中国腐蚀与防护学报杂志投稿格式参考范文：临氢环境下聚乙烯管材力学性能研究进展

　　引言

　　氢能是国际能源战略的竞争焦点，也是我国能源技术与新兴产业的重要战略方向，对实现 “双碳” 目标意义重大。管道输送氢能具有技术成熟、高效经济的特点，但金属管道在氢环境下易发生氢脆等损伤。相比之下，非金属聚乙烯(PE)管道具有良好的物理化学性能，安装、运输和维护优势明显，且不存在氢脆问题，在城镇燃气供应中发挥着重要作用。不过，我国临氢环境下 PE 管道输送技术的研究仍处于起步阶段，需要评估现有天然气管网用于氢输送的适用性。欧美等发达国家已对临氢环境下 PE 管材开展了大量力学性能试验研究，国内在 PE 管材力学性能方面也有一定研究成果。本文通过对比、归纳和总结临氢与非氢气环境下 PE 管材的相关试验结果，分析氢气对其力学性能的影响，并对未来研究方向提出建议，对保障 PE 管道输氢安全可靠具有重要意义。

　　1 拉伸试验

　　拉伸试验是测定材料在承受轴向拉伸载荷时特性的试验方法。通常对哑铃状试样进行拉伸，以此确定材料的屈服强度、弹性模量和断裂伸长率等典型力学性能指标。对于塑料管材而言，拉伸强度和断裂伸长率是决定其在使用过程中能否保持原有形状的关键性能指标。

　　李清玲等人在空气环境中针对 PE 材料开展了不同温度和不同拉伸速度的单轴拉伸试验，深入探讨了温度和拉伸速度对 PE 材料拉伸屈服应力等性能的影响。试验结果显示，随着温度升高，PE 材料的拉伸屈服应力减小;随着拉伸速度增加，PE 材料的拉伸屈服应力增加，而拉伸断裂标称应变减小。

　　在临氢环境下对 PE 管材进行单轴拉伸试验，对于探究氢对 PE 管材力学性能的影响意义重大，进而为 PE 管道输氢技术的发展提供关键参考。例如，Castagnet 等人在临氢环境下对 PE100 管材试样进行单轴拉伸试验，分别在 3MPa 氮气、3MPa 氢气和大气环境下开展测试。结果表明，PE 管材的弹性模量在大气中为 (950 ± 100) MPa(6 次试验)，在氢气中为 (970 ± 70) MPa(4 次试验)，在氮气中为 (980 ± 50) MPa(5 次试验)，由此可见，3MPa 的氢气环境对 PE 管材的力学性能没有显著影响。随后，他们又在大气环境和 3MPa 氢环境下，对在 0.5MPa 和 2MPa 氢环境下老化 13 个月后的 PE 管材进行拉伸试验，结果显示，在 0.5MPa 和 2MPa 氢压环境下的 PE 管材老化试样强度差异不大，这表明氢气压力对 PE 管材的力学性能影响可以忽略不计;同时，3MPa 氢气环境下 PE 管材的力学性能与大气环境下相比，两者应力应变曲线接近，说明 PE 管材在氢环境下的力学性能相对稳定。

　　2012 年，Klopffer 等人对在 3MPa 氮气和 3MPa 氢气环境中暴露 13 个月的 PE 管材试样进行单轴拉伸试验，结果表明，PE 管材试样的弹性模量、屈服应力等拉伸性能未受氢气的影响。之后，他们对在 10MPa 氢气环境中暴露 13 个月的 PE 管材试样进行单轴拉伸试验，同样发现 PE 管材试样的弹性模量、屈服应力等拉伸性能变化不大。2014 年，Alvine 等人在高压氢气环境下对 PE 材料进行拉伸测试，研究发现，只有当压力高于 28MPa 时，高压氢气才会对 PE 材料的抗拉强度产生显著影响，且在 35MPa 的高压氢环境中，HDPE 的极限抗拉强度相比于大气环境下降低约 10% 。

