碳達峰和碳中和是我國能源發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)，氫能作為潛力巨大的清潔能源，將成為達成“雙碳目標”的重要選擇[1]。當前，我國氫能產(chǎn)業(yè)已進入快速發(fā)展階段，城鎮(zhèn)用氫需求持續(xù)增長，而氫能規(guī)?；?jīng)濟安全輸送技術(shù)已成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸[2-5]。在眾多氫能輸運方式中，管道輸運在大規(guī)模、長距離輸送場景下具有顯著優(yōu)勢[6]。國際氫能委員會公布的調(diào)研結(jié)果顯示，新建純氫長輸管道的成本約為天然氣管道的2~3倍，而利用現(xiàn)有管道進行改造的成本僅為新建純氫長輸管道的10%~30%[7]。當前，全球天然氣管道總建設里程約為135萬公里，其中我國天然氣管道總長約12.4萬公里，已基本形成貫穿全國的天然氣輸送系統(tǒng)，將氫氣摻入現(xiàn)有天然氣管道進行輸送能大幅降低氫能輸運成本，并提高現(xiàn)役管輸系統(tǒng)的利用率。 

當管道輸送氫氣或含氫介質(zhì)時，氫會通過吸附和擴散的方式進入管材內(nèi)部，氫原子聚集在晶界、夾雜物和其他缺陷處，這增加了管道的氫脆風險[8-12]；ZHUO等[13]發(fā)現(xiàn)少量氫氣即會大幅降低X80管線鋼的疲勞壽命，劉方等[14]發(fā)現(xiàn)X65管線鋼在總壓9 MPa，不同摻氫比條件下，其氫脆敏感性隨摻氫比增大而增大；李天雷等[15]在發(fā)現(xiàn)3%（質(zhì)量分數(shù)）摻氫環(huán)境中，X70鋼的斷裂韌性有所下降，疲勞裂紋擴展速率有所增大。然而，現(xiàn)有關(guān)于摻氫環(huán)境中管材氫脆敏感性的研究主要集中于鋼廠提供的標準管線鋼，針對在役管道摻氫輸送適用性的系統(tǒng)性研究仍較為缺乏[16]。在役管道受長期服役環(huán)境、制造工藝差異及載荷等因素影響，其摻氫輸送條件下的氫脆敏感性特征可能顯著區(qū)別于新建管道。為保障現(xiàn)役天然氣管網(wǎng)摻氫改造的安全可靠性，系統(tǒng)研究在役管道在摻氫環(huán)境中的氫脆機制，對確定現(xiàn)有管道摻氫輸送的臨界工況參數(shù)具有重要工程意義。 

筆者系統(tǒng)開展了直管段、彎管段及其（環(huán)）焊縫在摻氫環(huán)境中的慢應變速率試驗（SSRT）。通過對比分析母材與焊接接頭在空氣和摻氫環(huán)境中的力學性能，重點考察了摻氫對管件抗拉強度、斷面收縮率和斷后伸長率等關(guān)鍵力學指標的影響規(guī)律，以期為評估在役天然氣管道的摻氫相容性及安全運行提供試驗依據(jù)和工程指導。 

1.   試驗

1.1   試樣及溶液

試驗采用某在役（服役年限約25 a）天然氣管道用X60管線鋼焊管，設計壓力6.4 MPa，公稱直徑660 mm。由于管道經(jīng)過不同等級地區(qū)，其設計壁厚存在差異。試驗選取了直管段母材、彎管段母材以及二者對應的焊接接頭共4種類型管件開展研究，詳見表1。其中，彎管由冷彎成型工藝制作，曲率半徑設計為40倍管徑（40D）。 

根據(jù)文獻[17]，在低運行壓力工況（<10 MPa）下，采用混合氣體（總壓環(huán)境）與純氫氣（氫分壓條件）進行氫脆敏感性評價時，兩者試驗結(jié)果差異不顯著。為考察X60管道在6.4 MPa設計壓力、含5%（體積分數(shù)，下同）H2（5%摻氫）環(huán)境中的氫脆行為，選用99.999%（體積分數(shù)）高純氫氣作為試驗介質(zhì)，并以實驗室大氣環(huán)境作為對照基準。所有試驗均在室溫條件下開展，重點對比分析不同類型管件在摻氫環(huán)境與空氣環(huán)境中的力學性能差異。 

1.2   試驗方法

1.2.1   基礎(chǔ)性能測試

（1）化學成分　通過分光光度計法測量試驗管段化學元素的含量。 

（2）顯微組織　試樣經(jīng)砂紙逐級（180-2000號）打磨后，使用金剛石拋光膏拋光至鏡面，用4%（體積分數(shù)）硝酸酒精溶液侵蝕10 s，水洗后乙醇脫水并吹干。采用金相顯微鏡（Axio Observer 7）觀察顯微組織。 

