引言

　　氫能是國際能源戰(zhàn)略的競爭焦點，也是我國能源技術(shù)與新興產(chǎn)業(yè)的重要戰(zhàn)略方向，對實現(xiàn) “雙碳” 目標(biāo)意義重大。管道輸送氫能具有技術(shù)成熟、高效經(jīng)濟的特點，但金屬管道在氫環(huán)境下易發(fā)生氫脆等損傷。相比之下，非金屬聚乙烯(PE)管道具有良好的物理化學(xué)性能，安裝、運輸和維護優(yōu)勢明顯，且不存在氫脆問題，在城鎮(zhèn)燃?xì)夤?yīng)中發(fā)揮著重要作用。不過，我國臨氫環(huán)境下 PE 管道輸送技術(shù)的研究仍處于起步階段，需要評估現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)用于氫輸送的適用性。歐美等發(fā)達(dá)國家已對臨氫環(huán)境下 PE 管材開展了大量力學(xué)性能試驗研究，國內(nèi)在 PE 管材力學(xué)性能方面也有一定研究成果。本文通過對比、歸納和總結(jié)臨氫與非氫氣環(huán)境下 PE 管材的相關(guān)試驗結(jié)果，分析氫氣對其力學(xué)性能的影響，并對未來研究方向提出建議，對保障 PE 管道輸氫安全可靠具有重要意義。

　　1 拉伸試驗

　　拉伸試驗是測定材料在承受軸向拉伸載荷時特性的試驗方法。通常對啞鈴狀試樣進行拉伸，以此確定材料的屈服強度、彈性模量和斷裂伸長率等典型力學(xué)性能指標(biāo)。對于塑料管材而言，拉伸強度和斷裂伸長率是決定其在使用過程中能否保持原有形狀的關(guān)鍵性能指標(biāo)。

　　李清玲等人在空氣環(huán)境中針對 PE 材料開展了不同溫度和不同拉伸速度的單軸拉伸試驗，深入探討了溫度和拉伸速度對 PE 材料拉伸屈服應(yīng)力等性能的影響。試驗結(jié)果顯示，隨著溫度升高，PE 材料的拉伸屈服應(yīng)力減小;隨著拉伸速度增加，PE 材料的拉伸屈服應(yīng)力增加，而拉伸斷裂標(biāo)稱應(yīng)變減小。

　　在臨氫環(huán)境下對 PE 管材進行單軸拉伸試驗，對于探究氫對 PE 管材力學(xué)性能的影響意義重大，進而為 PE 管道輸氫技術(shù)的發(fā)展提供關(guān)鍵參考。例如，Castagnet 等人在臨氫環(huán)境下對 PE100 管材試樣進行單軸拉伸試驗，分別在 3MPa 氮氣、3MPa 氫氣和大氣環(huán)境下開展測試。結(jié)果表明，PE 管材的彈性模量在大氣中為 (950 ± 100) MPa(6 次試驗)，在氫氣中為 (970 ± 70) MPa(4 次試驗)，在氮氣中為 (980 ± 50) MPa(5 次試驗)，由此可見，3MPa 的氫氣環(huán)境對 PE 管材的力學(xué)性能沒有顯著影響。隨后，他們又在大氣環(huán)境和 3MPa 氫環(huán)境下，對在 0.5MPa 和 2MPa 氫環(huán)境下老化 13 個月后的 PE 管材進行拉伸試驗，結(jié)果顯示，在 0.5MPa 和 2MPa 氫壓環(huán)境下的 PE 管材老化試樣強度差異不大，這表明氫氣壓力對 PE 管材的力學(xué)性能影響可以忽略不計;同時，3MPa 氫氣環(huán)境下 PE 管材的力學(xué)性能與大氣環(huán)境下相比，兩者應(yīng)力應(yīng)變曲線接近，說明 PE 管材在氫環(huán)境下的力學(xué)性能相對穩(wěn)定。

