T-CI 583-2024 臨氫環(huán)境中聚乙烯管道壽命預測評價方法

TICS83.140.30TCCSG04LifetimepredictionandevaluationmethodsofpolyethylenepipelinesinhydrogenIT/CI583—2024前言 2規(guī)范性引用文件 3術語和定義 4因慢速裂紋擴展失效的壽命預測評價方法 24.1方法總則 24.2試樣及儀器 24.3試驗條件 24.4試驗步驟 24.5壽命預測 35因老化失效的壽命預測評價方法 55.1總則 55.2試樣及儀器 55.3試驗條件 55.4試驗步驟 55.5壽命預測 6附錄A（資料性）裂紋圓棒試樣形狀與尺寸 10附錄B（資料性）聚乙烯管道因慢速裂紋擴展失效的壽命預測計算流程 11附錄C（資料性）聚乙烯管道因老化失效的壽命預測計算流程 12參考文獻 T/CI583—2024本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔識別專利的責任。本文件由中國國際科技促進會提出并歸口。本文件起草單位：北京石油化工學院、中國石油大學（華東）、中國科學院金屬研究所、深圳市燃氣集團股份有限公司、長江大學、國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司科學技術研究總院分公司新能源儲運研究中心、北京市燃氣集團研究院、中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院、福建技術師范學院、寧夏特種設備檢驗檢測院、上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究院、北京青態(tài)科技有限公司。本文件主要起草人：宇波、李敬法、李玉星、王儉秋、徐彬、鄭度奎、王維斌、劉翠偉、明洪亮、段鵬飛、姜鑫、王念榕、張偉、李敏、王潔璐、徐維普、閆東雷、李璐伶、王財林、聶超飛、張延琦、王玉生、王曉峰、楊濤、趙杰、李建立。1T/CI583—2024臨氫環(huán)境中聚乙烯管道壽命預測評價方法本文件描述了臨氫環(huán)境中聚乙烯管道因慢速裂紋擴展失效的和因老化失效的兩種壽命預測評價方法。本文件適用于輸送純氫與摻氫天然氣的聚乙烯管道的壽命預測評價。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T1040.1塑料拉伸性能的測定第1部分：總則GB/T1040.2塑料拉伸性能的測定第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗條件GB/T17391聚乙烯管材與管件熱穩(wěn)定性試驗方法ISO18489:2015管道系統(tǒng)用聚乙烯（PE）材料循環(huán)載荷下耐慢速裂紋擴展能力的測定裂紋圓棒試驗方法[Polyethylene（PE）materialsforpipingsystems—Determinationofresistancetoslowcrackgrowthundercyclicloading—CrackedRoundBartestmethod]3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。3.1摻氫天然氣hydrogen-blendednaturalgas將一定比例的氫氣摻入天然氣得到的氣體燃料。3.2摻氫比hydrogenblendingratio氫氣在摻氫天然氣中所占的體積比例。3.3載荷比loadratio最小載荷與最大載荷的比值。[來源：ISO18489:2015，3.7，有修改]3.4氧化誘導時間oxidationinductiontime穩(wěn)定化材料耐氧化分解的一種相對度量。常壓、氧氣或空氣氣氛及規(guī)定溫度下，通過量熱法測定材料出現(xiàn)氧化放熱的時間。[來源：GB/T19466.6—2009，3.1]3.5標距gaugelength試樣中間部分兩標線之間的初始距離。[來源：GB/T1040.1—2018，3.1]3.6試驗速度testspeed夾具的分離速度。