（3）顯微硬度　按照GB/T 4340.1-2009《金屬材料　維氏硬度試驗　第一部分：試驗方法》，利用FM-810型顯微硬度儀測量試驗管段的顯微硬度，加載力為0.3 N，加載時間為10 s。對于焊縫試樣，分別測試母材、熱影響區(qū)及焊縫中心，每個區(qū)域測5個點取其平均值。 

（4）沖擊韌性　按照GB/T 229-2020《金屬材料　夏比擺沖擊試驗方法》，采用1/2尺寸夏比V型缺口試樣（55 mm×10 mm×5 mm），缺口垂直于焊縫，母材試樣均為橫向取樣，焊縫試樣則均取焊縫中心試塊，測試溫度為-11.1 ℃，每組測試取3個平行試樣。 

（5）拉伸性能　按照GB/T 228.1-2021《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》，采用圓棒試樣（直徑5 mm，標距25 mm，平行段長度≥30 mm），在室溫下以0.005 s-1的應變速率進行拉伸試驗，每組3個平行試樣，測定屈服強度（Rp0.2）、抗拉強度（Rm）及斷后伸長率（A）。 

1.2.2   氫脆敏感性測試

采用慢應變速率試驗（SSRT）評價試樣的氫脆敏感性。按照GB/T 34542.2-2018《氫氣儲存輸送系統(tǒng)第2部分：金屬材料與壓縮氫環(huán)境相容性試驗方法》，試驗采用光滑圓棒拉伸試樣，尺寸如圖1所示，母材試樣沿環(huán)向取樣，焊縫試樣垂直焊縫中心線取樣（焊縫位于標距段中心）。試樣經(jīng)丙酮超聲除油、無水乙醇沖洗后氮氣吹干，測量初始尺寸（精確至0.001 mm）。測試結(jié)束后，測量試樣拉斷后的標距段長度，通過金相顯微鏡對斷口宏觀形貌進行觀察并測量斷口直徑，之后采用掃描電子顯微鏡對空氣及摻氫環(huán)境中試樣的斷口形貌進行系統(tǒng)觀察。 

圖  1  光滑圓棒拉伸試樣示意

Figure  1.  Schematic diagram of smooth round bar tensile test samples

2.   結(jié)果與討論

2.1   基礎(chǔ)性能

2.1.1   化學成分

由表2可見，試驗管段的化學成分符合GB/T 9711-2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》中關(guān)于X60鋼的要求。焊縫中的碳含量均略高于母材，彎管母材及焊縫中的合金元素含量更高，其中彎管母材的Mo含量約為直管母材的7倍，Cu含量比直管母材高一個數(shù)量級，Ni含量約為直管母材的5倍。已有研究[18]表明，管線鋼中的Mo、Cr元素，可形成利于捕獲氫的析出相，從而降低氫在鋼晶格中的擴散，并通過固溶強化提高鋼的力學性能[19]；Cu合金化也可以降低氫擴散和腐蝕速率[20]。 

表  2  試驗管段化學成分的實測值及標準值

Table  2.  Actual and standard values of chemical composition of test sections

項目	GB/T9711-2017標準值/%	實測值/%
		A	B	C	D
wC	≤0.12	0.067 6	0.073 1	0.067 8	0.075 3
wSi	≤0.45	0.323 3	0.333 2	0.309 2	0.392 0
wMn	≤1.6	1.180 4	1.242 0	1.033 9	0.994 3
wP	≤0.025	0.009 0	0.011 0	0.012 2	0.009 0
wS	≤0.015	0.002 4	0.003 9	0.002 4	0.003 8
wMo	≤0.5	0.005 4	0.004 9	0.034 7	0.031 8
wCu	≤0.5	0.018 0	0.021 9	0.274 9	0.257 6
wCr	≤0.5	0.009 5	0.008 4	0.037 3	0.035 6
wNi	≤0.5	0.014 6	0.014 5	0.076 7	0.089 1
	≤0.43	0.139 4	0.148 5	0.149 0	0.157 4
wNb+V+Ti	≤0.15	0.090 2	0.077 5	0.065 0	0.071 1

2.1.2   顯微組織

由圖2可見：直管段母材試樣的顯微組織為典型的鐵素體+珠光體，晶粒尺寸較小；彎管段母材試樣的顯微組織同樣為鐵素體+珠光體，由于彎管受冷彎加工，彎管段母材試樣的晶粒沿軸向被拉長。由圖3可見：直管段焊縫試樣母材區(qū)為鐵素體+珠光體組織，焊縫中心則含有部分針狀鐵素體；彎管段焊縫試樣顯微組織主要為針狀鐵素體和貝氏體。 