　　2012 年，Klopffer 等人對在 3MPa 氮氣和 3MPa 氫氣環(huán)境中暴露 13 個月的 PE 管材試樣進行單軸拉伸試驗，結(jié)果表明，PE 管材試樣的彈性模量、屈服應(yīng)力等拉伸性能未受氫氣的影響。之后，他們對在 10MPa 氫氣環(huán)境中暴露 13 個月的 PE 管材試樣進行單軸拉伸試驗，同樣發(fā)現(xiàn) PE 管材試樣的彈性模量、屈服應(yīng)力等拉伸性能變化不大。2014 年，Alvine 等人在高壓氫氣環(huán)境下對 PE 材料進行拉伸測試，研究發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)壓力高于 28MPa 時，高壓氫氣才會對 PE 材料的抗拉強度產(chǎn)生顯著影響，且在 35MPa 的高壓氫環(huán)境中，HDPE 的極限抗拉強度相比于大氣環(huán)境下降低約 10% 。

　　2016 年，Menon 等人探討了 HDPE 管材在常溫高壓 (70 - 100MPa) 氫環(huán)境下力學(xué)性能的變化。為確保氫氣在材料中達(dá)到飽和狀態(tài)，他們將試樣置于高壓氫氣容器中放置 7 天，隨后通過單軸拉伸試驗發(fā)現(xiàn)，HDPE 材料在高壓氫氣暴露后的拉伸強度和模量有所增加。他們認(rèn)為這是因為高壓氫氣改變了材料的分子排列方式，使材料更加緊密有序，從而提高了強度，這一結(jié)果與 Davis 和 Pampillo 的實驗結(jié)果一致，但與 Alvine 等人的研究結(jié)果相反。2020 年，美國 Sandia 國家實驗室將 HDPE 材料暴露在 17 - 86MPa 的循環(huán)加壓氫環(huán)境下進行 100 次循環(huán)加壓處理，然后通過單軸拉伸試驗檢測其力學(xué)性能，結(jié)果表明 HDPE 材料在高壓氫循環(huán)環(huán)境中的拉伸性能沒有明顯變化。

　　綜上所述，不同氫壓環(huán)境下的聚乙烯管材拉伸試驗表明：當(dāng)氫環(huán)境壓力較低時，氫氣對聚乙烯管材拉伸性能的影響不大;在高壓氫氣環(huán)境下，聚乙烯管材的抗拉強度會發(fā)生變化，但該影響是源于氫氣還是環(huán)境壓力目前尚不明確。目前，對于影響聚乙烯管材拉伸性能的臨界氫壓尚無統(tǒng)一結(jié)論，仍需進一步研究。此外，溫度、濕度等其他可能影響臨氫環(huán)境下聚乙烯管材拉伸性能的因素也有待深入研究。因此，未來應(yīng)進一步深入研究不同臨氫環(huán)境條件下 PE 材料的長期拉伸性能變化，以便預(yù)測和預(yù)防潛在的材料性能退化問題。

　　2 蠕變試驗

　　蠕變試驗是用于研究材料在恒應(yīng)力持續(xù)加載下發(fā)生緩慢塑性變形現(xiàn)象的一種力學(xué)性能試驗。該試驗通常在高溫下進行，并且溫度越高，蠕變現(xiàn)象越明顯。試驗時會對材料施加持續(xù)的力或應(yīng)力，這種應(yīng)力可以是軸向的、剪切的或處于多軸應(yīng)力狀態(tài)。而且，蠕變試驗需要持續(xù)一段時間，時間長短從幾小時到數(shù)千小時不等，具體取決于材料和試驗的要求。

