟合的参数；下角标U和m——拟合U和m时的参数标识；上角标0和1——纯氢环境与掺氢环境中的工况标识；T——温度，单位为开（K）；PH——氢环境压力，单位为兆帕（MPaHR——掺氢比，%。4.5.3聚乙烯管道的使用寿命预测4.5.3.1聚乙烯管道的最大应力强度因子的计算通过4.5.2，可得到当R0=1时，不同温度T、氢环境压力PH和掺氢比HR环境中da/dt和KI的关系。对于 聚乙烯管道几何形状的KI，按公式(10)和公式(11)计算。 2式中：5T/CI583—2024KI——应力强度因子，单位为兆帕平方根米（MPa·m0.5σ——聚乙烯管道工作时的应力，单位为兆帕（MPa）；a——聚乙烯管道的裂纹长度，单位为米（m）；Y——几何尺寸因子，无量纲；s——聚乙烯管道的壁厚，单位为米（m）。4.5.3.2预测聚乙烯管道使用寿命通过公式(12)，计算出在不同温度T、氢环境压力PH和掺氢比HR环境中，聚乙烯管道因慢速裂纹扩式中：tSCG——聚乙烯管道因慢速裂纹扩展失效的使用寿命，单位为秒（saf——聚乙烯管道发生断裂时的裂纹长度，单位为毫米（mm）；aini-pipeline——聚乙烯管道初始裂纹长度，单位为毫米（mm），可以取0.4mm。5因老化失效的寿命预测评价方法5.1概述聚乙烯管道在高温下会发生老化，可以认为在短时间内经历高温后状态与在长时间内经历低温的状态相同。根据“时温等效”原理，可通过高温短时间的数据预测出低温长时间的临氢环境中聚乙烯管道因老化失效的寿命。5.2试样及仪器试验所需要的试样及仪器如下：a)两端密封好的聚乙烯管道；b)聚乙烯管道制作的拉伸试样；c)防爆老化烘箱；d)纯氢/掺氢天然气气瓶和纯氮气瓶，纯氢和纯氮的浓度大于99.9%，掺氢天然气可以用氢气和氮气的混合气体代替；e)差示扫描量热仪；f)高压氢釜；g)拉伸试验机。5.3试验条件为了保证数据的拟合，每种试验条件至少需要3个变量。试验条件如下：a)试验温度：至少3个试验温度，试验温度需高于实验室温度和低于聚乙烯管道材料的熔点（一般不超过110℃),试验温度控制精度为±1℃;b)试验压力：至少3个管内压力或3个氢环境压力，一般不超过0.4MPa；c)试验掺氢比：至少3个大于0的掺氢比，一般不超过20%；d)试验老化时间：至少3个老化时间，最短时间推荐3d以上。5.4试验步骤5.4.1聚乙烯管道老化试验步骤如下。a)将两端密封好的聚乙烯管道放入防爆老化烘箱中。b)通过氮气对两端密封好的聚乙烯管道进行吹扫：6T/CI583—20241)氮气充入聚乙烯管道，聚乙烯管道内的压力达到0.2MPa以上，且不超过0.4MPa；2)排放聚乙烯管道内的氮气和空气的混合气体，聚乙烯管道内的压力降至0MPa；3)反复执行步骤1)和2)至少5次。c)通过氢气/掺氢天然气对两端密封好的聚乙烯管道进行吹扫：1)氢气/掺氢天然气充入聚乙烯管道，聚乙烯管道内的压力达到0.2MPa以上，且不超过0.4MPa；2)排放聚乙烯管道内的氢气/掺氢天然气和氮气的混合气体，聚乙烯管道内的压力降至0MPa；3)反复执行步骤1)和2)至少5次。d)进行老化试验。e)老化试验结束后，通过氮气对两端密封好的聚乙烯管道进行吹扫：1)氮气充入聚乙烯管道，聚乙烯管道内的压力达到0.2MPa以上，且不超过0.4MPa；2)排放聚乙烯管道内的氮气和氢气/掺氢天然气的混合气体，聚乙烯管道内压力降至0MPa；3)反复执行步骤1)和2)至少5次。f)将聚乙烯管道从防爆老化烘箱中取出，根据GB/T17391的规定和步骤测量老化后聚乙烯管道的氧化诱导时间；g)根据5.3的试验条件，重复试验步骤a)～f)，获取不同工况下老化后聚乙烯管道的氧化诱导5.4.2聚乙烯管道拉伸试样老化试验步骤如下。a)根据GB/T1040.2的规定准备好聚乙烯管道制作的拉伸试样。b)将拉伸试样放入氢釜中密封，使用氮气吹扫：1)氮气充入氢釜，氢釜内的压力达到0.2MPa以上，且不超过氢釜的最大工作压力；2)排放氢釜内的氮气和空气的混合气体，釜内的压力降至0MPa；3)反复执行步骤1)和2)至少5次。c)通过氢气/掺氢天然气对氢釜进行吹扫：1)氢气/掺氢天然气充入氢釜，氢釜内的压力达到0.2MPa以上，且不超过氢釜的最大工作压力；2)排放氢釜内的氢气/掺氢天然气和氮气的混合气体，氢釜内的压力降至0MPa；3)反复执行步骤1)和2)至少5次。d)进行老化试验；e)老化试验结束后，用氮气吹扫氢釜：1)氮气充入氢釜，氢釜内的压力达到0.2MPa以上，且不超过氢釜的最大工作压力；2)排放氢釜内的氮气和氢气/掺氢天然气的混合气体，氢釜内的压力降至0MPa；3)反复执行步骤1)和2)至少5次。