SY/T 7788-2024 天然气钢质管道材料掺氢输送适用性评价方法

　　ICS 75.200;77.140.75CCSE16;H48

　　中华人民共和国石油天然气行业标准

　　SY/T7788—2024

　　天然气钢质管道材料掺氢输送适用性评价方法

　　Fitness for service assessment method ofpipelinesteelfor transportation of natural gas-hydrogen mixture

　　2024-09-24发布2025-03-24实施

　　国家能源局发布

　　SY/ T7788—2024

　　目次

　　前言 Ⅱ

　　1范围 1

　　2规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4符号和缩略语 2

　　4.1符号 2

　　4.2缩略语 2

　　5 总体原则和要求 2

　　6 评价需要的信息和数据 3

　　7 试验装置和试验条件 3

　　7.1 试验机 3

　　7.2 环境箱 4

　　7.3 传感器 4

　　74气源 4

　　7.5 试验温度 4

　　7.6 试验压力 4

　　8 试验及评价方法 4

　　8.1通则 4

　　8.2 慢应变速率拉伸试验 5

　　8.3断裂韧度试验与评价 6

　　8.4 疲劳裂纹扩展试验与评价 9

　　8.5 掺氢管道实物试验 10

　　9报告 10

　　10风险识别与防控 11

　　10.1风险识别 11

　　10.2 风险防控措施 12

　　附录A (资料性)试验数据记录表 13

　　参考文献 15

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　　前言

　　本文件按照GB/T 1.1—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。

　　本文件由石油工业标准化技术委员会石油管材专业标准化技术委员会(CPSC/TC5)提出并

　　归口。

　　本文件起草单位：中国石油集团工程材料研究院有限公司、中国石油天然气股份有限公司玉门油田分公司、国家管网集团北京管道有限公司、陕西省天然气股份有限公司、中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司、长庆工程设计有限公司、中国石油集团渤海石油装备制造有限公司、宝鸡石油钢管有限责任公司、中石化安全工程研究院有限公司、中石化中原石油工程设计有限公司、西安三环石油管材科技有限公司。

　　本文件主要起草人：封辉、李炎华、李鹤、池强、高雄雄、方伟、王俊、陈越峰、方晨、黄呈帅、王为、王登海、陈小伟、韦奉、于安峰、高继峰、邱鹏、鬲新鹏、唐诚杰、刘斌、王强、费凡、周振华、何学良、吴倩。

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　　天然气钢质管道材料掺氢输送适用性评价方法

　　1范围

　　本文件确立了天然气钢质管道材料掺氢输送适用性评价的总体原则和要求，规定了试验装置和试验条件相关要求，描述了相应试验及评价方法。

　　本文件适用于天然气钢质管道掺氢输送材料适用性评价，新建天然气掺氢钢质管道材料的评价参照使用。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 228.1金属材料 拉伸试验第1部分：室温试验方法

　　GB/T 3634.2 氢气第2部分：纯氢、高纯氢和超纯氢

　　GB/T6398 金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法

　　GB/T16825.1—2022金属材料静力单轴试验机的检验与校准第1部分：拉力和(或)压力试验机测力系统的检验与校准

　　GB/T21143金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法

　　GB/T28896金属材料焊接接头准静态断裂韧度测定的试验方法

　　GB/T 34542.2 氢气储存输送系统第2部分：金属材料与氢环境相容性试验方法

　　SY/T6477含缺陷油气管道剩余强度评价方法

　　SY/T 7318.2 油气输送管特殊性能试验方法第2部分：单边缺口拉伸试验

　　3术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　应力强度因子stressintensityfactor

　　均匀线弹性体的弹性应力场的大小，是试样尺寸、几何形状、裂纹长度和施加载荷的函数。

　　3.2

　　失效评估图failureassessmentdiagram

　　一种用来评价含裂纹型缺陷结构适用性的方法。

　　注：纵坐标为韧性比，横坐标为载荷比，用于评价含裂纹型缺陷构件是否发生脆性断裂或塑性失稳，若评估点在评估曲线内或恰好在评估曲线上，则认为裂纹型缺陷可接受;否则，认为不可接受。