　　對 PE 管材進行蠕變試驗，目的是測定其在長時間持續(xù)受力情況下的形變程度和速度，具體可得到蠕變強度、蠕變速率、蠕變應(yīng)力和蠕變壽命這 4 個方面的結(jié)果。這些結(jié)果對于評估 PE 管材的耐久性和可靠性，以及指導(dǎo)其在實際應(yīng)用中的設(shè)計和使用都具有重要意義。蠕變本構(gòu)模型通過實驗數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)方程來描述和預(yù)測材料的蠕變行為。李茂東等人對 PE100 管材進行蠕變試驗以驗證其蠕變本構(gòu)模型的準(zhǔn)確性，試驗得到了蠕變?nèi)崃?- 時間曲線。結(jié)果表明，在應(yīng)力不超過 5.4MPa 時，不同應(yīng)力水平下的蠕變?nèi)崃壳€幾乎重合，表明這些應(yīng)力作用下的蠕變?nèi)崃颗c應(yīng)力水平無關(guān)，表現(xiàn)出線黏彈性行為;當(dāng)應(yīng)力超過 5.4MPa 時，不同應(yīng)力作用下的等時蠕變?nèi)崃侩S應(yīng)力水平的提高而增大，表現(xiàn)出非線性黏彈性行為。根據(jù)試驗結(jié)果，可以使用 Findley 蠕變模型和 Struik 蠕變模型對試驗得到的蠕變行為進行比較分析，兩者均可描述 PE100 管材蠕變行為，并且在模擬高應(yīng)力下的非線性蠕變行為時 Findley 模型比 Struik 模型更準(zhǔn)確。Lai 和 Bakker 研究了應(yīng)力和物理老化對 HDPE 材料蠕變性能的影響，結(jié)果表明 HDPE 表現(xiàn)出很強的非線性蠕變行為，可以利用時間 - 應(yīng)力等效原理構(gòu)造不同應(yīng)力下的蠕變?nèi)崃恐髑€。Luo 等人的研究表明 HDPE 材料的非線性粘彈性行為具有時間依賴性，會受到溫度、應(yīng)力水平等多種因素的影響，他們推導(dǎo)出了時間 - 溫度 - 應(yīng)力的轉(zhuǎn)移因子，并提出了時間 - 溫度 - 應(yīng)力等效原理。通過該原理，可以從高溫高應(yīng)力條件下的短期蠕變行為預(yù)測低溫低應(yīng)力條件下的長期蠕變行為。為明確 PE 管材的蠕變損傷機理，Hamouda 等人使用掃描電子顯微鏡觀察和化學(xué)分析的方法，確定了 PE 管材蠕變失效的基本過程。

　　在臨氫環(huán)境下進行蠕變試驗，能夠模擬實際工況下的應(yīng)力狀況，有助于更準(zhǔn)確地評估材料在真實環(huán)境中的性能變化規(guī)律。2012 年，Castagnet 等人根據(jù)時間溫度等效原理分析了 3MPa 氫環(huán)境下 PE 管材在 20 - 60℃的恒定溫度下短期蠕變曲線，并由此得出 20℃下的蠕變主曲線，試驗表明，3MPa 氫環(huán)境對 PE100 材料蠕變的影響可以忽略。2015 年，Klopffer 等人在 4MPa 的氫氣環(huán)境中進行了 PE 管材的蠕變試驗，結(jié)果表明時間 - 溫度等效原理在常溫空氣和加壓氫氣環(huán)境下都適用。2022 年，Simmons 等人研究了 Castagnet 等人在氫環(huán)境下對 PE 管材進行蠕變實驗后的結(jié)果，指出 Castagnet 等人僅進行了單一應(yīng)力的蠕變實驗，缺少氫環(huán)境下對預(yù)制裂紋或缺口試樣蠕變行為的研究，因此建議在氫環(huán)境下對預(yù)制裂紋或缺口試樣進行不同恒定應(yīng)力的蠕變實驗，以更好地理解氫氣對 PE 蠕變行為的影響。