[來源：GB/T1040.1—2018，3.5]2T/CI583—20243.7斷裂伸長率percentageofbreakingelongation試樣拉伸斷裂后相對于初始試樣長度的變化值與初始試樣長度的比值。3.8最大拉力Maximumtensileforce在拉伸試驗中試樣直至斷裂為止所受的最大拉伸載荷。4因慢速裂紋擴展失效的壽命預測評價方法4.1概述在臨氫環(huán)境中，通過循環(huán)載荷進行疲勞試驗縮短試驗時間，由循環(huán)載荷的試驗結(jié)果外推得到靜態(tài)載荷的試驗結(jié)果，從而預測臨氫環(huán)境中聚乙烯管道因慢速裂紋擴展失效的使用壽命。4.2試樣及儀器試驗所需要的試樣及儀器如下。a)按ISO18489:2015的要求，從聚乙烯管道上制作裂紋圓棒試樣（CrackedRoundBar，CRB形狀與尺寸見附錄A。b)帶氫釜的拉伸試驗機。c)純氫/摻氫天然氣氣瓶和純氮氣瓶。純氫和純氮的濃度需大于99.9%，摻氫天然氣可用氫氣和氮氣的混合氣體代替。4.3試驗條件為了保證數(shù)據(jù)的擬合，每種試驗條件至少需要3個變量。試驗條件如下：a)試驗溫度：至少3個試驗溫度，推薦溫度范圍為-20℃~40℃,試驗溫度控制精度為±1℃;b)試驗氫環(huán)境壓力：至少3個氫環(huán)境壓力，一般不超過0.4MPa；c)試驗摻氫比：至少3個大于0的摻氫比，一般不超過20%；d)載荷比：至少3個小于1的載荷比，一般不超過0.7；e)目標應力范圍：至少3個目標應力范圍，最大應力應小于聚乙烯管道材料的屈服應力。4.4試驗步驟試驗步驟如下。a)將裂紋圓棒試樣放置在帶氫釜的拉伸試驗機中。b)通過氮氣對氫釜進行吹掃：1)氮氣充入氫釜，氫釜內(nèi)的壓力達到0.2MPa以上，且不超過氫釜的最大工作壓力；2)排放氫釜內(nèi)的氮氣和空氣的混合氣體，釜內(nèi)的壓力降至0MPa；3)反復執(zhí)行步驟1)和2)至少5次。c)通過氫氣/摻氫天然氣對氫釜進行吹掃：1)氫氣/摻氫天然氣充入氫釜，氫釜內(nèi)的壓力達到0.2MPa以上，且不超過氫釜的最大工作壓力；2)排放氫釜內(nèi)的氫氣/摻氫天然氣和氮氣的混合氣體，氫釜內(nèi)的壓力降至0MPa；3)反復執(zhí)行步驟1)和2)至少5次。d)在臨氫環(huán)境中（純氫/摻氫天然氣），按ISO18489:2015進行疲勞拉伸試驗。e)裂紋圓棒試樣斷裂后，通過氮氣對氫釜進行吹掃：1)氮氣充入氫釜，氫釜內(nèi)的壓力達到0.2MPa以上，且不超過氫釜的最大工作壓力；2)排放氫釜內(nèi)的氮氣和氫氣/摻氫天然氣的混合氣體，氫釜內(nèi)的壓力降至0MPa；3)反復執(zhí)行步驟1)和2)至少5次。f)從氫釜中取出裂紋圓棒試樣，結(jié)束試驗。3T/CI583—2024g)根據(jù)4.3的試驗條件，重復試驗步驟a)～f)，獲取不同工況下的慢速裂紋擴展速率da/dt，其中a表示裂紋擴展長度，t表示裂紋擴展時間。4.5壽命預測4.5.1裂紋圓棒試樣的最大應力強度因子的計算根據(jù)4.3的試驗條件，通過公式(1)～公式(4)計算不同載荷比和目標應力范圍下裂紋圓棒試樣的最大應力強度因子KI,max。F式中：KI,max——最大應力強度因子，單位為兆帕平方根米（MPa·m0.5）。Fmax——最大載荷，單位為牛（N）。b——韌帶半徑，單位為毫米（mm）。aini——初始缺口長度，單位為毫米（mm），aini=1.5mm。r——試樣半徑，單位為毫米（mm）。f(b/r)——試樣的典型函數(shù)。Dini——韌帶直徑，單位為毫米（mm）。Δσ0*——目標應力范圍，當裂紋圓棒試樣的密度小于或等于945kg/m3時，為10.5MPa～12.5MPa；當裂紋圓棒試樣的密度大于945kg/m3時，為11.5MPa～13.5MPa，防止過高的應力使得裂紋圓棒試樣發(fā)生韌性破壞。R0——載荷比。4.5.2靜態(tài)載荷下慢速裂紋擴展速率的計算4.5.2.1動態(tài)載荷下慢速裂紋擴展速率與最大應力強度因子的擬合通過4.4的實施和4.5.1的計算，得到不同溫度下、氫環(huán)境壓力、摻氫比和載荷比下的慢速裂紋擴展速率da/dt和最大應力強度因子KI,max。