　　[来源：SY/T 6477—2017,2.12, 有修改]

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　　3.3

　　3.4

　　残余应力residual stress

　　管道材料在制造、安装等过程中产生的可以自平衡但又不能完全消除的内应力。

　　疲劳裂纹扩展速率fatiguecrackgrowthrate

　　单位循环对应的疲劳裂纹长度的扩展量。

　　4符号和缩略语

　　4.1符号

　　下列符号适用于本文件。

　　a——裂纹深度，单位为毫米(mm);

　　ao——初始裂纹深度，单位为毫米(mm);

　　a——疲劳裂纹扩展试验裂纹深度，单位为毫米(mm);

　　ar—疲劳裂纹扩展试验临界裂纹深度，单位为毫米(mm);

　　B——疲劳预制裂纹试样厚度，单位为毫米(mm);

　　C——材料性能参数，由疲劳裂纹扩展数据拟合获得;

　　c——裂纹缺陷半长，单位为毫米(mm);

　　o——裂纹缺陷初始半长，单位为毫米 (mm);

　　J— 裂纹尖端塑性变形条件下的断裂韧度，单位为千焦每平方米(kJ·m-2);

　　K——应力强度因子，单位为兆帕二分之一次方米(MPa m¹/2);

　　K——I型裂纹应力强度因子，单位为兆帕二分之一次方米(MPa ·m¹2);

　　KH——应力强度因子门槛值，单位为兆帕二分之一次方米(MPa·m¹²);

　　Km— 材料断裂韧度，单位为兆帕二分之一次方米(MPa ·m¹2);

　　K——韧性比，无量纲;

　　△K——疲劳应力引起的应力强度因子范围;

　　L—— 载荷比，无量纲;

　　N——循环次数，无量纲;

　　n——材料性能参数，由疲劳裂纹扩展数据拟合获得;

　　R——材料抗拉强度，单位为兆帕(MPa);

　　W——疲劳预制裂纹试样宽度，单位为毫米(mm);

　　Ore—参考应力，单位为兆帕(MPa);

　　0y——材料屈服强度，单位为兆帕(MPa)。

　　4.2缩略语

　　下列缩略语适用于本文件。

　　CMOD: 裂纹口张开位移(Crack Mouth Opening Displacement)

　　CTOD: 裂纹尖端张开位移(CrackTipOpeningDisplacement)

　　5总体原则和要求

　　天然气掺氢管道是指以天然气为主要输送介质、含一定比例氢气的管道。天然气钢质管道材料掺

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　　氢输送适用性评价应在完成管道完整性评价基础上进行。针对天然气钢质管道材料应开展常规理化性能试验和掺氢环境慢应变速率拉伸试验、断裂韧度试验和疲劳裂纹扩展试验。基于上述试验数据对管道材料进行掺氢适用性评价，评价流程如图1所示。

　　天然气管道完整性评价：

　　·管道介质、压力、温度等;

　　·管道内检测数据等

　　管道材料理化性能试验：

　　·拉伸、冲击、科学、金相等， 宜符合GB/T9711的要求

　　钢管冲击功单值高于70J,

　　均值高于95

　　是

　　掺氢环境慢应变速率拉伸试验：

　　·强度、断面收缩率等

　　否不适用一

　　是

　　失效评估曲线

　　断裂韧度实验

　　恒载荷/恒位移断裂韧性：

　　·KH

　　准静态断裂韧性：

　　·CTOD、JK

　　K高于55MPam²

　　失效评估图评定为安全

　　疲劳裂纹扩展实验

　　·疲劳裂纹扩展速率;

　　·管道压力波动等参数;