圖  2  母材試樣的顯微組織

Figure  2.  Microstructure of base material samples: (a) straight pipe section; (b) bend section

圖  3  焊縫試樣的顯微組織

Figure  3.  Microstructure of weld samples: (a) straight pipe section; (b) bend section

試樣的氫脆敏感性與其顯微組織密切相關(guān)。組織均勻、晶粒細小的試樣通常表現(xiàn)出較低的氫脆敏感性；反之，當晶粒粗大且組織分布不均勻時，試樣的氫脆敏感性顯著增加，特別是存在帶狀組織時，氫原子易在帶狀界面處富集，導致裂紋萌生并沿帶狀方向快速擴展，加劇氫脆傾向。 

2.1.3   硬度

由圖4可見：四種試樣的硬度均滿足標準要求（>345 HV）。對比焊縫試樣母材區(qū)域與焊縫中心區(qū)域的硬度發(fā)現(xiàn)，焊縫中心區(qū)域因碳含量較高，珠光體含量增加，其硬度顯著高于母材區(qū)域，這與四類管件的金相組織特征一致。值得注意，直管段焊縫試樣的硬度略高于ASME B31.12-2019 Hydrogen Piping and Pipelines標準的推薦值，在輸氫環(huán)境中可能成為氫脆敏感區(qū)域。此外，焊縫中心區(qū)域硬度急劇升高，組織不均勻性會進一步增加氫脆敏感性，因此需重點關(guān)注該區(qū)域。 

圖  4  試驗管段的硬度測試結(jié)果

Figure  4.  Hardness test results of the experimental pipe sections

2.1.4   沖擊韌性

由圖5可見：試驗管段的沖擊吸收能均滿足GB/T 9711-2017（Kv≥13.5 J）和ASME B31.12-2019（Kv≥27 J）的要求。此外，直管段母材試樣的沖擊韌性優(yōu)于彎管段母材試樣，且直管段母材試樣的沖擊吸收能也高于直管段焊縫試樣。從沖擊吸收能的角度分析，彎管段母材試樣的沖擊韌性較低，在輸氫環(huán)境中需要更加關(guān)注其氫脆敏感性。 

圖  5  試驗管段的沖擊韌性測試結(jié)果

Figure  5.  Impact toughness test results of the experimental pipe sections

2.1.5   拉伸性能

由表3可見：四種試樣的抗拉強度和屈服強度均滿足GB/T 9711-2017標準中X60鋼的技術(shù)要求。其中，彎管段母材試樣的抗拉強度和屈服強度高于直管段母材試樣，這主要歸因于：試樣取自彎管外弧側(cè)，冷彎過程中出現(xiàn)應變強化效應；彎管母材中較高的Mo含量產(chǎn)生了固溶強化作用。母材試樣的斷后伸長率普遍高于焊縫試樣，表現(xiàn)出更好的塑性。綜合力學性能分析結(jié)果，在輸氫工況下應特別關(guān)注彎管母材試樣的氫脆敏感性。 

2.2   氫脆敏感性

2.2.1   SSRT測試

由圖6可見：在空氣環(huán)境中，相較于直管段母材試樣，直管段焊縫試樣的斷后延長量明顯降低，抗拉強度基本不變，這可能與直管段焊縫中貝氏體含量更高有關(guān)。貝氏體能有效捕獲氫并使鋼材變脆[21]。與彎管段母材試樣相比，彎管段焊縫試樣的斷后延長量略有降低，抗拉強度則明顯降低。為進一步研究5%H2環(huán)境對在役X60管線鋼塑性及強度損失的影響，分別計算試樣的斷面收縮率（Z）和斷后伸長率（A），見式（1）和（2）。 

式中：S0為試樣的原始橫截面積；S為試樣斷裂后頸縮處的最小橫截面積，L0為試樣的原始標距長度；L為試樣斷裂后的最終標距長度。 

圖  6  試驗管段在不同試驗環(huán)境中的SSRT曲線

Figure  6.  SSRT curves of experimental pipe sections in different experimental environments: (a) base metal and weld specimen from straight pipe section; (b) base metal and weld specimen from bent pipe section

由表4可見：在空氣環(huán)境中，彎管段母材試樣的A（18.34%）明顯低于直管段母材試樣（21.07%），其抗拉強度（608.76 MPa）則明顯高于直管段母材試樣（569.17 MPa），這是因為彎頭試樣為冷彎彎頭，冷彎過程中金屬材料的晶粒會發(fā)生相對滑移，拉伸棒取自彎管外弧側(cè)，受應變強化作用，剛度和強度增強，塑性變形能力降低，因此試樣塑性下降，此外，冷彎還會導致材料產(chǎn)生殘余應力，降低材料的塑性。兩種焊縫試樣在空氣環(huán)境中的力學性能差別不大。 