da/dt和KI,max的關系通過Paris模型擬合，如公式(5)所示。式中：da/dt——裂紋擴展速率，單位為毫米每秒（mm/s）；K——最大應力強度因子，單位為兆帕平方根米（MPa·m0.5I,maxU、m——與溫度、氫環(huán)境壓力、摻氫比和載荷比有關的參數(shù)。4.5.2.2基于外推法的靜態(tài)載荷下慢速裂紋擴展速率的計算與擬合通過公式(5)的擬合，得到不同溫度、氫環(huán)境壓力、摻氫比和載荷比下da/dt和KI,max的Paris擬合關系式，將它們繪制成圖1a)。通過切換坐標，得到圖1b)所示的圖像，再通過不同類似的函數(shù)（如多項式、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等）擬合得到在不同da/dt下載荷比R0和KI,max的關系，并選擇擬合精度最高的函數(shù)作為最終所選擇的模型。根據(jù)所擬合的公式，最終外推出當R0=1（表示靜態(tài)載荷）時，不同da/dt所對4T/CI583—2024應的KI,max，再將這些數(shù)值繪制回圖1a)中。通過公式(5)對圖1a)中由外推法得到的R0=1時da/dt及其所對應的KI,max進行擬合，可以得到在不同溫度T、氫環(huán)境壓力PH和摻氫比HR環(huán)境中，R0=1時的da/dt和KI,max所滿足的Paris關系式，其中包含參數(shù)U和m。在純氫環(huán)境中，可通過二元二次多項式描述U、m與溫度T和氫環(huán)境壓力PH的關系，分別如公式(6)和公式(7)所示。在摻氫環(huán)境中，可通過三元二次多項式描述U、m與溫度T、氫環(huán)境壓力PH和摻氫比HR的關系，分別如公式(8)和公式(9)所示。圖1外推法過程示意圖U=aT22 2 式中：a～j——擬合的參數(shù)；下角標U和m——擬合U和m時的參數(shù)標識；上角標0和1——純氫環(huán)境與摻氫環(huán)境中的工況標識；T——溫度，單位為開（K）；PH——氫環(huán)境壓力，單位為兆帕（MPaHR——摻氫比，%。4.5.3聚乙烯管道的使用壽命預測4.5.3.1聚乙烯管道的最大應力強度因子的計算通過4.5.2，可得到當R0=1時，不同溫度T、氫環(huán)境壓力PH和摻氫比HR環(huán)境中da/dt和KI的關系。對于 聚乙烯管道幾何形狀的KI，按公式(10)和公式(11)計算。 2式中：5T/CI583—2024KI——應力強度因子，單位為兆帕平方根米（MPa·m0.5σ——聚乙烯管道工作時的應力，單位為兆帕（MPa）；a——聚乙烯管道的裂紋長度，單位為米（m）；Y——幾何尺寸因子，無量綱；s——聚乙烯管道的壁厚，單位為米（m）。4.5.3.2預測聚乙烯管道使用壽命通過公式(12)，計算出在不同溫度T、氫環(huán)境壓力PH和摻氫比HR環(huán)境中，聚乙烯管道因慢速裂紋擴式中：tSCG——聚乙烯管道因慢速裂紋擴展失效的使用壽命，單位為秒（saf——聚乙烯管道發(fā)生斷裂時的裂紋長度，單位為毫米（mm）；aini-pipeline——聚乙烯管道初始裂紋長度，單位為毫米（mm），可以取0.4mm。5因老化失效的壽命預測評價方法5.1概述聚乙烯管道在高溫下會發(fā)生老化，可以認為在短時間內(nèi)經(jīng)歷高溫后狀態(tài)與在長時間內(nèi)經(jīng)歷低溫的狀態(tài)相同。根據(jù)“時溫等效”原理，可通過高溫短時間的數(shù)據(jù)預測出低溫長時間的臨氫環(huán)境中聚乙烯管道因老化失效的壽命。5.2試樣及儀器試驗所需要的試樣及儀器如下：a)兩端密封好的聚乙烯管道；b)聚乙烯管道制作的拉伸試樣；c)防爆老化烘箱；d)純氫/摻氫天然氣氣瓶和純氮氣瓶，純氫和純氮的濃度大于99.9%，摻氫天然氣可以用氫氣和氮氣的混合氣體代替；e)差示掃描量熱儀；f)高壓氫釜；g)拉伸試驗機。5.3試驗條件為了保證數(shù)據(jù)的擬合，每種試驗條件至少需要3個變量。