氢气管道发展与管线钢氢脆挑战
掺氢天然气环境下管道钢氢脆行为研究进展
掺氢天然气环境下管道钢氢脆行为研究进展摘要：近年来，我国大力发展氢能，但其运输、贮存费用过高已成为制约我国发展的一个重要问题。
利用现有的天然气管线输送氢是实现大规模、经济、高效的氢运输的最好途径。
但是，氢气的加入会引起管线钢的氢脆性，对输氢管线的安全运行构成了极大的威胁。
为了促进国内掺氢天然气管线的发展，对国内外有关氢脆的研究进行了总结，总结了温度、压力、氢比等因素对管线钢氢脆性能的影响，并对其强度、微观组织、氢陷阱等性能与管线钢氢脆性能的关系进行了总结。
研究结果表明：在掺氢气管线中，不同工况对管线钢氢脆性能的影响是目前急需解决的主要问题；研究了掺氢气管线安全运行温度、压力、掺氢比等关键技术指标；在各种使用情况下，对掺氢气管线进行安全评估，并完善其与现有管线的兼容性评估；制定含氢气管线的设计规范及有关标准；对各种防氢脆进行了评估，如气体抑制剂、阻氢涂料。
关键词：规模；氢脆性；微观组织随着全球能源需求量不断增长，气候问题日趋严峻，清洁低碳能源的发展在世界范围内受到广泛重视。
国家发展和改革委员会制订的《能源技术革命创新行动计划》明确指出要大力发展氢气的储运、利用技术。
在现有氢能储运技术中，在现有的天然气管道中，采用掺氢方式进行氢气运输是最经济的。
美国，日本，以及其他32个国家，共实施了192个含氢气的工程。
针对我国目前存在的掺氢气管线运输瓶颈问题，中国正在积极开展中低压、高压纯氢与掺氢天然气管道及其应用安全技术研究，力图加快氢能管道发展，助力实现“双碳”目标。
在氢气管道输送关键技术中，管材评价是研究基础，是开展天然气管道掺氢输送相容性评价的关键。
管线钢在临氢环境中可能发生性能劣化甚至失效，此为利用钢制管道输送氢气的一个重大限制因素。
管道中的氢气分子与钢材表面碰撞并吸附于钢材表面，随后以原子形式渗入钢材，使管线钢发生氢脆、氢致开裂、氢鼓泡等氢损伤现象。
通常，氢脆将导致材料韧性、塑性、疲劳强度显著下降，并使材料的断裂行为从韧性断裂转变为脆性断裂，加剧管道失效的突发性。
“双碳”背景下氢冶金发展面临的机遇、挑战及对策建议
机遇、挑战及对策建议｜冯相昭 黄晓丹 李欢 张秉毅 李建OPPORTUNITIES, CHALLENGES AND COUNTERMEASURES FOR THE DEVELOPMENT OF HYDROGEN METALLURGYIN THE CONTEXT OF CARBON PEAK AND CARBON NEUTRALITY钢铁工业是国民经济的重要基础产业，是我国推进新型工业化和建设现代化强国的重要支撑，是实现绿色低碳发展的重要领域。
近年来，光伏、风电等绿色电力的规模化应用与电解水制氢技术成本的快速下降，激活了氢产业发展新动能，为我国推进氢冶金1发展带来难得的历史性机遇。
在氢冶金技术发展和钢铁企业低碳绿色转型进程中，建立一定规模的生产示范线是大规模工业应用的基础，目前国内龙头企业已提前布局和探索。
在现有氢冶金生产示范线探索实践中，还面临着各种问题和诸多挑战，需要国家层面创新体制机制，多部门形成政策合力，促进氢冶金技术应用，推动钢铁行业绿色低碳高质量发展。
一、氢冶金有望开启钢铁行业绿色低碳技术革命的新征程（一）我国钢铁碳排放量占比高，绿电制氢技术进步驱动氢冶金应用钢铁是典型的高载能、高碳排行业，我国钢铁工业碳排放量约占全国碳排放总量的15%，占世界钢铁工业碳排放总量的51%，面临严峻的碳减排压力。
同时，钢铁的碳足迹向下游产业传导，将影响我国汽车、家电等众多重点产加快建设氢冶金技术创新试验平台，打造绿氢供应体系，推动制氢成本下降，出台支持氢冶金发展政策。
氢冶金技术是用氢取代碳作为还原剂和能量源炼铁。
氢冶金按气体来源通常分为富氢气体还原（天然气、焦炉煤气和煤制气）与纯氢还原，按反应场景通常分为高炉富氢冶炼技术与气基直接还原技术。
现阶段，氢冶金已具备理论支撑和实践应用条件。
相关研究表明，氢冶金技术项目具有显著的绿色低碳绩效，以天然气、焦炉煤气的氢基竖炉直接还原-电炉冶炼工艺为例，每生产1t 钢产生的颗粒物、二氧化硫、氮氧化物较长流程高炉-转炉流程分别下降26.3%、41.1%、43.2%。
天然气加氢对燃具及管道的影响分析
天然气加氢对燃具及管道的影响分析天然气加氢主要目的是基于能源供应安全保障和减少温室气体排放的考虑。
氢气具有燃烧速度快，燃烧界限宽，比热值小，淬熄长度长等特点，天然气中掺入氢气可以改变天然气的燃烧特性。
掺氢天然气终端用户主要为作为城镇燃气使用，即商业或者民用气燃料，应保证加入氢气后终端用户.0的燃具不改变。
天然气的主要成分甲烷和氢气的理化性质见表1。
从这些性质可以看出，甲烷和氢气的理化性质有很大的差别。
表1 甲烷和氢气的物性对比表注：1.表中参比条件为101.325kPa，15℃；2.空气的摩尔质量为28.9626kg/kmol1 基础数据拟建管道输送的天然气组分见表2。
表2 天然气气体组分表1.2城镇燃气技术指标根据天然气终端使用用户的不同，天然气中加入氢气的比例也会不同。
城镇燃气用户中，国内广泛使用的燃具均以12T基准气为标准进行设计的，当天然气中加入氢气时，会改变天然气的气质组分发生变化，燃具的燃烧工况将随之改变，进而影响燃具的燃烧性能，严重时将导致燃具无法正常使用。
因此，在天然气中加入氢气的比例，应以不改变终端用户燃具为前提，即考虑互换性的问题。
在《城镇燃气设计规范》（GB50028）中规定，城镇燃气偏离基准气的波动范围宜按现行的国家标准《城市燃气分类》（GB/T13611）的规定采用，并应适当留有余地。
城镇燃气中12T基准气的性能指标见表3。
表3 12T基准气的性能指标表注：天然气标准参比条件为101.325kPa，15℃。
2 燃具互换性影响分析2.1主要参数衡量燃具互换性的主要参数有天然气热值、华白数和燃烧速度指数。
1）热值燃气的热值按式1计算：式中：H为燃气热值（分高热值和低热值），MJ/m3；Hr为燃气中r可燃组分的热值，MJ/m3；fr为燃气中r可燃组分的体积分数，%。
2）华白数燃气的华白数按式2计算：式中：Ws为高华白数，MJ/m3；Hs为燃气高热值，MJ/m3；d为燃气相对密度（干空气的相对密度为1）。
Q345R(R-HIC)中HIC氢致开裂分类(氢脆和氢腐蚀)
Q345R（R・HIC）中HIC 试验1、氢致开裂（HIC）试验简介氢致开裂（HIC）英文全称是：Hydrogen induced crackingo硫化氢是石油和天然气中最具腐蚀作用的有害介质之一，在天然气输送过程中，硫化氢对输送管线的应力腐蚀占很大比重。
在湿硫化氢环境中使用时，能导致碳钢内部出现氢鼓泡（HB）、氢致开裂（HIC）和应力导向的氢致开裂（SOHIC）。
管材在含硫化氢等酸性环境中，因腐蚀产生的氢侵入钢内而产生的裂纹称为氢致开裂（HIC）国标GB/T8650-2006《管线钢和压力容器钢抗氢致开裂评定方法》，规定了管线钢和压力容器钢板在含有硫化物水溶液的腐蚀环境中，由于腐蚀吸氢引起的HIC的评定方法。
美标NACE TM 0284管道、压力容器抗氢致开裂钢性能评价的试验方法,规定了HIC氢致开裂的评定方法。
2、氢致开裂分类（氢脆和氢腐蚀）1）氢脆：各种情况下产生的氢原子直接渗透到钢内部后，使钢晶粒间原子结合力降低，造成钢材的延伸性、端面收缩率降低，强度也发生变化。
在裂纹尖端有与阳极反应相应的阴极反应发生。
所生成的氢或加工氢进入钢中引起氢致开裂。
2）氢腐蚀：氢与钢中的碳化物发生反应产生甲烷，甲烷气体不能从钢中扩散出去，聚集在晶粒间形成局部高压，造成应力集中，进而使钢材产生微裂纹或鼓泡。
3、破坏类型在石油天然气行业和石化行业中，如果在湿H2S环境下选用碳钢或低合金钢，那么钢板会发生很严重的脆化。
这种脆化的机理是：H2s与钢材表面发生腐蚀反应产生氢，而后氢又被钢材吸收导致氢脆。
对于低合金钢来说，这种破坏可分为以下几种类型：1）氢诱导开裂（HIC）。
HIC不需要应力就可以在钢材内部产生并传播。
2）硫化物应力开裂（SSC） ° SSC主要出现在硬度高的区域，如焊缝区。
3）应力方向氢诱导开裂（SOHIC）o事实上，SOHIC可被看作是HIC和SSC共同作用的结果。
4）氢致延迟裂纹：容器在焊接过程中，焊接材料中水分或油污在电弧高温作用下分解产生氢，这些氢一部分进入熔融的焊缝金属中，当焊缝冷却时来不急扩散出去形成局部高压而导致焊缝出现微裂纹的现象。
(完整版)氢脆问题汇总
氢脆（hydrogen embrittlement）是指金属材料在冶炼，加工，热处理，酸洗和电镀等过程中，或在含氢介质中长期使用时，材料由于吸氢或氢渗而造成机械性能严重退化，发生脆断的现象．从机械性能上看，氢脆有以下表现：氢对金属材料的屈服强度和极限强度影响不大，但使延伸率是断面收缩率严重下降，疲劳寿命明显缩短，冲击韧性值显著降低．在低于断裂强度拉伸应力的持续作用下，材料经过一段时期后会突然脆断．氢脆的机理学术界还有争议，但大多数学者认为以下几种效应是氢脆发生的主要原因：1. 在金属凝固的过程中，溶入其中的氢没能及时释放出来，向金属中缺陷附近扩散，到室温时原子氢在缺陷处结合成分子氢并不断聚集，从而产生巨大的内压力，使金属发生裂纹．2. 在石油工业的加氢裂解炉里，工作温度为300-500度，氢气压力高达几十个到上百个大气压力，这时氢可渗入钢中与碳发生化学反应生成甲烷．甲烷气泡可在钢中夹杂物或晶界等场所成核，长大，并产生高压导致钢材损伤．3. 在应力作用下，固溶在金属中的氢也可能引起氢脆．金属中的原子是按一定的规则周期性地排列起来的，称为晶格．氢原子一般处于金属原子之间的空隙中，晶格中发生原子错排的局部地方称为位错，氢原子易于聚集在位错附近．金属材料所外力作用时，材料内部的应力分布是不均匀的，在材料外形迅速过渡区域或在材料内部缺陷和微裂纹处会发生应力集中．在应力梯度作用下氢原子在晶格内扩散或跟随位错运动向应力集中区域．由于氢和金属原子之间的交互作用使金属原子间的结合力变弱，这样在高氢区会萌生出裂纹并扩展，导致了脆断．另外，由于氢在应力集中区富集促进了该区域塑性变形，从而产生裂纹并扩展．还有，在晶体中存在着很多的微裂纹，氢向裂纹聚集时有吸附在裂纹表面，使表面能降低，因此裂纹容易扩展．4. 某些金属与氢有较大的亲和力，过饱和氢与这种金属原子易结合生成氢化物，或在外力作用下应力集中区聚集的高浓度的氢与该种金属原子结合生成氢化物．氢化物是一种脆性相组织，在外力作用下往往成为断裂源，从而导致脆性断裂．氢脆给人类利用金属带来了风险，因此研究氢脆的目的主要在于防止氢脆，由于氢脆的原因很多，而且人类的认识也不够透彻完整，所以现在还无法完全防止氢脆．目前防止氢脆的措施有以下几种：1. 避免过量氢带入--在金属的冶炼过程中降低相对湿度，对各种添加剂和钢锭模进行烘烤保持干燥．2. 去氢处理--减缓钢锭冷却速度使氢有足够的时间逸出，或把钢材放在真空炉中退火除氢．3. 钢中添加适当的合金元素，形成弥散分布的第二相，做为氢的不可逆陷阱，使得材料中的可活动氢的含量相对地减少，从而降低材料的氢脆倾向．4. 发展新的抗氢钢种，氢在体心立方晶体结构中的扩散速度比六角密堆结构或面心立方结构中的扩散速度高得多，所以抗氢钢常以具有面心立方结构的相为基，再加其他强化措施，可使其满足使用强度要求．5. 采用适当的防护措施--在酸洗或电镀时在酸液或电解液中添加缓蚀剂，使溶液中产生的大量氢原子在金属表面相互结合成氢分子直接从溶液中逸出，避免氢原子进入金属内部．此外，在构件外涂敷防腐层或在工作介质中施加保护电位，可避免构件与介质反应生成氢．一般在使用氧炔焰时产生氢脆的可能性比较小。
