TCI 583-2024 临氢环境中聚乙烯管道寿命预测评价方法

TICS83.140.30TCCSG04团 体 标 准T/CI583—2024临氢环境中聚乙烯管道寿命预测评价方法Lifetimepredictionandevaluationmethodsofpolyethylenepipelinesinhydrogenenvironments2024-11-15发布 2024-11-15实施中国国际科技促进会  发布T/CI583T/CI583—2024PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANII目 次前言 II范围 1规范性引用文件 1术语和定义 1因慢速裂纹扩展失效的寿命预测评价方法 2方法总则 2试样及仪器 2试验条件 2试验步骤 2寿命预测 3因老化失效的寿命预测评价方法 5总则 5试样及仪器 5试验条件 5试验步骤 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 13前 言本文件按照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。（华东本文件主要起草人：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。T/CI583T/CI583—2024PAGEPAGE10临氢环境中聚乙烯管道寿命预测评价方法范围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。规范性引用文件（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ISO184892015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]术语和定义下列术语和定义适用于本文件。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。掺氢比hydrogenblendingratio氢气在掺氢天然气中所占的体积比例。注：一般用%表示。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]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]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]试验速度testspeed夹具的分离速度。[来源：GB/T1040.1—2018，3.5]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。注：一般用%表示。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。注：一般用N表示。因慢速裂纹扩展失效的寿命预测评价方法概述试样及仪器试验所需要的试样及仪器如下。按ISO1849:205（CrakedRoudBa，CR，A。带氢釜的拉伸试验机。纯氢/99.9%，掺氢天然气可用氢气和氮气的混合气体代替。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：320~40130.4MPa；3020%；310.7；3试验步骤试验步骤如下。将裂纹圆棒试样放置在带氢釜的拉伸试验机中。通过氮气对氢釜进行吹扫：0.2MPa0MPa；125通过氢气/掺氢天然气对氢釜进行吹扫：氢气/0.2MPa排放氢釜内的氢气/0MPa；125在临氢环境中（纯氢/掺氢天然气）ISO18489:2015裂纹圆棒试样断裂后，通过氮气对氢釜进行吹扫：0.2MPa排放氢釜内的氮气和氢气/0MPa；125从氢釜中取出裂纹圆棒试样，结束试验。4.3a)～fda/dt，表示裂纹扩展时间。寿命预测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。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）。0σ945kg/时，为105MPa12.5MP；0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。静态载荷下慢速裂纹扩展速率的计算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速率da/tda/tPai(5)所示。式中：

dadt

I,max

m (5)da/dt——裂纹扩展速率，单位为毫米每秒（mm/s）；KI,max——最大应力强度因子，单位为兆帕平方根米（MPa·m0.5）；U、m——与温度、氢环境压力、掺氢比和载荷比有关的参数。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/t的Pais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da/t作为最终所选择的模型。根据所拟合的公式，最终外推出当=1（表示静态载荷）时，不同da/t所对1a)(5)对图1a)=1时dad及其所对应的x进行拟合，可以得到在不同温度、氢环境压力H和掺氢比环境中，=1时的da/tx所满足的ParisT7)、(8)所示。a） b）图1 外推法过程示意图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下角标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）；H（MP）；——掺氢比，%。聚乙烯管道的使用寿命预测聚乙烯管道的最大应力强度因子的计算通过4.52=环境中/(10(1)计算。KIaY (10)a a2Y0.36s0.16s

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

(11)IK（MP·m）；I——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）。预测聚乙烯管道使用寿命(12式中：

tSCG

1U,,

afaini-pipelineKI

1 ····································(12)dam(T,PH,HR)datSCG——聚乙烯管道因慢速裂纹扩展失效的使用寿命，单位为秒（s）；af——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。因老化失效的寿命预测评价方法概述试样及仪器试验所需要的试样及仪器如下：两端密封好的聚乙烯管道；聚乙烯管道制作的拉伸试样；防爆老化烘箱；纯氢/99.9%，掺氢天然气可以用氢气和氮气的混合气体代替；差示扫描量热仪；高压氢釜；拉伸试验机。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：3（一110），试验温度控制精度为±1330.4MPa；3020%；33d试验步骤聚乙烯管道老化试验步骤如下。将两端密封好的聚乙烯管道放入防爆老化烘箱中。通过氮气对两端密封好的聚乙烯管道进行吹扫：0.2MPa0.4MPa；0MPa；125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：氢气/0.2MPa0.4MPa；排放聚乙烯管道内的氢气/0MPa；125进行老化试验。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：0.2MPa0.4MPa；排放聚乙烯管道内的氮气和氢气/0MPa；125GB/T173915.3a)～f)，获取不同工况下老化后聚乙烯管道的氧化诱导时间。聚乙烯管道拉伸试样老化试验步骤如下。GB/T1040.2将拉伸试样放入氢釜中密封，使用氮气吹扫：0.2MPa0MPa；125通过氢气/掺氢天然气对氢釜进行吹扫：氢气/0.2MPa排放氢釜内的氢气/0MPa；125进行老化试验；老化试验结束后，用氮气吹扫氢釜：0.2MPa排放氢釜内的氮气和氢气/0MPa；125GB/T1040.15.3寿命预测时间因素拟合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。hX试验后 (13)X试验前式中：h——性能保留率；性能保留率的拟合oX为公式(14X为公式(15A*参数与温度无关，通过公式(16)求出最终结果：o式中：

hA*ekt (14)ooh*et (1)ook（d）t——老化试验时间，单位为天（d）；——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；oA*——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。onAA*nn式中：

o i1

···················································(16)——所试验的温度个数。o公式(14(15A*。oAo(13公式(16。对于Arrenis（管内压）（,,）,,）型作为最终模型，得到,,。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：

kZe

ERT (17)k（d；Z（d；E——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·K），R=8.314J/（mol·K）；T——老化试验温度，单位为开（K）。压力因素拟合通过5.52（(1(19H的关系。ZBe

CP(18)EE0PR R (19)式中：αP（MP）；（MP=0.1MP；R——气体常数，单位为焦每摩尔开J/（mol·K）；T——老化试验温度，单位为开（K）。掺氢比因素拟合通过5.53αArrenisα,α、、α。因老化失效的寿命预测模型结合步骤(20)和公式(21(20)和公式(21分别改临界(22)和公式(23(2)和公式(2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。lnAPHRlnX试验后o

X taging

试验前 (20)E0(HR)(HR)PP R

PBHR

CHR

Pfe

fTlnAPHRlnX试验后o

X taging

P,HR

试验前 (21)E0(HR)(HR)PP R

PBHR

CHR

Pfe

fTlnAPHRlnX临界o

X taging

初始 (22)E0(HR)(HR)PP R

PBHR

CHR

Pfe

fTlnAPHRlnX临界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；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；——掺氢比，%；和αP（MP）；（MP=0.1MP；R——气体常数，单位为焦每摩尔开J/（mol·K）；T——老化试验温度，单位为开（K）。附 录 A（资料性）裂纹圆棒试样形状与尺寸裂纹圆棒试样的形状与尺寸分