試驗條件如下：a)試驗溫度：至少3個試驗溫度，試驗溫度需高于實驗室溫度和低于聚乙烯管道材料的熔點（一般不超過110℃),試驗溫度控制精度為±1℃;b)試驗壓力：至少3個管內(nèi)壓力或3個氫環(huán)境壓力，一般不超過0.4MPa；c)試驗摻氫比：至少3個大于0的摻氫比，一般不超過20%；d)試驗老化時間：至少3個老化時間，最短時間推薦3d以上。5.4試驗步驟5.4.1聚乙烯管道老化試驗步驟如下。a)將兩端密封好的聚乙烯管道放入防爆老化烘箱中。b)通過氮氣對兩端密封好的聚乙烯管道進行吹掃：6T/CI583—20241)氮氣充入聚乙烯管道，聚乙烯管道內(nèi)的壓力達到0.2MPa以上，且不超過0.4MPa；2)排放聚乙烯管道內(nèi)的氮氣和空氣的混合氣體，聚乙烯管道內(nèi)的壓力降至0MPa；3)反復執(zhí)行步驟1)和2)至少5次。c)通過氫氣/摻氫天然氣對兩端密封好的聚乙烯管道進行吹掃：1)氫氣/摻氫天然氣充入聚乙烯管道，聚乙烯管道內(nèi)的壓力達到0.2MPa以上，且不超過0.4MPa；2)排放聚乙烯管道內(nèi)的氫氣/摻氫天然氣和氮氣的混合氣體，聚乙烯管道內(nèi)的壓力降至0MPa；3)反復執(zhí)行步驟1)和2)至少5次。d)進行老化試驗。e)老化試驗結(jié)束后，通過氮氣對兩端密封好的聚乙烯管道進行吹掃：1)氮氣充入聚乙烯管道，聚乙烯管道內(nèi)的壓力達到0.2MPa以上，且不超過0.4MPa；2)排放聚乙烯管道內(nèi)的氮氣和氫氣/摻氫天然氣的混合氣體，聚乙烯管道內(nèi)壓力降至0MPa；3)反復執(zhí)行步驟1)和2)至少5次。f)將聚乙烯管道從防爆老化烘箱中取出，根據(jù)GB/T17391的規(guī)定和步驟測量老化后聚乙烯管道的氧化誘導時間；g)根據(jù)5.3的試驗條件，重復試驗步驟a)～f)，獲取不同工況下老化后聚乙烯管道的氧化誘導5.4.2聚乙烯管道拉伸試樣老化試驗步驟如下。a)根據(jù)GB/T1040.2的規(guī)定準備好聚乙烯管道制作的拉伸試樣。b)將拉伸試樣放入氫釜中密封，使用氮氣吹掃：1)氮氣充入氫釜，氫釜內(nèi)的壓力達到0.2MPa以上，且不超過氫釜的最大工作壓力；2)排放氫釜內(nèi)的氮氣和空氣的混合氣體，釜內(nèi)的壓力降至0MPa；3)反復執(zhí)行步驟1)和2)至少5次。c)通過氫氣/摻氫天然氣對氫釜進行吹掃：1)氫氣/摻氫天然氣充入氫釜，氫釜內(nèi)的壓力達到0.2MPa以上，且不超過氫釜的最大工作壓力；2)排放氫釜內(nèi)的氫氣/摻氫天然氣和氮氣的混合氣體，氫釜內(nèi)的壓力降至0MPa；3)反復執(zhí)行步驟1)和2)至少5次。d)進行老化試驗；e)老化試驗結(jié)束后，用氮氣吹掃氫釜：1)氮氣充入氫釜，氫釜內(nèi)的壓力達到0.2MPa以上，且不超過氫釜的最大工作壓力；2)排放氫釜內(nèi)的氮氣和氫氣/摻氫天然氣的混合氣體，氫釜內(nèi)的壓力降至0MPa；3)反復執(zhí)行步驟1)和2)至少5次。f)將拉伸試樣從氫釜中取出，根據(jù)GB/T1040.1的規(guī)定和步驟對氫環(huán)境老化后的拉伸試樣進行單軸拉伸試驗；g)根據(jù)5.3的試驗條件，重復試驗步驟a)～f)，獲取不同工況下老化后拉伸試樣的斷裂伸長率、最大拉力。5.5壽命預測5.5.1時間因素擬合5.5.1.1性能保留率的計算通過公式(13)計算聚乙烯管道老化前后的性能保留率。試驗前式中：h——性能保留率；7T/CI583—2024X試驗前——聚乙烯管道或聚乙烯管道拉伸試樣老化試驗前的性能參數(shù)，可以是氧化誘導時間、斷裂伸長率、最大拉力；X試驗后——聚乙烯管道或聚乙烯管道拉伸試樣老化試驗后的性能參數(shù)，可以是氧化誘導時間、斷裂伸長率、最大拉力。