　　通過對氫環(huán)境以及其他情況下的 PE 管材蠕變試驗結(jié)果的討論可知，4MPa 以下氫環(huán)境對 PE 材料蠕變的影響可以忽略，時間 - 溫度等效原理在臨氫環(huán)境下依舊適用。然而，目前臨氫環(huán)境下的蠕變試驗較少，無法確定氫環(huán)境下 PE 管材的蠕變損傷機理。同時，未來需要構(gòu)建臨氫環(huán)境下 PE 管材的蠕變本構(gòu)模型，以便于臨氫環(huán)境下 PE 管道的壽命分析和安全設(shè)計。

　　3 斷裂試驗

　　斷裂試驗是斷裂力學(xué)中用于確定材料和結(jié)構(gòu)斷裂特性的一種試驗方法。斷裂特性包含脆性轉(zhuǎn)變溫度(如無延性轉(zhuǎn)變溫度、脆性斷裂起始轉(zhuǎn)變溫度等)、裂紋擴展速率和斷裂韌性等。依據(jù)斷裂力學(xué)理論，當(dāng)荷載應(yīng)力超過許用應(yīng)力時，材料中的裂紋便會萌生發(fā)展。材料的裂紋擴展模式分為三種：Ⅰ 型開裂(張開型)，即裂紋的擴展方向垂直于加載方向，裂紋會沿著主應(yīng)力的方向擴展;Ⅱ 型開裂(滑開型)，裂紋的擴展方向與加載方向平行，但裂紋表面之間會產(chǎn)生剪切位移;Ⅲ 型開裂(復(fù)合型)，其裂紋模式介于 Ⅰ 型和 Ⅱ 型之間，裂紋的擴展方向不完全垂直或平行于加載方向，通常是一個復(fù)合的擴展模式。PE 管材實際的開裂模式與 Ⅰ 型開裂模式一致。

　　許多學(xué)者對 PE 材料的斷裂特性展開了研究。例如，Krishnaswamy 對 HDPE 管道在不同的環(huán)向應(yīng)力和溫度下進行了大量的蠕變斷裂測試，通過對管道蠕變斷裂數(shù)據(jù)的綜合分析，發(fā)現(xiàn)管道的延性失效主要受到聚合物屈服應(yīng)力的影響。同時，對多個溫度下的管道蠕變斷裂數(shù)據(jù)進行分析表明，時間 - 溫度等效原理并不嚴(yán)格適用于預(yù)測壓力管道的設(shè)計應(yīng)力和耐久性。Chan 和 Williams 對 HDPE 材料斷裂韌性的影響因素進行了綜合分析，結(jié)果顯示，當(dāng)試樣寬度在 6 - 40mm 范圍內(nèi)時，HDPE 材料的斷裂韌性與裂紋長度基本無關(guān);當(dāng)試樣寬度在 6mm 以下時，斷裂韌性隨著寬度的減小而降低。

　　利用裂紋擴展阻力曲線可以較為完整地展示材料抵抗裂紋擴展的能力。阻力曲線法測試簡便可靠，近年來在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于測定材料的斷裂韌性。例如，Guidara 等人通過緊湊拉伸試驗建立了 HDPE 材料的裂紋擴展阻力(J - R)曲線，用于確定 HDPE 材料的斷裂韌性，并討論了裂紋和管道尺寸對斷裂韌性的影響。Graice 等人使用多試樣試驗確定材料 J - R 曲線方法和裂紋開口位移方法，確定了 PE100 和 PE80 的斷裂韌性，同時還確定了試樣厚度和試樣形狀對兩種材料斷裂行為的影響，并通過多試樣試驗得出兩種材料的臨界應(yīng)力強度因子值。

