TCI 583-2024 臨氫環(huán)境中聚乙烯管道壽命預測評價方法

TICS83.140.30TCCSG04團 體 標 準T/CI583—2024臨氫環(huán)境中聚乙烯管道壽命預測評價方法Lifetimepredictionandevaluationmethodsofpolyethylenepipelinesinhydrogenenvironments2024-11-15發(fā)布 2024-11-15實施中國國際科技促進會??發(fā)布T/CI583T/CI583—2024PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANII目 次前言 II范圍 1規(guī)范性引用文件 1術(shù)語和定義 1因慢速裂紋擴展失效的壽命預測評價方法 2方法總則 2試樣及儀器 2試驗條件 2試驗步驟 2壽命預測 3因老化失效的壽命預測評價方法 5總則 5試樣及儀器 5試驗條件 5試驗步驟 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 13前 言本文件按照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。（華東本文件主要起草人：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。T/CI583T/CI583—2024PAGEPAGE10臨氫環(huán)境中聚乙烯管道壽命預測評價方法范圍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。規(guī)范性引用文件（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ISO184892015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]術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。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。摻氫比hydrogenblendingratio氫氣在摻氫天然氣中所占的體積比例。注：一般用%表示。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]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]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]試驗速度testspeed夾具的分離速度。[來源：GB/T1040.1—2018，3.5]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。注：一般用%表示。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。注：一般用N表示。因慢速裂紋擴展失效的壽命預測評價方法概述試樣及儀器試驗所需要的試樣及儀器如下。按ISO1849:205（CrakedRoudBa，CR，A。帶氫釜的拉伸試驗機。純氫/99.9%，摻氫天然氣可用氫氣和氮氣的混合氣體代替。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：320~40130.4MPa；3020%；310.7；3試驗步驟試驗步驟如下。將裂紋圓棒試樣放置在帶氫釜的拉伸試驗機中。通過氮氣對氫釜進行吹掃：0.2MPa0MPa；125通過氫氣/摻氫天然氣對氫釜進行吹掃：氫氣/0.2MPa排放氫釜內(nèi)的氫氣/0MPa；125在臨氫環(huán)境中（純氫/摻氫天然氣）ISO18489:2015裂紋圓棒試樣斷裂后，通過氮氣對氫釜進行吹掃：0.2MPa排放氫釜內(nèi)的氮氣和氫氣/0MPa；125從氫釜中取出裂紋圓棒試樣，結(jié)束試驗。4.3a)～fda/dt，表示裂紋擴展時間。壽命預測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。inibrK finibrI,max

b2

rrD2····················································Fmax

ini 04(1R0)

(2)braini

························································(3)b 1 1b3b

b3

b4(4)fr212r8r

0.363r

0.731r式中：

K,x（MP·）。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）。0σ945kg/時，為105MPa12.5MP；0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。靜態(tài)載荷下慢速裂紋擴展速率的計算動態(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速率da/tda/tPai(5)所示。式中：

dadt

I,max

m (5)da/dt——裂紋擴展速率，單位為毫米每秒（mm/s）；KI,max——最大應力強度因子，單位為兆帕平方根米（MPa·m0.5）；U、m——與溫度、氫環(huán)境壓力、摻氫比和載荷比有關(guān)的參數(shù)?；谕馔品ǖ撵o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/t的Pais擬合關(guān)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da/t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=1（表示靜態(tài)載荷）時，不同da/t所對1a)(5)對圖1a)=1時dad及其所對應的x進行擬合，可以得到在不同溫度、氫環(huán)境壓力H和摻氫比環(huán)境中，=1時的da/tx所滿足的ParisT7)、(8)所示。a） b）圖1 外推法過程示意圖Ua0T2b0P2c0TP

d0Te0

f0 (6)U UH U H U UH Uma0T2b0P2c0TP

d0Te0

f0 (7)m mH m H m mH mUa1T2b1P2c1HR2d1TPe1THRU UH U U H

·····························(8)f1PHRg1TPi1HRj1UH U UH U Uma1T2b1P2c1HR2d1TPe1THRm mH m m H