　　·疲劳寿命预测

　　疲劳寿命满足要求

　　天然气管道材料掺氢适用性评价报告 终止评估。

　　经协商，降压或改变掺氢比例后评估。

　　图1天然气管道材料掺氢适用性评价流程图

　　6评价需要的信息和数据

　　适用性评价所需要的信息和数据包括管道服役环境工况、管道缺陷类型与尺寸，以及管道材料性能等。这些信息和数据可通过以下途径获得：

　　a)管道运行状态(介质、压力、温度等);

　　b) 管道完整性评价报告;

　　c)管道设计规范、制造工艺、性能试验等技术报告;

　　d) 维修资料与记录;

　　e)其他资料文件。

　　7试验装置和试验条件

　　7.1试验机

　　7.1.1 试验机的测力系统应按照GB/T 16825.1—2022进行校准，并符合一级的要求。

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　　7.1.2试验机的标称测量能力应超过试样承受最大载荷的1.2倍。

　　7.1.3 慢应变速率拉伸试验机应符合GB/T 228.1的要求，疲劳裂纹扩展试验机应符合GB/T 6398的要求，断裂韧性试验机应符合GB/T 21143的要求。

　　7.2环境箱

　　7.2.1环境箱材料、设计、制造、使用管理、定期检验等应符合相应国家标准或行业标准要求。

　　7.2.2环境箱材料宜考虑疲劳载荷及氢气对材料性能的影响。

　　7.2.3环境箱密封装置应符合GB/T 34542.2的要求。

　　7.2.4环境箱的设计宜考虑试样装卸的便利性。

　　7.2.5宜采用适当的装置平衡气体压力作用在加载杆的轴向力。

　　7.2.6环境箱应具备气体置换功能。

　　7.3传感器

　　7.3.1试验装置中应至少安装1个能准确显示试验压力的压力传感器，其量程应为试样承受最大压力的1.5倍，压力传感器精度应不低于0.5级。

　　7.3.2试验装置中应包含能准确显示试验温度的传感器，其分辨率应不低于0.1℃。

　　7.3.3试验过程中宜记录标距段位移或CMOD。

　　7.4气源

　　7.4.1 试验用氢气应符合GB/T3634.2中高纯氢的技术要求。

　　7.4.2置换或环境对比试验用氮气或惰性气体的纯度应不小于99.999%。

　　7.4.3掺氢气体宜采用管道输送气质组分，也可采用氮气或惰性气体加氢气组分。

　　7.5试验温度

　　7.5.1试验温度应选择管道材料服役工况极端温度。

　　7.5.2试验温度应控制在设定温度±3℃。

　　7.5.3环境对比试验和相应的高压掺氢环境试验应采用相同的试验温度。

　　7.6试验压力

　　7.6.1试验压力应不低于管道设计压力。

　　7.6.2试验过程中压力波动应控制在设定压力的±5%。

　　7.6.3环境对比试验和相应的高压掺氢环境试验应采用相同的试验压力。

　　8 试验及评价方法

　　8.1通则

　　8.1.1试验用管道材料宜取自目标掺氢管道，经协商也可取自目标管道施工后剩余的管材，或与目标管道钢级和规格相同、成分相近的管材。

　　8.1.2在管线钢管管体、制管焊缝、环焊缝加工拉伸试样或预制裂纹试样时，常规理化性能试验取样位置和数量宜符合GB/T 9711、GB/T31032的要求，掺氢环境试验取样位置宜参照图2所示，取样数量宜参照附录A。

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　　a)管体

　　b) 管体焊缝

　　c)环焊缝

　　标引序号说明：

　　1——慢应变速率拉伸试样;

　　2——预制裂纹三点弯曲试样;

　　3——预制裂纹紧凑拉伸试样;

　　4——预制裂纹单边缺口拉伸试样。

　　图2掺氢环境试验取样示意图

　　8.1.3试样应清洗和干燥，并在干燥容器中保存，避免用手接触拉伸试样标距段或预制裂纹试样韧带部分。

　　8.1.4掺氢环境试验前，应用氮气或氦气、氩气等惰性气体置换试验箱及供氢管路系统，再用掺氢气体置换。试验箱内氧气和水的含量应符合GB/T 34542.2的相关要求。掺氢环境试验包括慢应变速率拉伸试验、断裂韧度试验和疲劳裂纹扩展试验。

