[发明专利]一种掺氢天然气管道用钢断面收缩率的计算方法

说明书

本发明涉及一种掺氢天然气管道用钢断面收缩率的计算方法。掺氢天然气在输送过程中会发生氢原子向管道用钢内的渗透作用，从而诱发钢材的断面收缩率下降，使钢材未达到预期寿命就过早失效。本方法综合考虑了充氢温度、初始拉伸载荷、拉伸速率和充氢电流密度对钢材断面收缩率的影响，并以充氢电流密度为主导地位，有针对性地实现掺氢天然气管道用钢断面收缩率的准确计算。其步骤是：收集影响钢材断面收缩率的基础数据；根据管道类型选择计算参数；将基础数据和计算参数代入公式，计算得到钢材断面收缩率。本发明计算方法简单，能合理计算出掺氢天然气管道用钢断面收缩率，准确判断钢材力学性能的劣化程度，为掺氢天然气管道的安全输送提供了依据。

技术领域

本发明涉及一种掺氢天然气管道用钢断面收缩率的计算方法，属于天然气管道安全工程领域。

背景技术

氢气作为燃料电池的储能材料，以及风能、太阳能等可再生能源的转化载体，正通过愈加成熟的氢燃料电池技术、风制氢、太阳能制氢技术成为全球范围内增长速度最快的清洁能源。将氢气以1％～20％体积比率掺入天然气管道输送，不仅可以实现氢能源的长距离、大范围输配，还能节约氢气管道的投资费用和建设时间。

研究发现，钢材可能因微观尺度氢原子的渗入，诱发介观尺度的微裂纹扩展，进而导致宏观尺度屈服强度、疲劳寿命等力学性能劣化，引发脆断失效等氢脆问题。对于我国天然气主干线，主要采用X70/X80钢(屈服强度≥485/552MPa)，设计输送压力为10～12MPa，具有较高的氢脆敏感性。如果管道实施混氢输送，将面临长期暴露于高压氢环境下的氢脆失效风险。这不仅会影响氢能源的输配，甚至会导致天然气管道本身的输送都无法安全进行。

本发明以X70/X80钢材为例，针对氢脆现象突然发生、不易观察的特点，以钢材的断面收缩率为研究对象来表征其脆化程度，综合考虑了充氢温度、初始拉伸载荷、拉伸速率和充氢电流密度对钢材断面收缩率的影响，并且以充氢电流密度为主导地位，有针对性地实现掺氢天然气管道用钢断面收缩率的准确预测。

发明内容

本发明针对掺氢天然气在输送过程中会发生氢原子向管道用钢内的渗透作用，从而诱发钢材的断面收缩率下降，使钢材在达到预期寿命之前过早失效的问题，提出了一种综合考虑充氢温度、初始拉伸载荷、拉伸速率和充氢电流密度，并且以充氢电流密度为主导地位的掺氢天然气管道用钢断面收缩率的计算方法。

本发明采取的技术方案如下：

上述的一种掺氢天然气管道用钢断面收缩率的计算方法，包括以下步骤：

步骤1，收集收集影响钢材断面收缩率的基础数据，包括：充氢温度、初始拉伸载荷、拉伸速率和充氢电流密度；

步骤2，根据管道类型，选择计算参数，其具体实现步骤为：根据管道钢材的种类，确定其为X70/X80钢材，判定后根据表1选择计算参数；

表1不同管道钢材种类的计算参数取值

步骤3，将基础数据和计算参数代入公式中，计算得到掺氢天然气管道用钢断面收缩率，具体实现步骤为：

式中：为钢材断面收缩率；

i为充氢电流密度，mA/cm²；

F为初次拉伸载荷，N；

T为充氢温度，K；

v为拉伸速率，mm/min；

A、B、D、K、C为计算参数，取值见表1，无量纲。