　　2016 年，Menon 等人探讨了 HDPE 管材在常温高压 (70 - 100MPa) 氢环境下力学性能的变化。为确保氢气在材料中达到饱和状态，他们将试样置于高压氢气容器中放置 7 天，随后通过单轴拉伸试验发现，HDPE 材料在高压氢气暴露后的拉伸强度和模量有所增加。他们认为这是因为高压氢气改变了材料的分子排列方式，使材料更加紧密有序，从而提高了强度，这一结果与 Davis 和 Pampillo 的实验结果一致，但与 Alvine 等人的研究结果相反。2020 年，美国 Sandia 国家实验室将 HDPE 材料暴露在 17 - 86MPa 的循环加压氢环境下进行 100 次循环加压处理，然后通过单轴拉伸试验检测其力学性能，结果表明 HDPE 材料在高压氢循环环境中的拉伸性能没有明显变化。

　　综上所述，不同氢压环境下的聚乙烯管材拉伸试验表明：当氢环境压力较低时，氢气对聚乙烯管材拉伸性能的影响不大;在高压氢气环境下，聚乙烯管材的抗拉强度会发生变化，但该影响是源于氢气还是环境压力目前尚不明确。目前，对于影响聚乙烯管材拉伸性能的临界氢压尚无统一结论，仍需进一步研究。此外，温度、湿度等其他可能影响临氢环境下聚乙烯管材拉伸性能的因素也有待深入研究。因此，未来应进一步深入研究不同临氢环境条件下 PE 材料的长期拉伸性能变化，以便预测和预防潜在的材料性能退化问题。

　　2 蠕变试验

　　蠕变试验是用于研究材料在恒应力持续加载下发生缓慢塑性变形现象的一种力学性能试验。该试验通常在高温下进行，并且温度越高，蠕变现象越明显。试验时会对材料施加持续的力或应力，这种应力可以是轴向的、剪切的或处于多轴应力状态。而且，蠕变试验需要持续一段时间，时间长短从几小时到数千小时不等，具体取决于材料和试验的要求。

　　对 PE 管材进行蠕变试验，目的是测定其在长时间持续受力情况下的形变程度和速度，具体可得到蠕变强度、蠕变速率、蠕变应力和蠕变寿命这 4 个方面的结果。这些结果对于评估 PE 管材的耐久性和可靠性，以及指导其在实际应用中的设计和使用都具有重要意义。蠕变本构模型通过实验数据和数学方程来描述和预测材料的蠕变行为。李茂东等人对 PE100 管材进行蠕变试验以验证其蠕变本构模型的准确性，试验得到了蠕变柔量 - 时间曲线。结果表明，在应力不超过 5.4MPa 时，不同应力水平下的蠕变柔量曲线几乎重合，表明这些应力作用下的蠕变柔量与应力水平无关，表现出线黏弹性行为;当应力超过 5.4MPa 时，不同应力作用下的等时蠕变柔量随应力水平的提高而增大，表现出非线性黏弹性行为。根据试验结果，可以使用 Findley 蠕变模型和 Struik 蠕变模型对试验得到的蠕变行为进行比较分析，两者均可描述 PE100 管材蠕变行为，并且在模拟高应力下的非线性蠕变行为时 Findley 模型比 Struik 模型更准确。Lai 和 Bakker 研究了应力和物理老化对 HDPE 材料蠕变性能的影响，结果表明 HDPE 表现出很强的非线性蠕变行为，可以利用时间 - 应力等效原理构造不同应力下的蠕变柔量主曲线。Luo 等人的研究表明 HDPE 材料的非线性粘弹性行为具有时间依赖性，会受到温度、应力水平等多种因素的影响，他们推导出了时间 - 温度 - 应力的转移因子，并提出了时间 - 温度 - 应力等效原理。通过该原理，可以从高温高应力条件下的短期蠕变行为预测低温低应力条件下的长期蠕变行为。为明确 PE 管材的蠕变损伤机理，Hamouda 等人使用扫描电子显微镜观察和化学分析的方法，确定了 PE 管材蠕变失效的基本过程。