　　部分學(xué)者在臨氫環(huán)境中對 PE 材料進行了斷裂試驗，以探究氫環(huán)境對 PE 材料斷裂行為的影響。例如，Castagnet 等人通過基本斷裂功比較了 PE100 材料在 3MPa 氫環(huán)境和大氣環(huán)境下進行拉伸試驗得到的載荷 - 位移曲線圖，發(fā)現(xiàn)兩者曲線幾乎重疊，該結(jié)果說明氫氣不影響 PE 材料的裂紋擴展與斷裂行為。Klopffer 等人在臨氫環(huán)境下對 PE 材料進行基本斷裂功測試，獲得了與 Castagnet 等人一致的雙面缺口拉伸試樣載荷 - 位移曲線圖，由此可知臨氫環(huán)境對 PE 材料斷裂性能基本沒影響。

　　上述關(guān)于 PE 材料在非氫氣環(huán)境與臨氫環(huán)境下斷裂試驗研究的結(jié)果表明，氫環(huán)境對 PE 材料的斷裂行為沒有影響，PE 材料在臨氫環(huán)境下的韌性斷裂行為與其在非氫氣環(huán)境下一致。但目前對 PE 材料在臨氫環(huán)境下斷裂失效機理的研究還不明確，未來需進一步研究。氫環(huán)境下的研究結(jié)果在不同應(yīng)力水平下的適用性，特別是對于高應(yīng)力和低應(yīng)力條件下聚乙烯管材斷裂行為的差異，還需要進一步的試驗驗證。

　　4 疲勞試驗

　　疲勞失效是材料失效的主要形式之一，通過疲勞試驗可獲得材料在不同應(yīng)力強度因子下的失效時間，預(yù)測使用壽命，避免疲勞失效故障。在管材性能中，慢速裂紋擴展(SCG)是重要評價指標(biāo)，常通過疲勞試驗研究，國內(nèi)外有缺口管(NPT)方法、賓夕法尼亞單邊缺口(PENT)方法等多種研究方法。

　　研究人員通過加速老化試驗評估 PE 管道壽命，如 Nezbedova 等評估單峰和雙峰分子量分布的 PE 管道使用壽命，F(xiàn)rank 和 Pinter 采用 CRB 方法對 PE 管材進行疲勞測試，可更準(zhǔn)確預(yù)測管材使用壽命。在臨氫環(huán)境下對 PE 材料進行疲勞試驗，能更準(zhǔn)確了解其性能變化，提高管道壽命預(yù)測準(zhǔn)確性。Benoit 等設(shè)計 HYCOMAT 測試裝置進行試驗，但目前不能確定氫對 PE 管材裂紋擴展速率的影響是來自氫滲透還是壓力作用。Byrne 等采用循環(huán)賓夕法尼亞邊緣切口試驗(CPENT)方法研究氫對 PE 管的影響，發(fā)現(xiàn)不同應(yīng)力強度因子差值下，氫氣對材料失效時間影響不同。與大氣環(huán)境試驗相比，臨氫環(huán)境下 PE 材料疲勞裂紋擴展顯著增強，CPENT 方法測試時間長且受溫度影響，未來可考慮采用 CRB 法。

　　5 結(jié)論

　　本文系統(tǒng)梳理了聚乙烯管材在非氫氣環(huán)境和臨氫環(huán)境下拉伸、蠕變、斷裂和疲勞試驗研究，總結(jié)出低氫壓下聚乙烯管材力學(xué)性能受影響較小，高壓氫環(huán)境下才會顯著變化。為更好指導(dǎo)聚乙烯管道在輸氫領(lǐng)域應(yīng)用，未來還需開展更多對照試驗明確氫環(huán)境影響因素;研發(fā)新型聚乙烯管材提高其在氫環(huán)境下的性能和耐久性;在臨氫環(huán)境中對全尺寸管道進行試驗;開展摻氫環(huán)境下的試驗研究，探究摻氫比對聚乙烯管材力學(xué)性能的影響規(guī)律。

楊 鵬;李敬法;鄭度奎;宇 波;趙 杰;李建立;段鵬飛;李璐伶,北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院;長江大學(xué)石油工程學(xué)院;深圳市燃?xì)饧瘓F股份有限公司,202502