含氢气甲烷管道材质要求
含氢气甲烷管道材质要求随着能源需求的增长，氢气和甲烷作为清洁能源的重要组成部分被广泛应用。
为了确保管道系统的安全性和可靠性，选择合适的管道材质至关重要。
本文将介绍含氢气甲烷管道材质的要求。
一、耐腐蚀性能氢气和甲烷具有一定的腐蚀性，因此管道材质要具备良好的耐腐蚀性能。
常用的耐腐蚀材料包括不锈钢、镍基合金和复合材料等。
不锈钢具有良好的耐腐蚀性和机械性能，能够满足一般工况下的要求。
镍基合金由于其优异的耐腐蚀性能和高温强度，适用于高温高压环境。
复合材料由于其轻质、高强度和良好的耐腐蚀性能，在一些特殊工况下也得到了应用。
二、抗氢脆性氢气会对金属材料产生氢脆现象，导致材料的脆裂和失效。
因此，含氢气甲烷管道材质要具备较好的抗氢脆性。
一般来说，低碳钢和合金钢具有较好的抗氢脆性，但在高温高压条件下容易发生氢脆。
因此，在高温高压条件下，应选择具有较好抗氢脆性的特殊合金材料，如铁镍合金、钛合金等。
三、耐高温性能氢气和甲烷在运输过程中可能会处于高温状态，因此管道材质要具备良好的耐高温性能。
高温下，一般金属材料的强度和韧性会下降，容易导致管道失效。
因此，在高温条件下，应选择具有良好耐高温性能的材料，如高温合金、陶瓷材料等。
四、机械性能管道材质要具备良好的机械性能，包括强度、韧性和硬度等。
强度和韧性是保证管道系统运行安全的基本要求，而硬度则会影响到安装和维修的难度。
通常情况下，管道材质要具备足够的强度和韧性，同时保证一定的可加工性。
五、密封性能管道系统的密封性能对于运输氢气和甲烷是至关重要的。
管道材质要具备良好的密封性能，能够有效防止气体泄漏。
常用的密封材料包括橡胶、聚四氟乙烯等，可以有效地提高管道系统的密封性能。
含氢气甲烷管道材质要求包括耐腐蚀性能、抗氢脆性、耐高温性能、机械性能和密封性能等方面。
在实际应用中，需要根据具体的工况和要求选择合适的管道材质，以确保管道系统的安全可靠运行。
氢脆发生的主要原因和防止措施
氢脆发生的主要原因和防止措施结构钢材因其高性能和抗腐蚀的特性，一直是重要的建筑材料。
近年来由于技术进步，结构钢材应用越来越广泛，也在提高质量和性能方面取得了显著进展。
然而，由于结构钢材表面受到腐蚀损伤，存在着氢脆的危险，此类建筑结构有时会发生爆裂。
本文将详细介绍氢脆发现产生的原因和相应的预防措施。
氢脆作为一种特殊的界面断裂破坏性，是由于结构钢材表面上的低碳区环境下腐蚀和断裂破坏形成的，从而造成结构钢材的自身强度，硬度，弹性和断裂抗拉强度等微观结构发生变化，而受碳素含量低的结构钢材影响最大。
浅表结构钢材的氢脆发生在三个基本的过程中：氢的析出过程，应力集中和结构变化过程。
氢的析出过程在碱性或酸性条件下，电解、侵蚀和其他方式释放外界氢原质，使表面钢材中的化学缺陷（低碳区）中吸收这些氢原质，由此产生化学成分性介质王背景下形成的高应力应激（称为应力集中过程），这样就会引起材料的结构和性能变化，从而改变材料的断裂行为。
因此，从这些现象来看，外部环境的背景、热处理表面质量的控制等决定了结构钢材低碳区的氢脆风险。
预防氢脆发生在准备和涂层工艺程序中很重要。
首先，在制造过程中严格控制钢材的化学成分，减少材料中的低含量区，并且应尽量使用中低碳钢材，因为它更加坚韧，不易产生脆性。
其次，热处理的表面质量也很重要。
结构钢材应进行适当的热处理，以减少钢材表面质量，提高抗拉强度和弹性。
最后，进行正确的涂层处理可以提高材料的腐蚀防护效果。
可以使用结构钢材的密封涂层来对表面施加保护层，确保材料的抗氧化性，防止氢脆的发生。
总之，氢脆是造成结构钢材爆裂的主要原因，如何有效防止氢脆发生，是大家关心的问题，需要从准备工艺和涂层工艺着手，从而达到预防氢脆发生的目的。
管线钢氢相容性测试方法及氢脆防控研究进展
2023-10-29CATALOGUE 目录•研究背景与意义•氢脆及氢相容性•管线钢氢相容性测试方法•氢脆防控研究•研究进展与展望01研究背景与意义管线钢在石油、天然气等管道运输领域的应用越来越广泛，但存在氢致开裂（HIC）和延迟断裂（LF）等氢相容性问题，严重影响管线钢的安全使用。
氢相容性测试方法及氢脆防控技术是解决上述问题的关键，但目前仍存在测试结果不准确、防控效果不稳定等问题，制约了管线钢的安全使用。
研究背景研究成果可以为国内外同类研究提供参考和借鉴，推动管线钢氢相容性测试方法及氢脆防控技术的发展和应用。
研究意义研究管线钢氢相容性测试方法及氢脆防控技术，有助于提高管线钢的安全性能，保障石油、天然气等管道运输的安全性和可靠性。
通过研究管线钢氢相容性测试方法及氢脆防控技术，可以进一步揭示氢致开裂和延迟断裂的机制，为优化管线钢的成分和加工工艺提供理论支持，提高管线钢的质量和可靠性。
02氢脆及氢相容性氢脆简介氢脆通常表现为材料内部微观结构的不均匀性，导致应力集中，在材料受到外力作用时容易产生裂纹。
氢脆的发生与材料的成分、微观结构和环境因素等有关，是材料科学与工程领域的一个重要研究方向。
氢脆是金属材料在冶炼、加工和使用过程中，由于吸附和溶解了过饱和的氢，导致材料塑性和韧性显著下降的现象。
氢相容性定义氢相容性是指金属材料在含氢介质中，对氢的吸附、扩散、反应等行为的适应性。
氢相容性良好的材料在含氢环境中能够保持优良的力学性能和耐腐蚀性能，而氢相容性不良的材料则容易发生氢脆或氢致开裂等损伤。
材料的氢相容性与其成分、微观结构和表面处理状态等因素有关，是评价金属材料在含氢环境中应用性能的重要指标。
不同材料的化学成分对氢的吸附和扩散能力有显著影响，如碳钢和合金钢的氢相容性差异。
氢相容性影响因素材料成分材料的晶粒大小、晶界特性、位错密度等微观结构因素对氢的扩散和反应行为有重要影响。
微观结构温度、压力、介质成分等环境因素对材料的氢相容性也有重要影响，如高温高压环境下钢材的氢脆风险增加。
氢气管道失效分析报告
氢气管道失效分析报告氢气管道失效分析报告引言：氢气作为一种重要的能源，被广泛应用于各个领域。
然而，由于氢气具有高灵敏度和易泄漏的特性，氢气管道的失效可能会引发严重的安全事故。
因此，对于氢气管道的失效原因进行分析和研究具有重要的意义。
失效原因及分析：1. 设计缺陷：氢气管道的设计不合理或设计缺陷可能导致管道的失效。
例如，管道材料的选择不当、管道连接处的设计不严密等都可能引发管道的泄漏，从而导致失效。
2. 施工质量问题：管道的施工过程中，如果存在质量问题，例如焊接不牢固、管道连接不稳固等，都可能导致管道在运行过程中失效。
3. 材料失效：氢气管道常用的材料包括钢、铜等。
由于氢气具有很强的渗透性，在高压下会进一步加剧渗透，导致材料失效。
特别是在高温和高压下，金属材料的脆性会增大，从而增加管道的失效风险。
4. 外力作用：外界因素，例如地震、火灾等，都可能对管道造成外力作用，从而导致管道失效。
特别是在氢气管道系统中，由于氢气的燃烧性质，火灾可能会引发爆炸，造成严重的安全事故。
5. 腐蚀问题：氢气管道在运行过程中，可能会受到介质的腐蚀作用。
特别是在含有硫化氢等腐蚀性气体的环境中，容易导致管道的腐蚀和失效。
6. 管道老化：管道在长期运行过程中会受到疲劳和老化的影响。
特别是在高温和高压下，管道的老化速度更快，从而增加管道的失效风险。
结论：综上所述，氢气管道的失效可能是由于设计缺陷、施工质量问题、材料失效、外力作用、腐蚀和管道老化等多种因素导致的。
为了确保氢气管道的安全运行，需要采取各种措施来防止和监测管道的失效。
例如，在设计和施工过程中，需要严格遵循相关标准和规范；在运行过程中，需要定期检查和维护管道；对于老化的管道，需要及时更换和更新。
参考文献：1. 黄波，许杰. 氢气管道失效的原因分析及防范措施[J]. 工程安全学报，2017，3(4): 56-63.2. 赵亮，李博. 氢气管道失效的影响及预防措施[J]. 石油和化工设备，2018，12(5): 32-37.。
氢环境对高钢级管线钢力学性能影响规律研究
◀石油管工程▶氢环境对高钢级管线钢力学性能影响规律研究∗艾红倪１㊀张东１㊀于浩波２㊀彭世垚３㊀欧阳欣３㊀张对红３㊀刘啸奔１(１ 中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程中心㊀２ 中国石油大学(北京)油气装备材料失效与腐蚀防护北京市重点实验室㊀３ 国家管网科学技术研究总院分公司)艾红倪ꎬ张东ꎬ于浩波ꎬ等.氢环境对高钢级管线钢力学性能影响规律研究[Ｊ].石油机械ꎬ２０２３ꎬ５１(１２):１３６－１４４.ＡｉＨｏｎｇｎｉꎬＺｈａｎｇＤｏｎｇꎬＹｕＨａｏｂｏꎬｅｔａｌ.Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｈｙｄｒｏｇｅｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｈｉｇｈ￣ｇｒａｄｅｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２３ꎬ５１(１２):１３６－１４４.摘要:在 双碳 目标背景下ꎬ天然气管道掺氢将成为未来大规模㊁长距离输送氢气的主要方式ꎮ但氢气的掺入将会对现有天然气管道运行㊁安全维护等方面带来新的挑战ꎮ针对纯氢环境下高钢级管道力学性能劣化规律不明确的问题ꎬ通过总结并对比现有试验过程中纯氢环境模拟方法ꎬ优选出高压动态气相充氢作为试验的纯氢环境模拟方法ꎬ并在不同纯氢环境㊁１ ０１ˑ１０－４和１ ０１ˑ１０－５ｍｍ/ｓ这２种位移速率下ꎬ针对Ｘ８０管线钢开展了多组高压慢应变速率拉伸试验ꎬ获得试验数据及试样断口形貌ꎬ分析氢对管线钢力学性能的影响ꎮ分析结果认为:在纯氢环境中Ｘ８０管线钢的屈服强度㊁极限抗拉强度相对于空气环境中略微增加ꎬ增加程度均小于８％ꎻ在１ ０１ˑ１０－４和１ ０１ˑ１０－５ｍｍ/ｓ这２种位移速率的氢环境下ꎬＸ８０管线钢的断后伸长率分别减小了６ ０４％和１４ ８８％ꎬ表明随着位移速率的减小ꎬ管线钢氢损伤程度增大ꎻ气相缓蚀剂和环己胺对Ｘ８０管线钢氢损伤均有抑制作用ꎮ研究结果对高压天然气管道掺氢或纯氢管道的设计与评价具有一定的参考价值ꎮ关键词:氢气输送ꎻ高钢级管线ꎻ掺氢ꎻ力学性能ꎻ断口形貌ꎻ相容性试验ꎻ抗拉强度中图分类号:ＴＥ８３２㊀文献标识码:Ａ㊀ＤＯＩ:１０ １６０８２/ｊ ｃｎｋｉ ｉｓｓｎ １００１－４５７８ ２０２３ １２ ０２０ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＨｙｄｒｏｇｅｎＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｎＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＨｉｇｈ￣ＧｒａｄｅＰｉｐｅｌｉｎｅＳｔｅｅｌＡｉＨｏｎｇｎｉ１㊀ＺｈａｎｇＤｏｎｇ１㊀ＹｕＨａｏｂｏ２㊀ＰｅｎｇＳｈｉｙａｏ３㊀ＯｕｙａｎｇＸｉｎ３㊀ＺｈａｎｇＤｕｉｈｏｎｇ３㊀ＬｉｕＸｉａｏｂｅｎ１(１ ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｅｎｔｅｒｏｆＯｉｌａｎｄＧａｓＰｉｐｅｌｉｎｅＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＳａｆｅｔｙꎬＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ(Ｂｅｉｊｉｎｇ)ꎻ２ ＢｅｉｊｉｎｇＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭａｔｅｒｉａｌＦａｉｌｕｒｅａｎｄＣｏｒｒｏｓｉｏｎＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎｆｏｒＯｉｌａｎｄＧａｓＥｑｕｉｐｍｅｎｔꎬＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ(Ｂｅｉｊｉｎｇ)ꎻ３ ＰｉｐｅＣｈｉｎａＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｔｅｘｔｏｆｃａｒｂｏｎｐｅａｋｉｎｇａｎｄｃａｒｂｏｎｎｅｕｔｒａｌｉｔｙｔａｒｇｅｔｓꎬｈｙｄｒｏｇｅｎｂｌｅｎｄｉｎｇｉｎｎａｔｕｒａｌｇａｓｐｉｐｅｌｉｎｅｓｗｉｌｌｂｅｃｏｍｅｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｍｅａｎｓｏｆｌａｒｇｅ￣ｓｃａｌｅꎬｌｏｎｇ￣ｄｉｓｔａｎｃｅｈｙｄｒｏｇｅｎｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ.Ｈｏｗｅｖｅｒꎬｔｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒｏｇｅｎｗｉｌｌｂｒｉｎｇｎｅｗｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｔｏｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｓａｆｅｔｙｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｏｆｅｘｉｓｔｉｎｇｎａｔｕｒａｌｇａｓｐｉｐｅｌｉｎｅｓ.Ａｄｄｒｅｓｓｉｎｇｔｈｅｉｓｓｕｅｏｆｕｎｃｌｅａｒｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｈｉｇｈ￣ｇｒａｄｅｓｔｅｅｌｐｉｐｅｌｉｎｅｓｉｎａｈｙｄｒｏｇｅｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔꎬｂｙｓｕｍｍａｒｉｚｉｎｇａｎｄｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｈｙ￣ｄｒｏｇｅｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｄｕｒｉｎｇｔｅｓｔｉｎｇꎬＨｉｇｈ￣ｐｒｅｓｓｕｒｅｄｙｎａｍｉｃｇａｓｅｏｕｓｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎｗａｓｏｐｔｉｍａｌｌｙｓｅｌｅｃｔｅｄｆｏｒｓｉｍｕｌａ￣６３１ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械ＣＨＩＮＡＰＥＴＲＯＬＥＵＭＭＡＣＨＩＮＥＲＹ㊀２０２３年㊀第５１卷㊀第１２期∗基金项目:国家自然科学基金项目 逆断层作用下Ｘ８０管道屈曲演化与韧性破损机理研究 (５２００４３１４)ꎻ国家重点研发计划项目高压力高钢级管道失效机理与全生命周期可靠性评价技术研究 (２０２２ＹＦＣ３０７０１０１)ꎻ国家管网科学研究与技术开发项目 高钢级管道环焊缝失效机理研究 (ＷＺＸＧＬ２０２１０５)㊁ 高钢级管道环焊缝缺陷检测评价技术研究 (ＷＺＸＧＬ２０２１０４)ꎻ北京市科协项目 青年人才托举工程 (ＢＹＥＳＳ２０２３１４５)ꎮｔｉｎｇｈｙｄｒｏｇｅｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ.Ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｙｄｒｏｇｅｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓａｎｄｔｗｏｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｒａｔｅｓꎬ１ ０１ˑ１０－４ａｎｄ１ ０１ˑ１０－５ｍｍ/ｓꎬｍｕｌｔｉｐｌｅｓｅｔｓｏｆｈｉｇｈ￣ｐｒｅｓｓｕｒｅｓｌｏｗｓｔｒａｉｎｒａｔｅｔｅｎｓｉｌｅｔｅｓｔｓｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｏｎＸ８０ｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌ.Ａｆｔｅｒｔｈｅｓｅｔｅｓｔｓꎬｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａａｎｄｓａｍｐｌｅｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄꎬｗｈｉｃｈｗａｓｔｈｅｎｕｓｅｄｔｏａｎａ￣ｌｙｚｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｈｙｄｒｏｇｅｎｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌ.ＴｈｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｒｅｇａｒｄｔｈａｔｉｎａｈｙｄｒｏｇｅｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔꎬｔｈｅｙｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｕｌｔｉｍａｔｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆＸ８０ｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌｓｌｉｇｈｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｒｅｌａｔｉｖｅｔｏｔｈｅａｉｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔꎬｗｉｔｈａｎｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｌｅｓｓｔｈａｎ８％ꎻｕｎｄｅｒｔｈｅｔｗｏｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｒａｔｅｓｏｆ１ ０１ˑ１０－４ａｎｄ１ ０１ˑ１０－５ｍｍ/ｓｉｎｔｈｅｈｙｄｒｏｇｅｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔꎬｔｈｅｅｌｏｎｇａｔｉｏｎａｆｔｅｒｆｒａｃｔｕｒｅｏｆＸ８０ｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌｄｅｃｒｅａｓｅｄｂｙ６ ０４％ａｎｄ１４ ８８％ꎬｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙꎬｓｕｇｇｅｓｔｉｎｇｔｈａｔａｓｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｒａｔｅｄｅｃｒｅａｓｅｓꎬｔｈｅｈｙｄｒｏｇｅｎｄａｍａｇｅｔｏｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌｉｎｃｒｅａｓｅｓꎻｇａｓｅｏｕｓｃｏｒｒｏｓｉｏｎｉｎｈｉｂｉｔｏｒｓａｎｄｃｙｃｌｏｈｅｘｙｌａｍｉｎｅｅｘｈｉｂｉｔｉｎｈｉｂｉｔｏｒｙｅｆｆｅｃｔｓｏｎｈｙｄｒｏｇｅｎ￣ｉｎ￣ｄｕｃｅｄｄａｍａｇｅｔｏＸ８０ｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌ.Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｆｉｎｄｉｎｇｓｐｒｏｖｉｄｅｖａｌｕａｂｌｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ￣ｐｒｅｓｓｕｒｅｈｙｄｒｏｇｅｎ￣ｂｌｅｎｄｉｎｇｎａｔｕｒａｌｇａｓｐｉｐｅｌｉｎｅｓｏｒｐｕｒｅｈｙｄｒｏｇｅｎｐｉｐｅｌｉｎｅｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｈｙｄｒｏｇｅｎｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎꎻｈｉｇｈ￣ｇｒａｄｅｓｔｅｅｌｐｉｐｅｌｉｎｅｓꎻｈｙｄｒｏｇｅｎｂｌｅｎｄｉｎｇꎻｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙꎻｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙꎻｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙｔｅｓｔꎻｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈ０㊀引㊀言双碳 目标的提出明确了我国能源系统向低碳化转型的关键时间节点ꎬ而氢能对于 双碳 目标的实现起到了尤为重要的作用[１－２]ꎮ氢能的利用首先要解决大规模㊁安全及高效运输氢气的问题ꎮ利用现有天然气管道输送混氢天然气对降低氢气输送成本㊁扩大输送范围有重要意义ꎬ更有力地促进了西部可再生能源制氢的发展[１]ꎮ进入２１世纪后ꎬ多个国家均设立了天然气管道混氢输送示范项目[３－４]ꎬ并且相继开展了在役天然气管道掺氢试验与研究ꎬ取得了一定的研究成果ꎮ在役天然气管道掺入氢气后ꎬ由于氢气与天然气特性存在差异ꎬ将会给掺氢天然气系统的运行与维护带来技术和安全等方面的挑战ꎬ其中氢对管道母材及焊缝的影响是建设掺氢天然气管道需解决的首要问题ꎮ近年来ꎬ我国天然气长输管道正向着长运距㊁大口径㊁高压力及高钢级方向发展ꎬ且输气干线所用钢材以Ｘ７０和Ｘ８０管线钢为主ꎬ故相关学者相继以高钢级管道为研究对象ꎬ分别针对设计㊁运行㊁评价及维护等诸多方面开展研究[１０－１８]ꎮ在目前氢与管道相容性研究中ꎬ所开展的试验主要针对纯氢环境㊁煤制气环境或低掺氢比(体积分数)条件下等级在Ｘ７０及以下的管线钢力学性能的研究[５－９]ꎬ且由于氢环境试验标准不完善ꎬ导致现有的试验结果不准确ꎬ不同学者得出的研究结论存在显著差异[１９－２２]ꎮ于是提出接近真实管道服役状态的氢环境模拟方法来完善试验标准ꎬ并探究氢环境下高钢级管道力学性能劣化规律ꎬ是我国高压天然气管道掺氢可行性论证的重要一环ꎮ本文通过总结并对比现有试验过程中氢环境的模拟方法ꎬ得出接近于真实管道服役状态的氢环境模拟方法ꎬ并结合研究需求ꎬ以Ｘ８０管线钢为主要研究对象ꎬ开展慢应变速率拉伸试验ꎬ获得试验数据及试样断口形貌ꎬ分析氢对管线钢力学性能的影响规律ꎬ以期为掺氢天然气管道完整性评价提供数据基础ꎮ１㊀试验环境与试验标准１ １㊀氢环境模拟方法在已开展的氢与管道相容性试验中ꎬ对于氢环境的模拟主要分为２类:预充氢环境和临氢环境ꎮ所谓预充氢是指在力学试验开始前将试验所用试样置于静态氢环境下ꎬ充氢完成后再进行力学性能测试试验ꎬ主要采用高压气相预充氢㊁电化学预充氢[２３]以及高压气相热充氢等方法ꎻ动态充氢则是在力学性能测试试验过程中ꎬ采用液相或气相充氢的方法对试样进行动态充氢操作[２４－２６]ꎮ统计已发表文献发现ꎬ目前相关试验主要通过电化学充氢和气相充氢２种方式开展ꎮ由于试验条件限制㊁电化学充氢操作简单等ꎬ目前采用电化学充氢方法进行氢与管道相容性试验占有较大比例ꎮ文献[７]㊁[２７]及[２８]均通过电化学预充氢方法对多种ＡＰⅠ级管线钢(Ｘ６０ＳＳ㊁Ｘ６０㊁Ｘ７０㊁Ｘ８０及Ｘ１００等)的氢脆敏感性进行试验研究ꎬ结果表明:每种管线钢的力学性能都发生了明显下降ꎬ产生了延性损失ꎬ但电化学充氢后的管线钢试样在常温下放置７ｄ后延性损失可恢复ꎬ且充氢后断裂韧度与氢气体积分数呈线性关系降低ꎬ焊缝热影响区表现出较低的冲击性能ꎮ对于气相充氢ꎬ国内多位学者[２９－３１]分别对Ｘ５２㊁Ｘ６０㊁７３１２０２３年㊀第５１卷㊀第１２期艾红倪ꎬ等:氢环境对高钢级管线钢力学性能影响规律研究㊀㊀㊀Ｘ６５及Ｘ７０等多种管线钢分别在纯氢㊁低掺氢比的混氢环境中开展慢应变速率拉伸试验ꎬ结果表明:氢环境下材料的屈服强度和抗拉强度变化不大ꎬ但断后伸长率以及断面收缩率显著降低ꎬ且降低程度随材料强度的增加而增大ꎬ并伴随有断口形貌的变化ꎮ国内外研究机构[３２－３５]在低掺氢比(氢气体积分数为１％)㊁纯氢条件下对Ｘ７０管线钢开展ＣＴＯＤ(裂纹尖端张开位移)试验ꎬ结果表明:氢降低了管线钢的断裂韧度ꎬ在掺氢比１％㊁１０ＭＰａ纯氢条件下Ｘ７０管线钢的断裂韧度从常温下的０ ４２ｍｍ分别降低到０ ２１和０ １１ｍｍꎮ从目前的研究情况来看ꎬ国内外对Ｘ８０管线钢在氢环境下力学性能影响规律的研究较少ꎬ尤其是在高压气相充氢环境下开展的试验较为匮乏ꎬ应大量开展相关试验ꎬ明确在高压氢气条件下氢对Ｘ８０管线钢力学性能的劣化规律ꎮ与电化学预充氢相比ꎬ室温高压气相预充氢在充氢的过程中氢原子在试样表面的扩散更加均匀ꎬ可以有效地改善电化学预充氢后氢原子在试样表面与内部之间存在的较大质量分数梯度问题ꎮ由于掺氢或纯氢管道的运行环境为常温高压含氢环境ꎬ所以采用高压气相的方法是试验试样进行预充氢的最佳方法ꎮ高压气相动态充氢过程中ꎬ氢渗入试样所经历的吸附㊁解离㊁扩散和偏聚行为将与管线钢所受的应力状态耦合ꎬ同时满足工况相似㊁应力场相似及氢质量分数扩散场相似原则[３６]ꎮ因此ꎬ若开展氢环境下管线钢力学性能试验ꎬ目前最准确㊁最能反映管材真实服役状态的氢环境模拟方法为高压气相预充氢＋高压气相动态充氢方法ꎮ１ ２㊀试验标准在试验标准方面ꎬ国内外都已颁布关于氢环境下测定材料力学性能的试验标准ꎮ在国外ꎬ美国材料与试验协会颁布的ＡＳＴＭＧ１４２ ９８(２０１６)«测定金属在氢气中氢脆敏感性的标准试验方法»中ꎬ规定了在高压或高温２种气态含氢环境中测定金属拉伸性能的方法ꎬ其中包括光滑圆棒试样及缺口试样２种用于测试的试样ꎮ国内与氢环境下测定材料力学性能试验有关的标准是ＧＢ/Ｔ３４５４２ ２ ２０１８«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»ꎬ标准中规定了氢环境下测定材料力学性能的试验方法㊁设备要求㊁试样信息以及注意事项等但是上述标准还没有形成完整的体系[３７]ꎬ对于氢环境下材料断裂韧度测定的试验方法及标准还没有明确和详细的规定ꎬ试验过程中一些参数的选取范围㊁操作细节也尚未在标准中体现ꎮ由于缺乏国际统一的金属材料相容性试验标准ꎬ目前各国学者使用气相充氢方法得到的试验结果呈现不同形式的分散性ꎬ甚至还存在试验结论相矛盾的情况[６ꎬ３０]ꎮ因此ꎬ亟需进一步开展试验研究ꎬ并制定国际统一的金属材料相容性试验标准体系ꎬ使得试验结果相对准确并呈现可重复性ꎮ２㊀慢应变速率拉伸试验２ １㊀试验准备本文中试验材料选用ø１２１９ｍｍˑ２２ｍｍ的Ｘ８０管线钢ꎬ化学成分(质量分数)如表１所示ꎬ试样如图１所示ꎮ试验开始前ꎬ用１０００号砂纸打磨试样以除去试样表面的加工痕迹ꎬ防止其影响试验结果ꎬ之后使用去离子水冲洗试样ꎬ最后将其放置于真空的干燥器皿中备用ꎮ图１㊀试验试样图Ｆｉｇ １㊀Ｔｅｓｔｓａｍｐｌｅｄｉａｇｒａｍ表１㊀Ｘ８０管线钢的质量分数试验选用美国ＣＯＲＴＥＳＴ公司生产的慢应变速率腐蚀试验拉伸机ꎬ具体试验操作过程参考标准ＡＳＴＭＧ１４２进行ꎮ本文共开展６组试验ꎬ详细工况信息如表２所示ꎮ第１~４组试验可探究氢对管线钢应力应变本构特性的影响ꎬ以及位移速率对管线钢氢致损伤的影响ꎻ第５组试验在氢气环境中加入了气相缓蚀剂ꎬ结合第３㊁４组试验所得的数据８３１ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２３年㊀第５１卷㊀第１２期可探究缓蚀剂对管线钢氢损伤是否存在抑制作用ꎻ环己胺具有极性基因可作为有机缓蚀剂ꎬ为探究其对管线钢氢损伤的影响ꎬ设置了第６组试验ꎬ结合第３㊁４组试验可探究环己胺对管线钢氢损伤是否存在抑制作用ꎮ表２㊀试验工况信息３㊀氢对管线钢力学性能影响规律３ １㊀应力应变本构特性３ １ １㊀氢环境的影响选用表２中第１~４组试验所得到的数据绘制不同条件下Ｘ８０管线钢的应力－应变曲线ꎬ如图２所示ꎮ从图２可知ꎬ在氢气环境与空气环境下Ｘ８０钢弹性阶段无明显差异ꎬ相较于空气环境ꎬ在氢气环境下钢的颈缩点对应的应力和应变值明显增大ꎬ颈缩阶段曲线走势较为陡峭ꎬ且断裂所用时间较短ꎮ在材料力学中描述管线钢拉伸性能的力学性能指标主要包括屈服强度㊁极限抗拉强度㊁试样断后伸长率及断面收缩率[３８]等ꎮ其中试样的断后伸长率㊁断面收缩率可作为氢脆敏感性的量化指标ꎬ断后伸长率和断面收缩率越小ꎬ管线钢的脆性越强[３９]ꎮ本文选用断后伸长率作为Ｘ８０管线钢氢损伤程度的评价指标ꎬ其计算公式为:Ａ＝[(Ｌｒ－Ｌ０)/Ｌ０]ˑ１００％(１)式中:Ａ为断后伸长率ꎬ％ꎻＬｒ为试样断裂后标距段长度ꎬｍｍꎻＬ０为标距段原始长度ꎬｍｍꎮ在氢气环境中ꎬ管线钢断后伸长率相对于空气环境中的降低程度用氢脆指数Ｆ表示[４０－４１]:Ｆ＝Ａ０－ＡＨＡ０ˑ１００％(２)式中:Ｆ为氢脆指数ꎬ％ꎻＡ０为空气中的断后伸长率ꎬ％ꎻＡＨ为在氢气中的断后伸长率ꎬ％ꎮ利用试验数据以及公式得出每组试验Ｘ８０管线钢的力学性能指标ꎬ如表３所示ꎮ图２㊀不同条件下Ｘ８０管线钢的应力－应变曲线Ｆｉｇ ２㊀Ｓｔｒｅｓｓ￣ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｓｏｆＸ８０ｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ表３㊀氢气或空气环境下Ｘ８０管线钢的力学性能－４ｍｍ/ｓ时ꎬ在氢气环境中Ｘ８０管线钢的屈服强度相较于空气环境中增加了３ ３８％ꎻ对于极限抗拉强度ꎬ在２种位移速率的氢环境下钢的极限抗拉强度相对于空气环境下分别增大了７ ２３％和３ ７７％ꎬ氢使Ｘ８０管线钢的断后伸长率在２种位移速率下分别减小了６ ０４％和１４ ８８％ꎬ使钢的塑性降低ꎮ３ １ ２㊀位移速率的影响将第２㊁４组试验得到数据处理后绘制成如图３所示的曲线ꎮ从图３可以看出:在２种位移速率９３１ ２０２３年㊀第５１卷㊀第１２期艾红倪ꎬ等:氢环境对高钢级管线钢力学性能影响规律研究㊀㊀㊀图３㊀不同位移速率的氢气环境下Ｘ８０管线钢的应力－应变曲线Ｆｉｇ ３㊀Ｓｔｒｅｓｓ￣ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｓｏｆＸ８０ｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌｉｎｈｙｄｒｏｇｅｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｒａｔｅｓ的氢气环境下Ｘ８０钢弹性阶段无明显差异ꎻ对于屈服阶段ꎬ在应变相同的情况下位移速率为１ ０１ˑ１０－４ｍｍ/ｓ的氢气环境中钢所对应的应力值略大于位移速率为１ ０１ˑ１０－５ｍｍ/ｓ的应力值ꎻ在位移速率为１ ０１ˑ１０－４ｍｍ/ｓ的氢气环境下ꎬＸ８０管线钢的颈缩点对应的应力和应变值明显大于位移速率为１ ０１ˑ１０－５ｍｍ/ｓ条件下的值ꎬ颈缩阶段的曲线走势较为平缓ꎬ且断裂所用时间较长ꎮ位移速率对Ｘ８０管线钢氢损伤的影响程度用位移速率变化前后氢脆指数的变化率来表示ꎬ记为Ｋꎬ计算公式如下:Ｋ＝ＦＨ１－ＦＨ２ＦＨ１ˑ１００％(３)式中:Ｋ为影响程度ꎬ％ꎻＦＨ１为试样在较小位移速率条件下的氢脆指数ꎬ％ꎻＦＨ２为试样在较大位移速率条件下的氢脆指数ꎬ％ꎮ利用公式以及试验数据分别得出２组试验Ｘ８０管线钢的断后伸长率㊁氢脆指数以及位移速率影响程度ꎬ结果如表４所示ꎮ从表４可以看出:随着位移速率的减小ꎬＸ８０管线钢的屈服强度和极限抗拉强度都明显降低ꎬ断后伸长率也随之降低ꎬ导致氢脆指数增大ꎬ使Ｘ８０管线钢塑性降低ꎻ位移速率从１ ０１ˑ１０－４ｍｍ/ｓ降低到１ ０１ˑ１０－５ｍｍ/ｓ对钢氢损伤影响程度为５９ ４０％ꎬ说明位移速率对Ｘ８０管线钢氢损伤程度影响较大ꎮ表４㊀不同位移速率条件下Ｘ８０管线钢的力学性能图４㊀不同缓蚀剂条件下Ｘ８０管线钢应力－应变曲线Ｆｉｇ ４㊀Ｓｔｒｅｓｓ￣ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｓｏｆＸ８０ｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｒｒｏｓｉｏｎｉｎｈｉｂｉｔｏｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ为探究缓蚀剂对Ｘ８０管线钢氢损伤的抑制作用ꎬ选用表２中第３~６组试验所得到的Ｘ８０管线钢应力㊁应变值绘制相应的应力－应变曲线ꎬ结果如图４所示ꎮ从图４可以看出ꎬ这４种不同的试验环境对Ｘ８０管线钢弹性阶段的力学性能无显著影响ꎮ从颈缩点来看ꎬ在纯氢气和氢气＋气相缓蚀剂２种环境下ꎬＸ８０管线钢的颈缩点相近ꎬ且颈缩点对应的应力和应变值均大于空气环境中颈缩点对应的值ꎬ而在图４所示的４种环境中ꎬ在氢气＋环己胺环境下Ｘ８０管线钢的颈缩点对应的应力和应变值最大ꎮ对于总应变ꎬ在氢气＋气相缓蚀剂环境下Ｘ８０管线钢的总应变最大ꎬ空气环境下Ｘ８０管线钢的总应变略小ꎬ而氢气＋环己胺环境下Ｘ８０管线钢的总应变次之ꎬ纯氢气环境下Ｘ８０管线钢的总应变最小ꎮ缓蚀剂对Ｘ８０管线钢氢损伤的影响程度用缓蚀剂加入前后氢脆指数的变化率来表示ꎬ记为Ｉꎬ其计算公式如下:Ｉ＝ＦＨ－ＦＨ＋ＬＦＨˑ１００％(４)式中:ＦＨ为试样在氢气环境中的氢脆指数ꎬ％ꎻＦＨ＋Ｌ为试样在氢气＋缓蚀剂环境中的氢脆指数ꎬ％ꎮ利用公式以及试验数据分别得出每组试验Ｘ８０管线钢的断后伸长率㊁氢脆指数以及缓蚀剂影响程度ꎬ结果如表５所示ꎮ通过观察断后伸长率可以得出ꎬ气相缓蚀剂的加入使Ｘ８０管线钢的断后伸长率相较于纯氢环境增大了２７ ６２％ꎬ甚至高于空气环境中的值ꎬ使管线钢的塑性增强ꎻ环己胺的加入０４１ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２３年㊀第５１卷㊀第１２期使Ｘ８０管线钢的断后伸长率增大了３ １４％ꎬ但低于空气环境中的值ꎬ使管线钢的塑性较纯氢环境略有增强ꎮ氢环境中加入气相缓蚀剂对Ｘ８０管线钢氢损伤影响程度为１５８ ００％ꎬ而加入环己胺的影响程度为１７ ９４％ꎬ意味着气相缓蚀剂和环己胺对Ｘ８０管线钢氢损伤均有抑制作用ꎬ且气相缓蚀剂对其影响程度较大ꎬ环己胺的影响程度较小ꎮ表５㊀不同缓蚀剂条件下Ｘ８０管线钢的力学性能Ｔａｂｌｅ５㊀ＭｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＸ８０ｐｉｐｅｌｉｎｅ试验完成后ꎬ利用ＫＹＫＹ－ＥＭ６２００型扫描电子显微镜对断裂后的试样的断口形貌进行观察ꎬ得到各试样在放大不同倍数下的断口形貌图ꎬ如图５㊁图６及图７所示ꎮ图５㊀氢气或空气环境下Ｘ８０钢试样的断口形貌Ｆｉｇ ５㊀ＦｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｏｆＸ８０ｓｔｅｅｌｓｐｅｃｉｍｅｎｉｎｈｙｄｒｏｇｅｎｏｒａｉｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ观察图５可以得到:在空气环境中试样断口有明显的颈缩现象ꎬ且收缩面积较大㊁断口面积较小ꎻ在纯氢气环境中试样断口也存在颈缩现象ꎬ但相对于空气环境收缩面积较小㊁断口面积较大ꎬ此现象表明在空气环境中Ｘ８０管线钢试样相对于纯氢环境塑性变形较大ꎻ在空气环境中试样的断口形貌包括中心纤维区和边缘的剪切区ꎮ图５ａ中用红色标记成Ⅰ的区域为中心纤维区ꎬ标记成Ⅱ的区域为剪切区ꎮ剪切区相对平整ꎬ与断面成４５ʎꎮ而在纯氢环境中试样的断口形貌不存在相对平整的剪切区ꎬ只具有中心纤维区ꎬ且出现明显的裂纹ꎬ这意味着氢会导致Ｘ８０管线钢母材的塑性降低ꎮ观察图６中放大１０００倍的Ｘ８０管线钢试样在空气环境中的断口形貌可得ꎬ在空气环境下试样断口形貌以韧窝为主ꎮ其中半径大㊁深度较深的韧窝称为大韧窝(如图６ｂ和图６ｄ中用红色方形标记的区域)ꎬ同时大韧窝周围会夹杂着较小而密集且均匀分布的韧窝称为小韧窝(如图６ｂ和图６ｄ中用红色椭圆形标记的区域)ꎬ此类断口形貌具有典型的韧性断裂特征ꎮ当试验环境为位移速率１ ０１ˑ１０－４ｍｍ/ｓ的纯氢环境时ꎬ观察放大２００倍的试样的断口形貌发现ꎬ在纯氢环境下Ｘ８０管线钢试样出现图６㊀不同位移速率条件下Ｘ８０钢试样的断口形貌Ｆｉｇ ６㊀ＦｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆＸ８０ｓｔｅｅｌｓａｍｐｌｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｒａｔｅｓ明显的裂纹ꎬ如图６ｅ中蓝色椭圆形标记的区域ꎮ在放大１０００倍的试样断口形貌中大韧窝(红色方形标记的区域)的数量相较于空气中明显减少ꎬ半径变小ꎬ深度变浅ꎬ且小韧窝(红色椭圆形标记的区域)的分布较为稀疏ꎻ同时在韧窝周围出现较小且平滑的过渡区域ꎬ呈现出准解理特征ꎬ如图６ｆ中蓝色方形标记的区域ꎬ此类断口形貌特征为典型的脆性断裂特征ꎮ在其余条件不变的条件下ꎬ将位移速率减小至１ ０１ˑ１０－５ｍｍ/ｓ后ꎬ放大２００倍的试样断口形貌中裂纹尺寸变大ꎬ几乎贯穿整个断面ꎬ如图６ｇ所示ꎮ进一步观察放大１０００倍的试样断口形貌发现ꎬ大韧窝逐渐消失ꎬ小韧窝数量也随之减少且尺寸极为窄小㊁分布更加稀疏ꎬ同时断面较为平滑ꎬ出现较大的准解理平面ꎬ如图１４１２０２３年㊀第５１卷㊀第１２期艾红倪ꎬ等:氢环境对高钢级管线钢力学性能影响规律研究㊀㊀㊀６ｈ所示ꎮ这表明随着位移速率的减小ꎬＸ８０管线钢的塑性损失增大ꎬ且内部出现明显裂纹ꎬ氢脆现象加剧ꎬ失效风险增大ꎮ图７㊀不同环境下Ｘ８０钢试样断口形貌Ｆｉｇ ７㊀ＦｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｏｆＸ８０ｓｔｅｅｌｓａｍｐｌｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ对比图７中位移速率为１ ０１ˑ１０－５ｍｍ/ｓ㊁不同环境下进行试验得到的Ｘ８０管线钢母材试样的断口形貌可以得到ꎬ在氢气＋气相缓蚀剂环境下放大２００倍的试样断口形貌中裂纹消失ꎬ断面特征主要以韧窝为主ꎬ如图７ｅ所示ꎮ进一步观察放大１０００倍的试样断口形貌发现ꎬ大韧窝的数量㊁半径及深度均大于纯氢环境中的值ꎬ但小于空气环境中的值ꎬ如图７ｆ所示ꎬ其断裂形式为韧性断裂ꎮ而在氢气＋１００ｍＬ环己胺环境下放大２００倍的试样断口形貌中仍然存在细小的裂纹ꎬ断面特征同样以韧窝为主ꎬ如图７ｇ所示ꎮ进一步观察放大１０００倍的试样断口形貌发现ꎬ大韧窝的数量㊁半径及深度均大于纯氢环境中的值ꎬ但小于氢气＋气相缓蚀剂环境中的值ꎬ如图７ｈ所示ꎬ其断裂形式为韧性断裂ꎮ上述现象说明ꎬ气相缓蚀剂与环己胺均有降低在纯氢环境下Ｘ８０管线钢塑性损失㊁减轻Ｘ８０钢氢损伤程度㊁抑制氢脆的作用ꎬ但气相缓蚀剂对Ｘ８０管线钢氢损伤的影响程度更大ꎬ抑制氢脆作用更强ꎮ４㊀结㊀论(１)高压气相预充氢＋高压气相动态充氢是目前最能反映管材实际服役工况的氢环境相容试验方法ꎮ(２)氢会使管线钢的屈服强度㊁极限抗拉强度略微增加ꎬ在１ ０１ˑ１０－４和１ ０１ˑ１０－５ｍｍ/ｓ这２种位移速率的纯氢环境下分别增大了７ ２３％和３ ７７％ꎬ断后伸长率分别减小了６ ０４％和１４ ８８％ꎻ且位移速率对Ｘ８０管线钢氢损伤程度影响较大ꎬ位移速率从１ ０１ˑ１０－４ｍｍ/ｓ降低到１ ０１ˑ１０－５ｍｍ/ｓ对Ｘ８０管线钢氢损伤影响程度为５９ ４０％ꎬ随着位移速率的减小ꎬ管线钢氢损伤程度增加ꎮ(３)氢会降低管线钢的断裂韧度ꎬ在纯氢环境中的试样断口存在颈缩现象ꎬ但相对于空气环境收缩面积较小㊁断口面积较大ꎬ产生一定的塑性损失ꎬ且断口形貌特征为典型的脆性断裂特征ꎮ同时随着位移速率的减小ꎬ管线钢的塑性损失增大ꎬ且内部出现明显裂纹ꎮ(４)气相缓蚀剂和环己胺对Ｘ８０管线钢氢损伤均有抑制作用ꎬ且气相缓蚀剂对其影响程度较大ꎬ环己胺的影响程度较小ꎮ在抑制管线钢氢损伤的措施中ꎬ可以考虑采用气相缓蚀剂作为氢损伤的抑制剂ꎮ参㊀考㊀文㊀献[１]㊀黄晓勇ꎬ陈卫东ꎬ王永中ꎬ等.世界能源蓝皮书:世界能源发展报告(２０２１)[Ｍ].北京:社会科学文献出版社ꎬ２０２１.ＨＵＡＮＧＸＹꎬＣＨＥＮＷＤꎬＷＡＮＧＹＺꎬｅｔａｌ.Ｂｌｕｅｂｏｏｋｏｆｗｏｒｌｄｅｎｅｒｇｙ:ａｎｎｕａｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｒｅｐｏｒｔｏｎｗｏｒｌｄｅｎｅｒｇｙ(２０２１)[Ｍ].Ｂｅｉｊｉｎｇ:ＳｏｃｉａｌＳｃｉｅｎｃｅｓＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ(Ｃｈｉｎａ)ꎬ２０２１.[２]㊀朱珠ꎬ廖绮ꎬ邱睿ꎬ等.长距离氢气管道运输的技术经济分析[Ｊ].石油科学通报ꎬ２０２３ꎬ８(１):１１２－１２４.ＺＨＵＺꎬＬＩＡＯＱꎬＱＩＵＲꎬｅｔａｌ.Ｔｅｃｈｎｉｃａｌａｎｄｅｃｏｎｏｍ￣ｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｎｌｏｎｇ￣ｄｉｓｔａｎｃｅｈｙｄｒｏｇｅｎｐｉｐｅｌｉｎｅｔｒａｎｓｐｏｒ￣ｔａｔｉｏｎ[Ｊ].ＰｅｔｒｏｌｅｕｍＳｃｉｅｎｃｅＢｕｌｌｅｔｉｎꎬ２０２３ꎬ８(１):１１２－１２４.[３]㊀ＤＥＭＩＲＭＥꎬＤＩＮＣＥＲＩ.ｃｏｓｔａｓｓｅｓｓｍｅｎｔａｎｄｅｖａｌｕａ￣ｔｉｏｎｏｆｖａｒｉｏｕｓｈｙｄｒｏｇｅｎｄｅｌｉｖｅｒｙｓｃｅｎａｒｉｏｓ[Ｊ].Ｉｎｔｅｒｎａ￣ｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｙｄｒｏｇｅｎＥｎｅｒｇｙꎬ２０１８ꎬ４３(２２):１０４２０－１０４３０.[４]㊀ＩＳＡＡＣＴ.ＨｙＤｅｐｌｏｙ:ｔｈｅＵＫ ｓｆｉｒｓｔｈｙｄｒｏｇｅｎｂｌｅｎｄｉｎｇｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔｐｒｏｊｅｃｔ[Ｊ].ＣｌｅａｎＥｎｅｒｇｙꎬ２０１９ꎬ３(２):１１４－１２５.２４１ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２３年㊀第５１卷㊀第１２期[５]㊀ＢＡＥＫＵＢꎬＬＥＥＨＭꎬＢＡＥＫＳＷꎬｅｔａｌ.ＨｙｄｒｏｇｅｎｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔｆｏｒＸ－７０ｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌｉｎｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｈｙｄｒｏｇｅｎｇａｓ[Ｃ]ʊＡＳＭＥ２０１５ＰｒｅｓｓｕｒｅＶｅｓｓｅｌｓａｎｄＰｉｐｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ.ＢｏｓｔｏｎꎬＭａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓꎬＵＳＡ:ＡＳＭＥꎬ２０１５:Ｖ０６ＢＴ０６Ａ０１８.[６]㊀ＨＵＡＮＧＧꎬＺＨＥＮＧＪＹꎬＭＥＮＧＢꎬｅｔａｌ.ＭｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＸ７０ｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｉｎｈｉｇｈ￣ｐｒｅｓｓｕｒｅｎａｔｕｒａｌｇａｓ/ｈｙｄｒｏｇｅｎｍｉｘｔｕｒｅｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉ￣ｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅꎬ２０２０ꎬ２９(３):１５８９－１５９９. [７]㊀ＭＯＳＴＡＦＩＪＵＲＲＫＭꎬＭＯＨＴＡＤＩ￣ＢＯＮＡＢＭＡꎬＯＵＥＬＬＥＴＲꎬｅｔａｌ.ＡｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｒｏｌｅｏｆｈｙｄｒｏｇｅｎｏｎｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＡＰＩＸ６０ꎬＸ６０ＳＳꎬａｎｄＸ７０ｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌｓ[Ｊ].ＳｔｅｅｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌꎬ２０１９ꎬ９０(８):１９０００７８. [８]㊀ＮＧＵＹＥＮＴＴꎬＰＡＲＫＪꎬＫＩＭＷＳꎬｅｔａｌ.Ｅｆｆｅｃｔｏｆｌｏｗｐａｒｔｉａｌｈｙｄｒｏｇｅｎｉｎａｍｉｘｔｕｒｅｗｉｔｈｍｅｔｈａｎｅｏｎｔｈｅｍｅ￣ｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＸ７０ｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌ[Ｊ].Ｉｎｔｅｒｎａ￣ｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｙｄｒｏｇｅｎＥｎｅｒｇｙꎬ２０２０ꎬ４５(３):２３６８－２３８１.[９]㊀ＳＯＮＧＥＪꎬＢＡＥＫＳＷꎬＮＡＨＭＳＨꎬｅｔａｌ.Ｎｏｔｃｈｅｄ￣ｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｕｎｄｅｒｈｉｇｈ￣ｐｒｅｓｓｕｒｅｇａｓｅｏｕｓｈｙｄｒｏｇｅｎ:ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌＸ７０ａｎｄａｕｓｔｅｎｉｔｉｃｓｔａｉｎｌｅｓｓｔｙｐｅ３０４Ｌꎬ３１６Ｌｓｔｅｅｌｓ[Ｊ].ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｙｄｒｏｇｅｎＥｎｅｒｇｙꎬ２０１７ꎬ４２(１２):８０７５－８０８２. [１０]㊀郑伟ꎬ张宏ꎬ刘啸奔ꎬ等.断层作用下管道应变计算有限元模型对比研究[Ｊ].石油机械ꎬ２０１５ꎬ４３(１２):１０９－１１３.ＺＨＥＮＧＷꎬＺＨＡＮＧＨꎬＬＩＵＸＢꎬｅｔａｌ.ＣｏｍｐａｒａｔｉｖｅｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅＦＥＭｍｏｄｅｌｓｏｆｂｕｒｉｅｄｐｉｐｅｌｉｎｅｕｎｄｅｒｆａｕｌｔｍｏｖｅｍｅｎｔ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０１５ꎬ４３(１２):１０９－１１３.[１１]㊀杨辉ꎬ王富祥ꎬ钟婷ꎬ等.基于应变的高钢级管道环焊缝适用性评价[Ｊ].石油机械ꎬ２０２２ꎬ５０(５):１５０－１５６.ＹＡＮＧＨꎬＷＡＮＧＦＸꎬＺＨＯＮＧＴꎬｅｔａｌ.Ｓｔｒａｉｎ￣ｂａｓｅｄａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｇｉｒｔｈｗｅｌｄｓｏｎｈｉｇｈ￣ｇｒａｄｅｓｔｅｅｌｐｉｐｅｌｉｎｅ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２２ꎬ５０(５):１５０－１５６.[１２]㊀赵新威ꎬ曾祥国ꎬ姚安林ꎬ等.地震载荷作用下埋地输气管道的数值模拟[Ｊ].石油机械ꎬ２０１４ꎬ４２(３):１０４－１０９.ＺＨＡＯＸＷꎬＺＥＮＧＸＧꎬＹＡＯＡＬꎬｅｔａｌ.Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｂｕｒｉｅｄｇａｓｐｉｐｅ￣ｌｉｎｅｕｎｄｅｒｓｅｉｓｍｉｃｌｏａｄ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎ￣ｅｒｙꎬ２０１４ꎬ４２(３):１０４－１０９.[１３]㊀张宏ꎬ吴锴ꎬ冯庆善ꎬ等.高钢级管道环焊缝断裂韧性与裂尖拘束关系[Ｊ].石油学报ꎬ２０２３ꎬ４４(２):３８５－３９３.ＺＨＡＮＧＨꎬＷＵＫꎬＦＥＮＧＱＳꎬｅｔａｌ.Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅ￣ｔｗｅｅｎｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓａｎｄｃｒａｃｋｔｉｐｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｏｆｈｉｇｈ￣ｓｔｒｅｎｇｔｈｐｉｐｅｇｉｒｔｈｗｅｌｄｓ[Ｊ].ＡｃｔａＰｅｔｒｏｌｅｉｓｉｎｉ￣ｃａꎬ２０２３ꎬ４４(２):３８５－３９３.[１４]㊀ＪＩＡＮＧＪＸꎬＺＨＡＮＧＨꎬＺＨＡＮＧＤꎬｅｔａｌ.Ｆｒａｃｔｕｒｅｒｅ￣ｓｐｏｎｓｅｏｆｍｉｔｒｅｄＸ７０ｐｉｐｅｌｉｎｅｗｉｔｈｃｒａｃｋｄｅｆｅｃｔｉｎｂｕｔｔｗｅｌｄ:ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ[Ｊ].Ｔｈｉｎ￣ＷａｌｌｅｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓꎬ２０２２ꎬ１７７:１０９４２０. [１５]㊀张宏ꎬ吴锴ꎬ冯庆善ꎬ等.高钢级管道环焊接头力学性能与适用性评价研究进展[Ｊ].油气储运ꎬ２０２２ꎬ４１(５):４８１－４９７.ＺＨＡＮＧＨꎬＷＵＫꎬＦＥＮＧＱＳꎬｅｔａｌ.Ｓｔａｔｅｏｆｔｈｅａｒｔｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｆｉｔｎｅｓｓ￣ｆｏｒ￣ｓｅｒｖｉｃｅａｓｓｅｓｓ￣ｍｅｎｔｏｆｈｉｇｈ￣ｇｒａｄｅｐｉｐｅｌｉｎｅｇｉｒｔｈｗｅｌｄ[Ｊ].Ｏｉｌ＆ＧａｓＳｔｏｒａｇｅａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎꎬ２０２２ꎬ４１(５):４８１－４９７. [１６]㊀刘啸奔ꎬ房茂立ꎬ郑倩ꎬ等.基于ＰＦＤＨＡ的Ｘ８０管道应变失效可靠度计算方法[Ｊ].应用力学学报ꎬ２０２２ꎬ３９(１):１４８－１５４.ＬＩＵＸＢꎬＦＡＮＧＭＬꎬＺＨＥＮＧＱꎬｅｔａｌ.ＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒＸ８０ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｓｓｔｒａｉｎｆａｉｌｕｒｅｂａｓｅｄｏｎＰＦＤＨＡ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＭｅ￣ｃｈａｎｉｃｓꎬ２０２２ꎬ３９(１):１４８－１５４.[１７]㊀ＷＵＫꎬＺＨＡＮＧＤꎬＦＥＮＧＱＳꎬｅｔａｌ.Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｆｒａｃｔｕｒｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｆｏｒｐｉｐｅｇｉｒｔｈｗｅｌｄｂａｓｅｄｏｎｆａｉｌｕｒｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｄｉａｇｒａｍ[Ｊ].ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｒｅｓｓｕｒｅＶｅｓｓｅｌｓａｎｄＰｉｐｉｎｇꎬ２０２３ꎬ２０４:１０４９５０. [１８]㊀李燕ꎬ帅健ꎬ隋永莉ꎬ等.含气孔缺陷的管道环焊缝应力分析[Ｊ].石油科学通报ꎬ２０１６ꎬ１(３):４１７－４２４.ＬＩＹꎬＳＨＵＡＩＪꎬＳＵＩＹＬꎬｅｔａｌ.Ｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｉｒ￣ｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌｐｉｐｅｌｉｎｅｗｅｌｄｓｅａｍｓｗｉｔｈｐｏｒｅｄｅｆｅｃｔｓ[Ｊ].ＰｅｔｒｏｌｅｕｍＳｃｉｅｎｃｅＢｕｌｌｅｔｉｎꎬ２０１６ꎬ１(３):４１７－４２４. [１９]㊀ＨＡＬＬＪＥꎬＨＯＯＫＥＲＰꎬＪＥＦＦＲＥＹＫＥ.Ｇａｓｄｅｔｅｃ￣ｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒｏｇｅｎ/ｎａｔｕｒａｌｇａｓｂｌｅｎｄｓｉｎｔｈｅｇａｓｉｎｄｕｓｔｒｙ[Ｊ].ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｙｄｒｏｇｅｎＥｎｅｒｇｙꎬ２０２１ꎬ４６(２３):１２５５５－１２５６５.[２０]㊀ＹＩＬＤＩＲＩＭＡ.ＮＡＴＵＲＡＬＨＹ(ｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｅｘｉｓｔｉｎｇｎａｔｕｒａｌｇａｓｎｅｔｗｏｒｋｆｏｒｈｙｄｒｏｇｅｎｄｅｌｉｖｅｒｙ)ｐｒｏｊｅｃｔｏｂ￣ｊｅｃｔｉｖｅｓａｎｄｓｏｍｅｒｅｓｕｌｔｓ[Ｃ]ʊ１８ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＰｅ￣ｔｒｏｌｅｕｍａｎｄＮａｔｕｒａｌＧａｓＣｏｎｇｒｅｓｓａｎｄＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎｏｆＴｕｒｋｅｙ.ＡｎｋａｒａꎬＴｕｒｋｅｙ:ＥｕｒｏｐｅａｎＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｏｆＧｅｏ￣ｓｃｉｅｎｔｉｓｔｓ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓꎬ２０１１:ｃｐ－３７７－００１５５. [２１]㊀ＡＮＯＮ.ＧＤＦＳｕｅｚꎬＭｃＰｈｙｉｎＦｒｅｎｃｈＧＲＨＹＤｐｒｏｊｅｃｔｏｎｍｅｔｈａｎｅꎬｈｙｄｒｏｇｅｎ[Ｊ].ＦｕｅｌＣｅｌｌｓＢｕｌｌｅｔｉｎꎬ２０１２ꎬ２０１２(１２):１０.[２２]㊀ＫＩＰＰＥＲＳＭＪꎬＤＥＬＡＡＴＪＣꎬＨＥＲＭＫＥＮＳＲＪＭꎬｅｔａｌ.Ｐｉｌｏｔｐｒｏｊｅｃｔｏｎｈｙｄｒｏｇｅｎｉｎｊｅｃｔｉｏｎｉｎｎａｔｕｒａｌｇａｓｏｎｉｓ￣ｌａｎｄｏｆＡｍｅｌａｎｄｉｎｔｈｅＮｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ[Ｃ]ʊＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＧａｓＵｎｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ２０１１(ＩＧＲＣ２０１１).ＳｅｏｕｌꎬＫｏｒｅａ:ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＧａｓＵｎｉｏｎＲｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｂｙｔｈｅＳｅｃｒｅｔａｒｙＧｅｎｅｒａｌ(ＩＧＵ)ꎬ２０１１:１１６３－１１７７. 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[３５]㊀ＳＨＡＮＧＪꎬＺＨＥＮＧＪＹꎬＨＵＡＺＬꎬｅｔａｌ.ＥｆｆｅｃｔｓｏｆｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＸ７０ｉｎｈｉｇｈ￣ｐｒｅｓｓｕｒｅｈｙｄｒｏｇｅｎ￣ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｇａｓｍｉｘｔｕｒｅｓ[Ｊ].ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｙｄｒｏｇｅｎＥｎｅｒｇｙꎬ２０２０ꎬ４５(５２):２８２０４－２８２１５.[３６]㊀郑津洋ꎬ周池楼ꎬ徐平ꎬ等.高压氢环境材料耐久性测试装置的研究进展[Ｊ].太阳能学报ꎬ２０１３ꎬ３４(８):１４７７－１４８３.ＺＨＥＮＧＪＹꎬＺＨＯＵＣＬꎬＸＵＰꎬｅｔａｌ.Ｒ＆Ｄｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓｔｅｓｔｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎｈｉｇｈ￣ｐｒｅｓｓｕｒｅｈｙｄｒｏｇｅｎ[Ｊ].ＡｃｔａＥｎｅｒｇｉａｅＳｏｌａｒｉｓｓｉｎｉｃａꎬ２０１３ꎬ３４(８):１４７７－１４８３. [３７]㊀张来斌ꎬ胡瑾秋ꎬ张曦月ꎬ等.氢能制－储－运安全与应急保障技术现状与发展趋势[Ｊ].石油科学通报ꎬ２０２１ꎬ６(２):１６７－１８０.ＺＨＡＮＧＬＢꎬＨＵＪＱꎬＺＨＡＮＧＸＹꎬｅｔａｌ.Ｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｓｏｆｓａｆｅｔｙａｎｄｅｍｅｒｇｅｎｃｙｇｕａｒａｎｔｅｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎꎬｓｔｏｒａｇｅａｎｄｔｒａｎｓ￣ｐｏｒｔａｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒｏｇｅｎ[Ｊ].