　　在临氢环境下进行蠕变试验，能够模拟实际工况下的应力状况，有助于更准确地评估材料在真实环境中的性能变化规律。2012 年，Castagnet 等人根据时间温度等效原理分析了 3MPa 氢环境下 PE 管材在 20 - 60℃的恒定温度下短期蠕变曲线，并由此得出 20℃下的蠕变主曲线，试验表明，3MPa 氢环境对 PE100 材料蠕变的影响可以忽略。2015 年，Klopffer 等人在 4MPa 的氢气环境中进行了 PE 管材的蠕变试验，结果表明时间 - 温度等效原理在常温空气和加压氢气环境下都适用。2022 年，Simmons 等人研究了 Castagnet 等人在氢环境下对 PE 管材进行蠕变实验后的结果，指出 Castagnet 等人仅进行了单一应力的蠕变实验，缺少氢环境下对预制裂纹或缺口试样蠕变行为的研究，因此建议在氢环境下对预制裂纹或缺口试样进行不同恒定应力的蠕变实验，以更好地理解氢气对 PE 蠕变行为的影响。

　　通过对氢环境以及其他情况下的 PE 管材蠕变试验结果的讨论可知，4MPa 以下氢环境对 PE 材料蠕变的影响可以忽略，时间 - 温度等效原理在临氢环境下依旧适用。然而，目前临氢环境下的蠕变试验较少，无法确定氢环境下 PE 管材的蠕变损伤机理。同时，未来需要构建临氢环境下 PE 管材的蠕变本构模型，以便于临氢环境下 PE 管道的寿命分析和安全设计。

　　3 断裂试验

　　断裂试验是断裂力学中用于确定材料和结构断裂特性的一种试验方法。断裂特性包含脆性转变温度(如无延性转变温度、脆性断裂起始转变温度等)、裂纹扩展速率和断裂韧性等。依据断裂力学理论，当荷载应力超过许用应力时，材料中的裂纹便会萌生发展。材料的裂纹扩展模式分为三种：Ⅰ 型开裂(张开型)，即裂纹的扩展方向垂直于加载方向，裂纹会沿着主应力的方向扩展;Ⅱ 型开裂(滑开型)，裂纹的扩展方向与加载方向平行，但裂纹表面之间会产生剪切位移;Ⅲ 型开裂(复合型)，其裂纹模式介于 Ⅰ 型和 Ⅱ 型之间，裂纹的扩展方向不完全垂直或平行于加载方向，通常是一个复合的扩展模式。PE 管材实际的开裂模式与 Ⅰ 型开裂模式一致。

　　许多学者对 PE 材料的断裂特性展开了研究。例如，Krishnaswamy 对 HDPE 管道在不同的环向应力和温度下进行了大量的蠕变断裂测试，通过对管道蠕变断裂数据的综合分析，发现管道的延性失效主要受到聚合物屈服应力的影响。同时，对多个温度下的管道蠕变断裂数据进行分析表明，时间 - 温度等效原理并不严格适用于预测压力管道的设计应力和耐久性。Chan 和 Williams 对 HDPE 材料断裂韧性的影响因素进行了综合分析，结果显示，当试样宽度在 6 - 40mm 范围内时，HDPE 材料的断裂韧性与裂纹长度基本无关;当试样宽度在 6mm 以下时，断裂韧性随着宽度的减小而降低。