　　8.2慢应变速率拉伸试验

　　8.2.1试样

　　8.2.1.1用于试验的光滑拉伸试样应符合GB/T 228.1的要求，标距段粗糙度应不大于0.8μm。

　　8.2.1.2 用于试验的缺口拉伸试样，缺口根部半径宜小于0.1mm, 试样尺寸及加工精度可参考GB/T34542.2的要求。 8.2.2试验要求

　　8.2.2.1试验前应对光滑拉伸试样或缺口拉伸试样尺寸进行测量并记录。

　　8.2.2.2在高压掺氢环境中试验应采用恒位移速率方式加载。

　　8.2.2.3光滑拉伸试样标距段的应变速率应不超过2×10-⁵s-¹;对于缺口拉伸试样，长度为25.4mm的试样段范围内应变速率应不超过2×10-⁶s-¹。

　　8.2.3试验数据记录与处理

　　8.2.3.1试验开始后，记录试验机载荷数据及引伸计数据(或试验机横梁位移)。

　　8.2.3.2试验过程中，记录试验温度、压力及时间数据。

　　8.2.3.3试验完成后，获得载荷一位移曲线、应力一应变曲线、温度一时间曲线、压力一时间曲线等 。

　　8.2.3.4试验完成后，确定抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、断面收缩率等参数。

　　8.2.3.5试验完成后，基于断面收缩率确定材料氢脆敏感性RA。 材料氢脆敏感性应按公式(1)计算：

　　RA=(RA-RA;)/RA …………… ……………(1)

　　式中：

　　RAc——氮气或惰性气体环境材料断面收缩率;