ＰｅｔｒｏｌｅｕｍＳｃｉｅｎｃｅＢｕｌｌｅｔｉｎꎬ２０２１ꎬ６(２):１６７－１８０.[３８]㊀ＣＨＥＮＧＹＦ.Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｈｙｄｒｏｇｅｎｐｅｒ￣ｍｅａｔｉｏｎｔｈｒｏｕｇｈＸ－６５ｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｅｅｌａｎｄｉｔｓｉｍｐｌｉｃａ￣ｔｉｏｎｓｏｎｐｉｐｅｌｉｎｅｓｔｒｅｓｓｃｏｒｒｏｓｉｏｎｃｒａｃｋｉｎｇ[Ｊ].Ｉｎｔｅｒ￣ｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｙｄｒｏｇｅｎＥｎｅｒｇｙꎬ２００７ꎬ３２(９):１２６９－１２７６.[３９]㊀褚武扬ꎬ乔利杰ꎬ李金许ꎬ等.氢脆和应力腐蚀[Ｍ].北京:科学出版社ꎬ２０１３:２４３－２４６. [４０]㊀ＭＯＲＯＩꎬＢＲＩＯＴＴＥＴＬꎬＬＥＭＯＩＮＥＰꎬｅｔａｌ.Ｈｙｄｒｏ￣ｇｅｎｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔｓｕｓｃｅｐｔｉｂｉｌｉｔｙｏｆａｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌＸ８０[Ｊ].ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ:Ａꎬ２０１０ꎬ５２７(２７/２８):７２５２－７２６０.[４１]㊀ＴＡＫＡＳＡＷＡＫꎬＩＫＥＤＡＲꎬＩＳＨＩＫＡＷＡＮꎬｅｔａｌ.Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｇｒａｉｎｓｉｚｅａｎｄｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｄｅｎｓｉｔｙｏｎｔｈｅｓｕｓ￣ｃｅｐｔｉｂｉｌｉｔｙｔｏｈｉｇｈ￣ｐｒｅｓｓｕｒｅｈｙｄｒｏｇｅｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｅｍ￣ｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔｏｆｈｉｇｈ￣ｓｔｒｅｎｇｔｈｌｏｗ￣ａｌｌｏｙｓｔｅｅｌｓ[Ｊ].Ｉｎｔｅｒ￣ｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｙｄｒｏｇｅｎＥｎｅｒｇｙꎬ２０１２ꎬ３７(３):２６６９－２６７５.㊀㊀第一作者简介:艾红倪ꎬ女ꎬ生于２０００年ꎬ２０２２年毕业于中国石油大学(北京)油气储运工程专业ꎬ现为在读硕士研究生ꎬ研究方向为油气储运设施结构强度ꎮ地址: (１０２２４９)北京市昌平区ꎮｅｍａｉｌ:ＡＨＮ＿２４６＠１６３ ｃｏｍꎮ通信作者:刘啸奔ꎬ电话:(０１０)８９７３１２３９ꎮｅｍａｉｌ:ｘｉａｏｂｅｎｌｉｕ＠ｃｕｐ ｅｄｕ ｃｎꎮ㊀收稿日期:２０２３－０６－０６(本文编辑㊀王刚庆)４４１ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２３年㊀第５１卷㊀第１２期。
氢脆现象发生的条件
氢脆现象发生的条件氢脆是一种金属材料在受到应力作用和存在氢气的环境中发生的一种特殊断裂现象，通常会导致金属材料的脆性断裂，严重影响材料的性能和使用寿命。
氢脆现象的发生条件涉及多方面因素，包括材料本身的性质、应力水平、氢气浓度、温度、环境等方面。
在实际工程中，只有全面了解氢脆的发生条件，才能够有效地预防和控制氢脆的发生，确保金属材料的安全可靠使用。
本文将对氢脆现象发生的条件进行详细探讨，以便更好地加强对氢脆现象的认识和防范措施的制定。
1.材料属性氢脆现象的发生与金属材料的化学成分和微观组织密切相关，一般来说，富含碳、锰、硼等元素的钢材容易发生氢脆。
此外，织构较细的金属材料也更容易受到氢脆的影响。
因此，在选择材料时，需要考虑材料的成分和组织结构，避免选择容易发生氢脆的材料。
2.应力水平氢脆的发生与应力水平有着密切的关系。
当金属材料受到一定程度的应力作用时，容易导致氢原子在晶格中集中聚集，形成氢脆的倾向。
尤其是在高应力环境下，氢脆现象更容易发生。
因此，要尽量避免金属材料受到过大的应力，特别是在容易产氢的工作环境中。
3.氢气浓度氢气浓度是导致氢脆的关键因素之一。
一般来说，当金属材料表面存在大量氢气时，氢脆现象更容易发生。
因此，需要尽量控制材料表面的氢气含量，减少金属材料在潮湿环境下的暴露时间，以避免氢脆的发生。
4.温度金属材料在一定温度范围内更容易受到氢脆的影响。
一般来说，当金属材料处于低温环境下时，氢原子在晶格中的扩散速度减慢，氢脆的倾向更加明显。
因此，在低温环境下需要格外注意氢脆现象的防范和控制。
5.环境金属材料所处的环境也会影响氢脆的发生。
特别是在含有水蒸气、酸性物质等化学物质的环境中，金属材料更容易发生氢脆现象。
因此，在使用金属材料时，需要充分了解所处环境的化学成分，避免金属材料与容易产生氢气的物质接触，从而减少氢脆的风险。
总之，氢脆的发生条件涉及材料属性、应力水平、氢气浓度、温度和环境等方面。
氢脆现象的原因和处理措施
氢脆钢材中的氢会使材料的力性能脆化，这种现象称为氢脆。
氢脆主要发生在碳钢和低合金钢。
钢中氢的来源主要为下列四个方面：（1）冶炼过程中溶解在钢水中的氢，在结晶冷凝时没有能及时逸出而存留在钢材中；（2）焊接过程中由于水分或油污在电弧高温下分解出的氢溶解入钢材中；（3）设备运行过程中，工作介质中的氢进入钢材中；（4）钢试件酸洗不当也可能导致氢脆。
含氢的钢材，当应力大于某一临界值时，就会发生氢脆断裂。
氢对钢材的脆化过程是一个微观裂纹在高应力作用下的扩展过程。
脆断应力可低达屈服极限的20%。
钢材的强度愈高（所承受的应力愈大），对氢脆愈敏感。
容器中的应力水平，包括工作应力及残余应力是导致氢脆很重要的因素。
氢脆是一种延迟断裂，断裂迟延的时间可以仅几分钟，也可能几天。
氢脆断裂只发生在100~150C的温度范围内，很低的温度不利于氢的移动和聚集，不易发生氢脆，而较高的温度可以使氢从钢中逸出，减少钢中的氢浓度，从而避免脆化。
焊后保温及热处理就是利用高温下氢能从钢中扩散逸出的原理，用来降低焊缝中氢含量，它是改善焊接接头力学性能的有效措施。
氢对钢铁材料的危害性较大，由于氢而导致材质劣化的现象统称为氢损伤。
氢损伤的形式有很多种，除了氢脆以外，还有因氢在钢板分层处聚集引起的氢鼓泡；氢在钢材中心部位聚集造成的细微裂纹群，称为白点；以及钢在高温高压氢（对碳钢，温度大于250℃．氢分压大于2MPa）作用下的氢腐蚀。
发生氢腐蚀时，钢的组织发生脱碳，渗碳体分解，沿晶界出现大量微裂纹，钢的强度、韧性丧失殆尽。
无损检测不能检测和判定清脆。
其余种类的氢损伤检测：氢鼓泡一般用肉眼便可观察到；白点可应用超声波检测方法测出来；氢致表面裂纹可应用磁粉或渗透方法检测出来；氢腐蚀可通过硬度试验和金相方法检测和判定。
氢气管道的材料选择与性能研究
氢气管道的材料选择与性能研究氢气作为清洁能源的重要代表，正逐渐成为人们关注的焦点。
随着氢能产业的发展，氢气管道作为氢气输送的重要环节，其材料选择与性能研究变得尤为重要。
本文将深入探讨，通过对目前研究现状的概述和分析，为氢气管道的设计与应用提供参考。
一、氢气管道材料的选择氢气作为一种极易发生燃烧燃爆的气体，对氢气管道材料的选择提出了严格的要求。
首先，材料必须具有良好的氢气密封性能，以确保氢气在输送过程中不会外泄。
其次，材料的耐压性和耐热性必须达到一定标准，以应对氢气管道在高压高温环境下的工作条件。
此外，材料的耐腐蚀性也是一个不可忽视的因素，毕竟氢气本身对金属具有一定的腐蚀性。
目前，常见的氢气管道材料主要包括碳钢、不锈钢、合金钢等。
碳钢作为一种传统的管道材料，具有良好的机械性能和成本效益。
不锈钢具有良好的耐腐蚀性能和抗氢脆性，但成本较高。
合金钢则是一种折中的选择，具有良好的综合性能，逐渐成为氢气管道的主流材料。
二、氢气管道材料性能的研究1. 氢气渗透性研究氢气作为一种极小的分子，在高压下容易渗透到材料内部。
因此，材料的氢气渗透性是影响氢气管道安全性能的重要因素之一。
针对这一问题，研究人员通过实验和数值模拟等手段，对不同材料的氢气渗透性进行了研究和评估。
研究结果表明，合金钢等材料在一定条件下具有较好的氢气渗透阻隔性能，能够有效减少氢气的泄漏风险。
2. 氢脆性研究氢气在金属中容易产生氢化物，导致金属变脆，从而影响材料的强度和韧性。
对于氢气管道材料而言，氢脆性是其在运行过程中需要重点关注的问题之一。
研究人员通过实验和理论分析，研究了不同材料在氢气环境下的氢脆性表现，并提出了改善材料氢脆性的方法，如表面处理、合金设计等。
3. 蠕变性能研究氢气管道在高温高压下工作，容易受到蠕变效应的影响。
蠕变是材料在高温下长时间加载后所产生的渐变性变形，会导致材料的强度和稳定性下降。
因此，研究氢气管道材料的蠕变性能对于其安全运行至关重要。
耐热不锈钢的高温氢脆性研究
耐热不锈钢的高温氢脆性研究概述：耐热不锈钢是一种广泛应用于高温和腐蚀环境下的重要结构材料。
然而，在高温条件下，不锈钢可能出现氢脆现象，这对其使用性能和安全性构成了威胁。
因此，研究耐热不锈钢的高温氢脆性是一个重要课题。
本文将讨论高温氢脆性的机理、测试方法和提高耐热不锈钢抗氢脆性的途径。
一、高温氢脆性的机理：高温氢脆性是指在高温环境中，材料因吸收和扩散大量氢气而导致的脆裂现象。
氢气可以通过多种途径进入金属材料中，如水解反应、电化学反应和气体吸附等。
一旦氢气进入材料内部，它会在晶界和位错等缺陷处聚集，并导致材料的氢脆化。
在高温条件下，氢气会进一步扩散到晶界和基体中，加速氢脆化的发生。
最终，材料会发生脆性破裂。
二、检测高温氢脆性的方法：为了评估耐热不锈钢的高温氢脆性，需要进行一定的测试和分析。
以下是一些常用的方法：1.氢脆试验：这是一种最常用的方法，通过在高温下暴露材料于含氢气环境中，观察样品的脆性破裂情况，来评估其高温氢脆性。
常用的氢脆试验方法包括四点弯曲试验、拉伸试验和冲击试验等。
2.扫描电子显微镜（SEM）：使用SEM观察材料断口形貌，通过分析断口的特征，可以判断材料是否发生氢脆。
3.氢扩散实验：通过浸泡材料于含氢气环境中，并测量材料中氢的含量，从而研究氢在高温下的扩散行为和速率。
4.物理化学性能测试：测量材料的硬度、强度、延展性等力学性能，以评估材料的耐热性和抗氢脆性。
三、提高耐热不锈钢抗氢脆性的途径：为了提高耐热不锈钢的抗氢脆性，可以采取以下措施：1.合理选择合金元素：添加一定比例的合金元素，如钼、铌、钛等，可以提高不锈钢的抗氢脆性。
这些合金元素能够与氢形成稳定的化合物，减少氢在材料中的扩散，从而降低氢脆性。
2.优化材料的热处理工艺：通过合理的热处理工艺，可以改善不锈钢的晶界结构和晶界能量，提高材料的断裂韧性，从而减轻高温氢脆性。
3.表面保护处理：对耐热不锈钢进行表面保护处理，如电镀、涂层等，可以减少金属与氢发生反应的机会，降低氢脆性的发生。
国内外氢气长输管道发展现状及分析
行业论坛蒋庆梅等：国内外氢气长输管道发展现状及分析国内外氢气长输管道发展现状及分析蒋庆梅1王琴2谢萍2屈向军31中国石油天然气管道工程有限公司2中国石油西部管道分公司3中国石油集团渤海钻探工程有限公司定向井技术服务分公司摘要：氢能作为重要的二次清洁能源，受到世界各能源国的高度重视，随着氢能发展、利用技术的不断成熟和完善，对于大规模集中制氢和长距离输氢来说，管道运输是最经济的方式。