5.5.1.2性能保留率的擬合當X為氧化誘導時間時，h為公式(14)的表達式；當X為斷裂伸長率、最大拉力等力學性能相關參數(shù)時，h為公式(15)的表達式，A參數(shù)與溫度無關，通過公式(16)求出最終結(jié)果：h=Ae-kt h=Ae-ktβ 式中：k——反應速率常數(shù)，單位為每天（d-1），與溫度、壓力和摻氫比相關；t——老化試驗時間，單位為天（d）；β——與溫度無關但與壓力和摻氫比有關的常數(shù)，可以通過逐次逼近法計算得到；A——不同溫度、壓力和摻氫比對應的參數(shù)，該參數(shù)與溫度無關，通過公式(16)求出最終結(jié)果。式中：Ao——與溫度無關、但與壓力和摻氫比相關的參數(shù)；n——所試驗的溫度個數(shù)。公式(14)和公式(15)的最終結(jié)果用Ao代替A。5.5.1.3β和Ao～參數(shù)的擬合通過公式(13)公式(16)，可以得到不同壓力和摻氫比下的β和Ao，以及不同溫度、壓力和摻氫比下的k。對于β和Ao，通過線性擬合、多項式擬合以及Arrhenius方程等方法擬合它們與壓力P（管內(nèi)壓力Pd或氫環(huán)境壓力PH）和摻氫比HR的關系d(β,P,HR）和e（Ao,P,HR并選出擬合程度最好的模型作為最終模型，得到β（P,HR）和5.5.1.3β和Ao～參數(shù)的擬合5.5.2溫度因素擬合通過公式(17)計算，考慮溫度因素，最終得到不同壓力、摻氫比所對應的指前因子Z和表觀活化能E。式中：k——反應速率常數(shù)，單位為每天（d-1Z——指前因子，單位為每天（d-1E——表觀活化能，單位為焦每摩爾（J/mol）；R——氣體常數(shù)，單位為焦每摩爾開J/（mol·KR=8.314J/（mol·KT——老化試驗溫度，單位為開（K）。5.5.3壓力因素擬合通過5.5.2的擬合，可得到不同壓力P（管內(nèi)壓力Pd或氫環(huán)境壓力PH）和摻氫比HR下的指前因子Z和表觀活化能E，再通過公式(18)和公式(19)分別擬合壓力P（管內(nèi)壓力Pd或氫環(huán)境壓力PH）和指前因子Z、表觀活化能E的關系。8T/CI583—2024CP式中：B、C、E0和α——擬合參數(shù)；P——壓力（管內(nèi)壓力Pd或氫環(huán)境壓力PH單位為兆帕（MPaPf——參考壓力，單位為兆帕（MPa），Pf=0.1MPaP；R——氣體常數(shù)，單位為焦每摩爾開J/（mol·KR=8.314J/（mol·KT——老化試驗溫度，單位為開（K）。5.5.4摻氫比因素擬合通過5.5.3的擬合，可得到不同摻氫比HR下的B、C、E0和α參數(shù)，再通過線性擬合、多項式擬合以及Arrhenius方程等方法分別擬合B、C、E0、α與摻氫比HR的關系，并選出擬合程度最好的模型作為最終模E0（HR）、α（HR）。5.5.5因老化失效的壽命預測模型結(jié)合步驟5.5.1～5.5.4，可得公式(20)和公式(21)。將公式(20)和公式(21)中的X試驗后和X試驗前分別改成X臨界和X初始，得到臨氫環(huán)境中聚乙烯管道因老化失效的壽命預測模型，如公式(22)和公式(23)所示。當X為氧化誘導時間時，taging表達式為公式(20)和公式(22)。當X為斷裂伸長率、最大拉力時，taging表達式為公式(21)和公式(23)。聚乙烯管道因老化失效的壽命預測計算流程圖見附錄C。9T/CI583—2024式中：taging——聚乙烯管道因老化失效的使用壽命，單位為天（dAo——與溫度無關，與壓力和摻氫比相關的參數(shù)；X試驗后——聚乙烯管道或聚乙烯管道拉伸試樣老化試驗后的性能參數(shù)，可是氧化誘導時間、斷裂伸長率、最大拉力；X試驗前——聚乙烯管道或聚乙烯管道拉伸試樣老化試驗前的性能參數(shù)，可是氧化誘導時間、斷裂伸長率、最大拉力；X臨界——聚乙烯管道或聚乙烯管道拉伸試樣因老化失效時的臨界性能參數(shù)，可是氧化誘導時間、斷裂伸長率、最大拉力；X初始為聚乙烯管道或聚乙烯管道拉伸試樣未發(fā)生老化時的性能參數(shù)，可是氧化誘導時間、斷裂伸長率、最大拉力；HR——摻氫比，%；B（HR）、C（HR）、E0（HR）和α（HR）——與摻氫比有關的擬合參數(shù)；P——壓力（管內(nèi)壓力Pd或氫環(huán)境壓力PH單位為兆帕（MPaPf——參考壓力，單位為兆帕（MPa），Pf=0.