隨著全球能源需求量不斷增長(zhǎng),由此帶來(lái)的化石燃料短缺和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻,國(guó)內(nèi)外都在積極尋找其替代和補(bǔ)充品。氫是一種清潔可持續(xù)發(fā)展的能源,利用現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)輸送氫氣是現(xiàn)有的氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)中最高效和經(jīng)濟(jì)的方式之一。包括美國(guó)、日本等在內(nèi)的許多國(guó)家已經(jīng)開展了天然氣摻氫項(xiàng)目[1-5],形成了多項(xiàng)測(cè)試和評(píng)價(jià)方法[6-7]。中國(guó)能源企業(yè)也開始了摻氫天然氣管網(wǎng)的嘗試和部署[8]。但管線鋼在輸送含氫介質(zhì)時(shí),介質(zhì)中的氫氣分子會(huì)與鋼材表面碰撞并吸附于鋼材表面,隨后以原子形式滲入鋼材,使管線鋼發(fā)生氫致開裂和氫鼓泡,力學(xué)性能下降,甚至引起管線突然失效[9-12]。
為解決摻氫天然氣管道輸送的安全問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外正積極開展中低壓、高壓純氫與摻氫天然氣管道應(yīng)用安全技術(shù)研究,力圖突破天然氣摻氫技術(shù)瓶頸,積累天然氣摻氫與管道適應(yīng)性的相關(guān)數(shù)據(jù),加快氫能管道發(fā)展。近年來(lái)為了研究氫與管線鋼的相容性,已進(jìn)行了許多試驗(yàn)[3,13-21]。NGUYEN等[18]研究發(fā)現(xiàn)氫氣環(huán)境會(huì)降低X70管線鋼的塑性和斷裂韌性；AN等[22-23]和ZHANG等[20,24-25]的研究表明,X80管線鋼在氫環(huán)境中表現(xiàn)出疲勞裂紋擴(kuò)展速率（FCGR）增加,斷裂韌性下降,疲勞壽命降低。這些性能變化給管道的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患,目前需要建立管線鋼氫脆行為的機(jī)制理論,明確其產(chǎn)生氫脆行為后的性能變化規(guī)律,保障輸氣管道安全運(yùn)行,并尋求有效的抗氫脆方法。
筆者從氫脆機(jī)理,管線鋼氫脆敏感性及抗氫損傷方法等方面闡述了管線鋼氫脆問(wèn)題的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展,對(duì)管線鋼氫脆行為進(jìn)行歸納整理,以期加快明確氫對(duì)管線鋼性能的影響規(guī)律及作用機(jī)制,為保障氫氣輸送管道的安全運(yùn)行、有效解決氫脆問(wèn)題提供參考。
1. 金屬氫脆機(jī)理
目前,鐵基金屬材料氫脆機(jī)制主要有氫壓理論、氫致局部塑性變形理論（HELP）、氫降低表面能理論和氫致弱鍵理論（HEDE）。金屬材料氫脆機(jī)理的相關(guān)研究已有近百年,關(guān)于氫進(jìn)入金屬及存在方式、遷移與聚集過(guò)程和氫引起金屬材料力學(xué)性能改變等方面的認(rèn)識(shí)已趨于一致,但沒(méi)有一個(gè)確切的機(jī)制可以理清所有觀測(cè)到的氫脆現(xiàn)象。近年來(lái),隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展,一些研究結(jié)果支撐了以上氫脆理論,比如,一些學(xué)者通過(guò)透射電鏡（TEM）和納米壓痕試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氫降低位錯(cuò)發(fā)射阻力,促進(jìn)鋼中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)[26-27],CHEN等[28]利用原子探針成像（APT）技術(shù)觀測(cè)到了氘在位錯(cuò)中心處、晶界處和夾雜物界面處的偏析,為HELP理論和HEDE理論提供了試驗(yàn)支撐。最近,也有研究人員提出了新的氫脆理論,GONG等[29]研究發(fā)現(xiàn)富氫樣品有更高的位錯(cuò)遷移率,氫促進(jìn)位錯(cuò)納米結(jié)構(gòu)的形成,位錯(cuò)納米結(jié)構(gòu)又充當(dāng)了氫的新捕獲位點(diǎn),獲得更多的氫產(chǎn)生嚴(yán)重的位錯(cuò)裂紋,導(dǎo)致局部應(yīng)變分配和破壞。