　　RA——高压掺氢环境材料断面收缩率。

　　若材料氢脆敏感性RRA高于50%,则终止评估。

　　8.3断裂韧度试验与评价

　　8.3.1试样

　　8.3.1.1宜采用疲劳预制裂纹的紧凑拉伸试样、三点弯曲试样或单边缺口拉伸试样。

　　8.3.1.2用于试验的预制裂纹试样应符合GB/T21143、GB/T 28896 或SY/T7318.2的要求。

　　8.3.1.3预制裂纹试样可采用如图3所示的紧凑拉伸试样，也可采用如图4所示的三点弯曲试样或如

　　图5所示的单边缺口拉伸试样。

　　0.275W40.005W

　　0.6W40.005W

　　图3预制裂纹紧凑拉伸试样示意图

　　≥2.3W≥2.3WB±0.005W

　　图4预制裂纹三点弯曲试样示意图

　　0.5W

　　图5预制裂纹单边缺口拉伸试样示意图

　　8.3.1.4预制裂纹试样壁厚宜大于工件壁厚的85%。

　　8.3.1.5预制裂纹试样可开侧槽，以促进裂纹稳定扩展。

　　8.3.2试验要求

　　8.3.2.1试验前应对预制裂纹试样尺寸进行测量并记录。

　　8.3.2.2 预制裂纹试样可采用断裂韧性引伸计记录CMOD, 通过卸载柔度法计算裂纹扩展量。

　　8.3.2.3 高压掺氢环境中试验应采用恒位移速率加载，并以试样CMOD或者试验机横梁位移为控制量，加载速率应符合GB/T 34542.2的要求。

　　8.3.2.4试样预制裂纹过程应符合GB/T 21143的要求。

　　8.3.2.5 若采用紧凑拉伸试验或三点弯曲试验，试验程序应符合GB/T 21143的要求;若采用单边缺口拉伸试验，试验程序应符合SY/T 7318.2的要求。

　　8.3.3试验数据记录及处理

　　8.3.3.1试验开始后，记录试验机载荷数据及CMOD 数据。

　　8.3.3.2试验过程中，记录试验温度、压力及时间数据。

　　8.3.3.3 试验完成后，获得载荷-CMOD曲线、温度一时间曲线、压力一时间曲线等。

　　8.3.3.4 试验完成后，应按照GB/T 21143或SY/T 7318.2计算获得CTOD值或J值。

　　8.3.3.5宜采用断裂韧性值的最小值进行安全评价，也可按BS7910:2019中概率断裂力学评价方法进行评价。

　　8.3.3.6应同时采用应力强度因子门槛值KH进行安全评价，试验方法参考ASTME1681,KH值应不低于55MPa·m¹2。

　　8.3.4断裂韧性评价

　　8.3.4.1通则

　　应采用失效评估图对管道材料断裂韧性进行安全评价。失效评估图的横轴和纵轴分别描述评定结构趋于塑性失稳和脆性断裂的程度，如图6所示。

　　K=K/Kmat,L=ornaelOy。

　　Lm为评估曲线的截止线，

　　图 6失效评估图示意图

　　8.3.4.2评价方法

　　8.3.4.2.1 管道材料断裂韧性安全评价流程见图7。

　　8.3.4.2.2确定管道参数、压力及附加载荷。

　　8.3.4.2.3确定缺陷处的应力分布，其中应力分布计算时按无缺陷情况处理，并将计算出的应力分为以下几类：

　　———次应力，主要有内压引起的环向/轴向应力、弹性敷设引起的轴向应力、地层移动等引起

　　的附加载荷;

　　——二次应力，主要有错边或斜接引起的弯曲应力、温差引起的轴向应力;

　　——残余应力，主要指钢管制管焊接或现场组对焊接过程中产生的残余应力。

　　焊缝残余应力估算可按BS7910:2019 中的附录Q 进行，也可按测量值取值。当不确定材料应力水平时，应设置安全系数。

　　8.3.4.2.4确定材料的屈服强度、抗拉强度和断裂韧度，宜取实测值。

　　8.3.4.2.5确定裂纹型缺陷的尺寸。缺陷尺寸取上限值，当不确定缺陷尺寸时，应设置安全系数。

　　8.3.4.2.6 按照SY/T 6477计算参考应力Oref,并按公式(2)计算载荷比L:

　　L=0m//0y (2)

　　8.3.4.2.7 按照SY/T 6477计算裂纹处应力强度因子，并按公式(3)计算韧性比K:

　　K,=K₁IK (3)

　　8.3.4.2.8评价结果。确定失效评估图上横坐标截止线。将评估点坐标(L,K) 绘制在失效评估图上。如果评估点在评估曲线上或者评估曲线以内，该评价为安全;如果评估点在评估曲线以外，则评价为不安全。

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　　图 7断裂评价流程图

　　8.3.4.2.9如果评价未通过，则：

　　a)试验及评估过程校核;

　　b) 该服役条件下材料不适用，改变服役条件或更换材料，重新评价。

　　8.4疲劳裂纹扩展试验与评价

　　8.4.1试样

　　8.4.1.1宜采用如图3所示的疲劳预制裂纹的紧凑拉伸试样。

　　8.4.1.2用于管道材料疲劳裂纹扩展试验的预制裂纹试样应符合GB/T 6398的要求。

　　8.4.1.3预制裂纹试样壁厚宜大于工件壁厚的85%。

　　8.4.1.4预制裂纹试样宜开侧槽，以促进裂纹稳定扩展。

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　　8.4.2试验要求

　　8.4.2.1 疲劳裂纹扩展试验程序应符合GB/T6398的要求。

　　8.4.2.2预制裂纹试样可采用断裂韧性引伸计记录CMOD,通过卸载柔度法计算裂纹扩展量。也可采用直流电压降法等方法测量裂纹扩展量。

　　8.4.2.3疲劳裂纹扩展试验中循环加载应力水平应根据管道工作压力确定，载荷比值宜取0.1。

　　8.4.2.4疲劳裂纹扩展试验中加载波形宜采用三角波或正弦波。

　　8.4.2.5 疲劳裂纹扩展试验中加载频率应不大于1Hz, 宜取0.1Hz～1.0Hz。

　　8.4.3试验数据记录

　　8.4.3.1试验过程中，记录试验机载荷数据及CMOD数据或载荷-电压数据、环境箱试验温度、压 力及时间数据。

　　8.4.3.2 试验完成后，获得载荷-CMOD曲线或载荷-电压曲线、裂纹扩展量一时间曲线、裂纹扩展量-循环次数曲线、温度一时间曲线、压力一时间曲线等。

　　8.4.4疲劳寿命预测与评价

　　8.4.4.1疲劳寿命按公式(4)计算：

　　…………………………………(4)