国外氢气管道研究起步较早，北美和欧洲等地区先后建成多条氢气长输管线，总里程逾千公里。
国内氢能源开发利用较晚，氢气长输管道规模较小，目前仅建成三条几十公里长的氢气长输管道和两条上百公里的煤制气、氢气混合输送管道。
在标准体系方面，欧美等地区以ASME B31.12和CGA G-5.6为基础，形成了比较完善的氢气长输管道标准体系，而国内仅有GB50177和GB4962用于氢气站的建设和氢气储存等，氢气长输管道领域的标准体系尚属空白。
鉴于氢能源的技术、发展优势和国家氢能产业发展规划的需要，建议尽快建立国内氢气长输管道配套标准体系。
关键词：氢气；长输管道；埋地管道；发展趋势；标准体系；ASME B31.12Development Status and Analysis of Long-distance Hydrogen Pipeline at Home and AbroadJIANG Qingmei1，WANG Qin2，XIE Ping2，QU Xiangjun31China Petroleum Pipeline Engineering Co.，Ltd.2PetroChina West Pipeline Company3Directional Well Technology Services Branch，CNPC Bohai Drilling Engineering Co.，Ltd.Abstract：As an important kind of secondary clean energy，hydrogen energy is highly valued by all energy powers in the world.The technology of hydrogen energy development and utilization will be more and more matured and improved.For large-scale centralized hydrogen production and long-dis-tance hydrogen transportation，pipeline transportation is the most economical way.Hydrogen pipeline study abroad started earlier than that in China，and many long-distance hydrogen pipelines have been built in North America，Europe and other areas，with a total mileage of more than1000kilometers.The hydrogen energy development and utilization in China are relatively late，and the scale of hydro-gen long-distance pipeline is small.At present，only three long-distance pipelines of dozens of kilome-ters and two coal-based hydrogen mixed pipelines of hundreds of kilometers have been built.In terms of the standard system，European and American areas have formed a relatively perfect standard system for long-distance hydrogen pipelines based on ASME B31.12and CGA G-5.6.In China，only GB50177and GB4962are used for the construction of hydrogen stations and hydrogen storages in Chi-na，and there is no standard system in the field of long-distance hydrogen pipelines.In view of the technology and development advantages of hydrogen energy and the needs of the national hydrogen in-dustry development plan，it is suggested to establish a supporting standard system for long-distance hy-drogen pipelines as soon as possible.Keywords：hydrogen；long-distance pipeline；buried pipeline；development trend；standard sys-tem；ASME B31.12DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2019.12.002第38卷第12期（2019-12）行业论坛近年来，国内氢能利用技术逐步发展，生产规模不断扩大。
纯氢管道输氢技术发展现状与分析
纯氢管道输氢技术发展现状与分析
曹权;王洪建;秦业美;王敏
【期刊名称】《力学与实践》
【年(卷),期】2024(46)1
【摘要】利用管道输送氢气,能够实现氢气低成本、大规模、长距离输送,但纯氢管道的发展面临技术与经济方面的挑战。
本文给出了管道输氢评价指标,总结了国内外纯氢管道的发展现状,探讨了管道输氢面临的技术挑战与经济性影响因素。
纯氢管道大规模发展具备技术可行性,建设与运行成本也将大幅下降。
随着氢能产业的快速发展,管道输氢将成为最高效、最经济的氢气输送方式。
建议结合我国实际情况,统筹规划纯氢管网布局,制定管道输氢标准规范,建立安全监管与应急决策平台,搭建运营管理体系,逐步推动管道输氢产业化发展。
【总页数】10页(P18-27)
【作者】曹权;王洪建;秦业美;王敏
【作者单位】北京市煤气热力工程设计院有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TE832;TK91
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完整版氢脆问题汇总
氢脆（hydrogen embrittlement ）是指金属资料在冶炼，加工，热办理，酸洗和电镀等过程中，或在含氢介质中长久使用时，资料因为吸氢或氢渗而造成机械性能严重退化，发生脆断的现象．从机械性能上看，氢脆有以下表现：氢对金属资料的佩服强度和极限强度影响不大，但使延伸率是断面缩短率严重降落，疲备寿命显然缩短，冲击韧性值显然降低．在低于断裂强度拉伸应力的连续作用下，资料经过一段期间后会忽然脆断．氢脆的机理学术界还有争议，但大多数学者以为以下几种效应是氢脆发生的主要原由：1.在金属凝固的过程中，溶入此中的氢没能及时开释出来，向金属中缺点周边扩散，到室温时原子氢在缺点处结合成分子氢其实不停齐集，从而产生巨大的内压力，使金属发生裂纹．2.在石油工业的加氢裂解炉里，工作温度为 300-500 度，氢气压力高达几十个到上百个大气压力，这时氢可浸透钢中与碳发生化学反应生成甲烷．甲烷气泡可在钢中夹杂物或晶界等场所成核，长大，并产生高压以致钢材损害．3.在应力作用下，固溶在金属中的氢也可能惹起氢脆．金属中的原子是按必定的规则周期性地摆列起来的，称为晶格．氢原子一般处于金属原子之间的空隙中，晶格中发生原子错排的局部地方称为位错，氢原子易于齐集在位错周边．金属材料所外力作用时，资料内部的应力分布是不平均的，在资料外形迅速过渡地域或在资料内部缺点和微裂纹处会发生应力会合．在应力梯度作用下氢原子在晶格内扩散或随从位错运动向应力会合地域．因为氢和金属原子之间的交互作用使金属原子间的结合力变弱，这样在高氢区会萌生出裂纹并扩展，以致了脆断．其余，因为氢在应力会合区富集促进了该地域塑性变形，从而产生裂纹并扩展．还有，在晶体中存在着很多的微裂纹，氢向裂纹齐集时有吸附在裂纹表面，使表面能降低，所以裂纹简单扩展．4.某些金属与氢有较大的亲和力，过饱和氢与这类金属原子易结合生成氢化物，或在外力作用下应力会合区齐集的高浓度的氢与该种金属原子结合生成氢化物．氢化物是一种脆性相组织，在外力作用下常常成为断裂源，从而以致脆性断裂．氢脆给人类利用金属带来了风险，所以研究氢脆的目的主要在于防范氢脆，因为氢脆的原由很多，并且人类的认识也不够透辟圆满，所以此刻还没法圆满防范氢脆．目前防范氢脆的措施有以下几种：1.防范过分氢带入 --在金属的冶炼过程中降低相对湿度，对各种增添剂和钢锭模进行烘烤保持干燥．2.去氢办理 --减缓钢锭冷却速度使氢有足够的时间逸出，或把钢材放在真空炉中退火除氢．3.钢中增添合适的合金元素，形成弥散分布的第二相，做为氢的不能够逆骗局，使得资猜中的可活动氢的含量相对地减少，从而降低资料的氢脆偏向．4.发展新的抗氢钢种，氢在体心立方晶体结构中的扩散速度比六角密堆结构或面心立方结构中的扩散速度高得多，所以抗氢钢常以拥有面心立方结构的相为基，再加其余增强措施，可使其满足使用强度要求．5.采纳合适的防范措施 --在酸洗或电镀时在酸液或电解液中增添缓蚀剂，使溶液中产生的大批氢原子在金属表面互相结合成氢分子直接从溶液中逸出，防范氢原子进入金属内部．其余，在构件外涂敷防腐层或在工作介质中施加保护电位，可防范构件与介质反应生成氢．一般在使用氧炔焰时产生氢脆的可能性比较小。
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氢气管道发展与管线钢氢脆挑战
程玉峰;孙颖昊;张引弟
【期刊名称】《长江大学学报:自然科学版》
【年(卷),期】2022(19)1
【摘要】作为一种绿色、清洁的燃料(或能源载体),氢在实现净零排放目标上将发挥重要作用。
在建设以氢能为基础的规模经济中,氢的高效、安全运输是关键的一环。
氢的管道运输具有运载量大、效率高、经济实惠等优势,如果能够利用现有天然气管网实现氢的运输,则可以进一步降低成本,促进氢的规模经济的发展,但高压氢气管道或天然气/氢气混输管道存在氢脆失效的风险。
阐述了氢能与氢经济发展的背景以及管道运输的巨大意义,讨论了氢气管道发生氢脆的热力学条件、氢的渗透与扩散行为、氢致失效的机理和失效形式等,证明了管线钢在管输条件下氢分子发生解离吸附的热力学可行性,分析了氢气管道存在发生氢脆或其他氢致失效形式的风险。
当前,氢气管道发生氢致失效的研究具有相当大的发展空间,进一步的研究将主要集中在原子尺度测量与计算模拟方面。
【总页数】16页(P54-69)
【作者】程玉峰;孙颖昊;张引弟
【作者单位】加拿大卡尔加里大学机械工程系 1N4;长江大学石油工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TQ116.2;TQ022.115
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