采用試樣在含氫環(huán)境和惰性環(huán)境中相應力學性能的比值來評定其氫脆敏感性指數(shù)（I脆），見式（3）。 

I脆越小，則表明在該環(huán)境中材料的氫脆敏感性越高。分別以試驗管段斷后伸長率、斷面收縮率及抗拉強度表示I脆。由圖7可見，在總壓6.4 MPa，5%摻氫環(huán)境中，試驗管段的I脆均大于0.95，氫脆敏感性極低；相較于直管段母材試樣，直管段焊縫試樣的氫脆敏感性略高，而彎管段母材和焊縫試樣的氫脆敏感性基本相當。 

圖  7  試驗管段的氫脆敏感性指數(shù)

Figure  7.  Hydrogen embrittlement sensitivity index of experimental pipe sections: (a) base metal and weld samples from straight pipe section; (b) base metal and weld samples from bent pipe section

2.2.2   斷口形貌

由圖8可見：在兩種環(huán)境中，直管段母材試樣的斷口均發(fā)生明顯頸縮，斷口中心區(qū)域均呈現(xiàn)典型的等軸韌窩形貌，空氣中試樣斷口的邊緣也是韌窩特征；在5%摻氫環(huán)境中，試樣斷口邊緣區(qū)域韌窩被拉長，5%摻氫不影響直管段母材試樣的斷裂方式，其仍為韌性斷裂，這與拉伸試驗結(jié)果一致。 

圖  8  直管段母材試樣在空氣及5%摻氫環(huán)境中經(jīng)過SSRT后的斷口形貌

Figure  8.  Fracture morphology of base material samples from straight pipe section after SSRT in air (a-c) and 5% H2 environment (d-f)

由圖9可見：在兩種環(huán)境中，直管段焊縫試樣均發(fā)生明顯頸縮，斷口中心區(qū)域呈等軸狀韌窩形貌，表現(xiàn)為典型的韌性斷裂。在空氣環(huán)境中，試樣斷口邊緣呈剪切韌窩特征，在5%摻氫環(huán)境中，試樣斷口邊緣同樣觀察到部分拉長的韌窩形貌，但其斷裂方式仍為韌性斷裂，這與拉伸試驗結(jié)果一致。 

圖  9  直管段焊縫試樣在空氣及5%摻氫環(huán)境中經(jīng)過SSRT后的斷口形貌

Figure  9.  Fracture morphology of weld samles from straight pipe section after SSRT in air (a-c) and 5% H2 environment (d-f)

由圖10可見：在空氣環(huán)境中，彎管段母材試樣發(fā)生明顯頸縮，斷口中心部位呈韌窩特征，韌窩尺寸相較于直管母材更小，塑性更差。在5%摻氫環(huán)境中，彎管段母材試樣斷口整體呈韌窩形貌，5%摻氫不影響其斷裂方式，這與拉伸曲線測試結(jié)果基本一致。 

圖  10  彎管段母材試樣在空氣及5%摻氫環(huán)境中經(jīng)過SSRT后的斷口形貌

Figure  10.  Fracture morphology of base material samples from bent pipe section after SSRT in air (a-c) and 5% H2 environment (d-f)

由圖11可見：在空氣中，彎管段焊縫試樣的斷口發(fā)生明顯頸縮，斷口中心區(qū)域呈等軸韌窩形貌，斷口邊緣也呈現(xiàn)韌窩特征；在5%摻氫環(huán)境中，試樣斷口也發(fā)生明顯頸縮，斷口中心區(qū)域呈等軸韌窩形貌，邊緣以拉長的韌窩為主，這與拉伸曲線測試結(jié)果基本一致。 

圖  11  彎管段焊縫試樣在空氣及5%摻氫環(huán)境中經(jīng)過SSRT后的斷口形貌

Figure  11.  Fracture morphology of weld samles from bent pipe section after SSRT in air (a-c) and 5% H2 environment (d-f)

3.   結(jié)論

（1）在役天然氣管道用X60管段的化學成分、硬度、沖擊韌性及拉伸性能等基礎(chǔ)性能均滿足GB/T 9711-2017的規(guī)定，該管段母材的綜合性能優(yōu)于（環(huán)）焊縫。受應變強化作用影響，彎管段母材的強度高于直管段母材，而塑性則低于直管段母材。 

（2）在總壓6.4 MPa、氫體積分數(shù)5%環(huán)境中，直管段與彎管段的母材及焊縫試樣均表現(xiàn)出較低的氫脆敏感性，拉伸斷口呈現(xiàn)典型的韌性斷裂特征。5%摻氫環(huán)境未改變材料的斷裂機制，在此環(huán)境中，試樣的力學性能可滿足服役要求。

文章來源——材料與測試網(wǎng)