f)将拉伸试样从氢釜中取出，根据GB/T1040.1的规定和步骤对氢环境老化后的拉伸试样进行单轴拉伸试验；g)根据5.3的试验条件，重复试验步骤a)～f)，获取不同工况下老化后拉伸试样的断裂伸长率、最大拉力。5.5寿命预测5.5.1时间因素拟合5.5.1.1性能保留率的计算通过公式(13)计算聚乙烯管道老化前后的性能保留率。试验前式中：h——性能保留率；7T/CI583—2024X试验前——聚乙烯管道或聚乙烯管道拉伸试样老化试验前的性能参数，可以是氧化诱导时间、断裂伸长率、最大拉力；X试验后——聚乙烯管道或聚乙烯管道拉伸试样老化试验后的性能参数，可以是氧化诱导时间、断裂伸长率、最大拉力。5.5.1.2性能保留率的拟合当X为氧化诱导时间时，h为公式(14)的表达式；当X为断裂伸长率、最大拉力等力学性能相关参数时，h为公式(15)的表达式，A参数与温度无关，通过公式(16)求出最终结果：h=Ae-kt h=Ae-ktβ 式中：k——反应速率常数，单位为每天（d-1），与温度、压力和掺氢比相关；t——老化试验时间，单位为天（d）；β——与温度无关但与压力和掺氢比有关的常数，可以通过逐次逼近法计算得到；A——不同温度、压力和掺氢比对应的参数，该参数与温度无关，通过公式(16)求出最终结果。式中：Ao——与温度无关、但与压力和掺氢比相关的参数；n——所试验的温度个数。公式(14)和公式(15)的最终结果用Ao代替A。5.5.1.3β和Ao～参数的拟合通过公式(13)公式(16)，可以得到不同压力和掺氢比下的β和Ao，以及不同温度、压力和掺氢比下的k。对于β和Ao，通过线性拟合、多项式拟合以及Arrhenius方程等方法拟合它们与压力P（管内压力Pd或氢环境压力PH）和掺氢比HR的关系d(β,P,HR）和e（Ao,P,HR并选出拟合程度最好的模型作为最终模型，得到β（P,HR）和5.5.1.3β和Ao～参数的拟合5.5.2温度因素拟合通过公式(17)计算，考虑温度因素，最终得到不同压力、掺氢比所对应的指前因子Z和表观活化能E。式中：k——反应速率常数，单位为每天（d-1Z——指前因子，单位为每天（d-1E——表观活化能，单位为焦每摩尔（J/mol）；R——气体常数，单位为焦每摩尔开J/（mol·KR=8.314J/（mol·KT——老化试验温度，单位为开（K）。5.5.3压力因素拟合通过5.5.2的拟合，可得到不同压力P（管内压力Pd或氢环境压力PH）和掺氢比HR下的指前因子Z和表观活化能E，再通过公式(18)和公式(19)分别拟合压力P（管内压力Pd或氢环境压力PH）和指前因子Z、表观活化能E的关系。8T/CI583—2024CP式中：B、C、E0和α——拟合参数；P——压力（管内压力Pd或氢环境压力PH单位为兆帕（MPaPf——参考压力，单位为兆帕（MPa），Pf=0.1MPaP；R——气体常数，单位为焦每摩尔开J/（mol·KR=8.314J/（mol·KT——老化试验温度，单位为开（K）。5.5.4掺氢比因素拟合通过5.5.3的拟合，可得到不同掺氢比HR下的B、C、E0和α参数，再通过线性拟合、多项式拟合以及Arrhenius方程等方法分别拟合B、C、E0、α与掺氢比HR的关系，并选出拟合程度最好的模型作为最终模E0（HR）、α（HR）。5.5.5因老化失效的寿命预测模型结合步骤5.5.1～5.5.4，可得公式(20)和公式(21)。将公式(20)和公式(21)中的X试验后和X试验前分别改成X临界和X初始，得到临氢环境中聚乙烯管道因老化失效的寿命预测模型，如公式(22)和公式(23)所示。当X为氧化诱导时间时，taging表达式为公式(20)和公式(22)。当X为断裂伸长率、最大拉力时，taging表达式为公式(21)和公式(23)。聚乙烯管道因老化失效的寿命预测计算流程图见附录C。9T/CI583—2024式中：taging——聚乙烯管道因老化失效的使用寿命，单位为天（dAo——与温度无关，与压力和掺氢比相关的参数；X试验后——聚乙烯管道或聚乙烯管道拉伸试样老化试验后的性能参数，可是氧化诱导时间、断裂伸长率、最大拉力；X试验前——聚乙烯管道或聚乙烯管道拉伸试样老化试验前的性能参数，可是氧化诱导时间、断裂伸长率、最大拉力；X临界——聚乙烯管道或聚乙烯管道拉伸试样因老化失效时的临界性能参数，可是氧化诱导时间、断裂伸长率、最大拉力；X初始为聚乙烯管道或聚乙烯管道拉伸试样未发生老化时的性能参数，可是氧化诱导时间、断裂伸长率、最大拉力；HR——掺氢比，%；B（HR）、C（HR）、E0（HR）和α（HR）——与掺氢比有关的拟合参数；P——压力（管内压力Pd或氢环境压力PH单位为兆帕（MPaPf——参考压力，单位为兆帕（MPa），Pf=0.