·····························(9)f1PHRg1TPi1HRj1式中：

mH m mH m m下角標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）；H（MP）；——摻氫比，%。聚乙烯管道的使用壽命預測聚乙烯管道的最大應力強度因子的計算通過4.52=環(huán)境中/(10(1)計算。KIaY (10)a a2Y0.36s0.16s

a31.80s····································式中：

(11)IK（MP·m）；I——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）。預測聚乙烯管道使用壽命(12式中：

tSCG

1U,,

afaini-pipelineKI

1 ····································(12)dam(T,PH,HR)datSCG——聚乙烯管道因慢速裂紋擴展失效的使用壽命，單位為秒（s）；af——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。因老化失效的壽命預測評價方法概述試樣及儀器試驗所需要的試樣及儀器如下：兩端密封好的聚乙烯管道；聚乙烯管道制作的拉伸試樣；防爆老化烘箱；純氫/99.9%，摻氫天然氣可以用氫氣和氮氣的混合氣體代替；差示掃描量熱儀；高壓氫釜；拉伸試驗機。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：3（一110），試驗溫度控制精度為±1330.4MPa；3020%；33d試驗步驟聚乙烯管道老化試驗步驟如下。將兩端密封好的聚乙烯管道放入防爆老化烘箱中。通過氮氣對兩端密封好的聚乙烯管道進行吹掃：0.2MPa0.4MPa；0MPa；125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：氫氣/0.2MPa0.4MPa；排放聚乙烯管道內(nèi)的氫氣/0MPa；125進行老化試驗。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：0.2MPa0.4MPa；排放聚乙烯管道內(nèi)的氮氣和氫氣/0MPa；125GB/T173915.3a)～f)，獲取不同工況下老化后聚乙烯管道的氧化誘導時間。聚乙烯管道拉伸試樣老化試驗步驟如下。GB/T1040.2將拉伸試樣放入氫釜中密封，使用氮氣吹掃：0.2MPa0MPa；125通過氫氣/摻氫天然氣對氫釜進行吹掃：氫氣/0.2MPa排放氫釜內(nèi)的氫氣/0MPa；125進行老化試驗；老化試驗結(jié)束后，用氮氣吹掃氫釜：0.2MPa排放氫釜內(nèi)的氮氣和氫氣/0MPa；125GB/T1040.15.3壽命預測時間因素擬合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。hX試驗后 (13)X試驗前式中：h——性能保留率；性能保留率的擬合oX為公式(14X為公式(15A*參數(shù)與溫度無關(guān)，通過公式(16)求出最終結(jié)果：o式中：

hA*ekt (14)ooh*et (1)ook（d）t——老化試驗時間，單位為天（d）；——與溫度無關(guān)但與壓力和摻氫比有關(guān)的常數(shù)，可以通過逐次逼近法計算得到；oA*——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(guān)，通過公式(16)求出最終結(jié)果。onAA*nn式中：

o i1

···················································(16)——所試驗的溫度個數(shù)。o公式(14(15A*。oAo(13公式(16。對于Arrenis（管內(nèi)壓）（,,）,,）型作為最終模型，得到,,。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：

kZe

ERT (17)k（d；Z（d；E——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·K），R=8.314J/（mol·K）；T——老化試驗溫度，單位為開（K）。壓力因素擬合通過5.52（(1(19H的關(guān)系。ZBe

CP(18)EE0PR R (19)式中：αP（MP）；（MP=0.1MP；R——氣體常數(shù)，單位為焦每摩爾開J/（mol·K）；T——老化試驗溫度，單位為開（K）。摻氫比因素擬合通過5.53αArrenisα,α、、α。因老化失效的壽命預測模型結(jié)合步驟(20)和公式(21(20)和公式(21分別改臨界(22)和公式(23(2)和公式(2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。lnAPHRlnX試驗后o

X taging

試驗前 (20)E0(HR)(HR)PP R

PBHR

CHR

Pfe

fTlnAPHRlnX試驗后o

X taging

P,HR

試驗前 (21)E0(HR)(HR)PP R

PBHR

CHR

Pfe

fTlnAPHRlnX臨界o

X taging

初始 (22)E0(HR)(HR)PP R

PBHR

CHR

Pfe

fTlnAPHRlnX臨界o

X taging

P,HR

初始 (23)E0(HR)(HR)PP R

PBHR

CHR

Pfe

fT式中：d；o——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；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；——摻氫比，%；和αP（MP）；（MP=0.1MP；R——氣體常數(shù)，單位為焦每摩爾開J/（mol·K）；T——老化試驗溫度，單位為開（K）。附 錄 A（資料性）裂紋圓棒試樣形狀與尺寸裂紋圓棒試樣的形狀與尺寸分