　　式中C、n由8.4.3中试验数据确定，△K由管道服役工况确定。

　　8.4.4.2管道材料疲劳寿命预测流程见图8。

　　8.4.4.3 确定初始裂纹尺寸a、2c₀ 及材料性能参数。

　　8.4.4.4 选取适当的裂纹尺寸增量△a、△2c。△a取值越小，计算精度越高。

　　8.4.4.5采用峰值载荷计算L(a,2c) 和K(a,2c) ,Lm和Kmm 按SY/T6477确定。

　　8.4.4.6若L(a,2c)

　　8.4.4.7疲劳寿命 N₁=∑△N,。

　　8.4.4.8直至L(a,2c)≥Lrmm 或K(a,2c)≥Km 条件满足时，输出N值。

　　8.4.4.9结合管道压力波动等工况，如果N值满足设计寿命要求，则管道材料适用;如果N 值不满足设计寿命要求，则：

　　a)校核评估过程;

　　b) 该服役条件下材料不适用，改变服役条件或更换材料，重新评价。

　　8.5掺氢管道实物试验

　　经协商，通过掺氢输送适用性评价的天然气管道材料宜在掺氢管道实物试验平台上开展模拟服役工况整管试验，验证服役安全性，试验方案可协商确定。

　　9报告

　　报告至少应包含数据表和评价结论。数据表应包括以下内容，格式见附录A:

　　a)管道及材料信息;

　　b) 试样信息与试验条件;

　　c)掺氢环境材料性能数据。

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　　图8疲劳寿命预测流程图

　　10风险识别与防控

　　10.1风险识别

　　试验中主要存在以下风险：

　　a) 在高压试验过程中，环境箱失效;

　　b) 试验过程中氢气或掺氢气体泄漏;

　　c)气体燃爆风险;

　　d) 氮气或惰性气体窒息。 10.2风险防控措施

　　应至少采取以下防控措施：

　　a) 试验设备及仪器仪表符合防爆要求;

　　b)试验设备周围搭建防护装置;

　　c) 试验场地配备气体泄漏报警装置;

　　d) 试验场地保持良好的通风环境。

　　附录A

　　(资料性)

　　试验数据记录表

　　试验数据记录表如表A.1~表A.4所示。

　　表A.1掺氢天然气管道信息

　　管道信息 钢级 管径，mm 壁厚，mm 运行压力，MPa 运行温度，℃ 掺氢比例，%(体积分数) 理化性能(可附件) 管道内检测数据(可附件) 管道运行载荷谱(可附件)

　　表A.2慢应变速率拉伸试验 参数 试样1 试样2 试样3

　　试样信息 标距段长度，mm 标距段直径，mm 应变速率，s-¹ 缺口处直径(如有),mm

　　试验结果 屈服强度，MPa 抗拉强度，MPa 断后伸长率，% 断面收缩率，%

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　　表A.3断裂韧性试验 参数 试样1 试样2 试样3

　　试样信息 试样类型 □紧凑拉伸试样□三点弯曲试样□单边缺口拉伸试样 疲劳预制裂纹试样厚度B,mm 疲劳预制裂纹试样宽度W,mm 初始裂纹长度，mm 疲劳预制裂纹长度，mm

　　试验结果 最大载荷，kN CTOD/J特征值，mm

　　表A.4疲劳裂纹扩展试验 参数 试样1 试样2 试样3

　　试样信息 疲劳预制裂纹试样厚度B,mm 疲劳预制裂纹试样宽度W,mm 初始裂纹长度，mm 疲劳预制裂纹长度，mm 加载频率，Hz 应力比

　　试验结果 最终裂纹长度，mm 加载周次，次 Paris拟合公式

　　参考文献

　　[1]GB/T9711石油天然气工业 管线输送系统用钢管

　　[2]GB/T31032 钢质管道焊接及验收

　　[3]ASTME1681 Standardtestmethod for determiningthreshold stress intensity factor forenvironment-assistedcrackingofmetallicmaterials

　　[4] BS 7910:2019 Guide to methods for assessing the acceptability of flaws inmetallicstructures