　　利用裂纹扩展阻力曲线可以较为完整地展示材料抵抗裂纹扩展的能力。阻力曲线法测试简便可靠，近年来在国内外被广泛应用于测定材料的断裂韧性。例如，Guidara 等人通过紧凑拉伸试验建立了 HDPE 材料的裂纹扩展阻力(J - R)曲线，用于确定 HDPE 材料的断裂韧性，并讨论了裂纹和管道尺寸对断裂韧性的影响。Graice 等人使用多试样试验确定材料 J - R 曲线方法和裂纹开口位移方法，确定了 PE100 和 PE80 的断裂韧性，同时还确定了试样厚度和试样形状对两种材料断裂行为的影响，并通过多试样试验得出两种材料的临界应力强度因子值。

　　部分学者在临氢环境中对 PE 材料进行了断裂试验，以探究氢环境对 PE 材料断裂行为的影响。例如，Castagnet 等人通过基本断裂功比较了 PE100 材料在 3MPa 氢环境和大气环境下进行拉伸试验得到的载荷 - 位移曲线图，发现两者曲线几乎重叠，该结果说明氢气不影响 PE 材料的裂纹扩展与断裂行为。Klopffer 等人在临氢环境下对 PE 材料进行基本断裂功测试，获得了与 Castagnet 等人一致的双面缺口拉伸试样载荷 - 位移曲线图，由此可知临氢环境对 PE 材料断裂性能基本没影响。

　　上述关于 PE 材料在非氢气环境与临氢环境下断裂试验研究的结果表明，氢环境对 PE 材料的断裂行为没有影响，PE 材料在临氢环境下的韧性断裂行为与其在非氢气环境下一致。但目前对 PE 材料在临氢环境下断裂失效机理的研究还不明确，未来需进一步研究。氢环境下的研究结果在不同应力水平下的适用性，特别是对于高应力和低应力条件下聚乙烯管材断裂行为的差异，还需要进一步的试验验证。

　　4 疲劳试验

　　疲劳失效是材料失效的主要形式之一，通过疲劳试验可获得材料在不同应力强度因子下的失效时间，预测使用寿命，避免疲劳失效故障。在管材性能中，慢速裂纹扩展(SCG)是重要评价指标，常通过疲劳试验研究，国内外有缺口管(NPT)方法、宾夕法尼亚单边缺口(PENT)方法等多种研究方法。

　　研究人员通过加速老化试验评估 PE 管道寿命，如 Nezbedova 等评估单峰和双峰分子量分布的 PE 管道使用寿命，Frank 和 Pinter 采用 CRB 方法对 PE 管材进行疲劳测试，可更准确预测管材使用寿命。在临氢环境下对 PE 材料进行疲劳试验，能更准确了解其性能变化，提高管道寿命预测准确性。Benoit 等设计 HYCOMAT 测试装置进行试验，但目前不能确定氢对 PE 管材裂纹扩展速率的影响是来自氢渗透还是压力作用。Byrne 等采用循环宾夕法尼亚边缘切口试验(CPENT)方法研究氢对 PE 管的影响，发现不同应力强度因子差值下，氢气对材料失效时间影响不同。与大气环境试验相比，临氢环境下 PE 材料疲劳裂纹扩展显著增强，CPENT 方法测试时间长且受温度影响，未来可考虑采用 CRB 法。

　　5 结论

　　本文系统梳理了聚乙烯管材在非氢气环境和临氢环境下拉伸、蠕变、断裂和疲劳试验研究，总结出低氢压下聚乙烯管材力学性能受影响较小，高压氢环境下才会显著变化。为更好指导聚乙烯管道在输氢领域应用，未来还需开展更多对照试验明确氢环境影响因素;研发新型聚乙烯管材提高其在氢环境下的性能和耐久性;在临氢环境中对全尺寸管道进行试验;开展掺氢环境下的试验研究，探究掺氢比对聚乙烯管材力学性能的影响规律。

杨 鹏;李敬法;郑度奎;宇 波;赵 杰;李建立;段鹏飞;李璐伶,北京石油化工学院机械工程学院;长江大学石油工程学院;深圳市燃气集团股份有限公司,202502