以上氫脆理論各有長(zhǎng)短,在研究和解決實(shí)際材料的氫脆問(wèn)題時(shí)通常需要綜合以上理論分析,獲得更為合理的解釋。AN等[30]對(duì)氫氣和應(yīng)力集中對(duì)X80管線鋼疲勞壽命損傷的協(xié)同作用機(jī)理進(jìn)行分析,認(rèn)為氫致疲勞性能損傷的過(guò)程分為四個(gè)階段,如圖1所示。氫脆過(guò)程的第一步是氫原子從環(huán)境進(jìn)入材料高應(yīng)力集中區(qū)域,氫原子的富集形成高氫壓的局部塑性區(qū)。由于缺口引起的應(yīng)力集中對(duì)載荷十分敏感,因此在應(yīng)力集中區(qū)域有利于塑性變形,這個(gè)氫含量高的局部變形區(qū)域即為HELP區(qū)域[31]。第二階段,局部塑性變形和局部氫含量隨著應(yīng)力集中的增加而增加,HELP區(qū)域的面積減少。在此后的階段,過(guò)多的空位形成并在HELP區(qū)域累積,這些空位引起納米微孔形核并導(dǎo)致裂紋的形成。由于高局部塑性變形和高局部氫含量,裂紋萌生的循環(huán)次數(shù)隨著應(yīng)力集中的增加而降低。疲勞裂紋不僅從缺口處開始萌生,而且裂紋的擴(kuò)展也受到缺口引起的應(yīng)力集中的影響。當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)低時(shí),裂紋難以萌生但是裂紋擴(kuò)展速率可能會(huì)很快；當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)高時(shí),裂紋容易萌生,但是其擴(kuò)展速率相對(duì)較低。
2. 管線鋼氫脆敏感性
氫脆敏感性指材料在含氫環(huán)境中發(fā)生氫脆的傾向[32-34]。氫原子經(jīng)吸附、吸收和擴(kuò)散的方式進(jìn)入材料內(nèi)部后,通常使材料塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度等性能顯著下降,材料的斷裂行為從韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔选Ｒ酝芯看蠖嗍窃谝后w環(huán)境中進(jìn)行的,摻氫天然氣管道的氫脆發(fā)生在氣體環(huán)境中,氫原子產(chǎn)生的機(jī)理是氫分子在管線鋼表面的吸附解離,并且材料晶格和陷阱中捕獲的氫在特定的氫壓條件下相對(duì)穩(wěn)定[35],與液態(tài)氫有本質(zhì)區(qū)別。因此,近年來(lái)采用氣態(tài)環(huán)境中的管線鋼氫脆敏感性試驗(yàn),如慢應(yīng)變速率試驗(yàn)（SSRT）、斷裂韌性試驗(yàn)、和疲勞壽命試驗(yàn)等,可以更準(zhǔn)確地研究摻氫天然氣用管線鋼的氫脆行為。大量研究表明,氫脆敏感性會(huì)隨著管線鋼等級(jí)的提高和氫氣壓力的增加而增大[36-37],氫脆失效風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)進(jìn)一步提高。
2.1 氫對(duì)管線鋼塑性及韌性的影響
原位氣態(tài)氫環(huán)境中的SSRT和斷裂韌性試驗(yàn)是目前研究管線鋼氫脆敏感性的主要手段。氫脆指數(shù)（IE）可以反映材料在氫環(huán)境中的氫脆敏感性程度,氫脆指數(shù)按照（1）式計(jì)算：
式中：L0、LH分別為試樣在不含氫和含氫環(huán)境中經(jīng)SSRT后的斷后伸長(zhǎng)率。通常情況下隨著氫壓的升高,X42~X100管線鋼的氫脆指數(shù)都呈上升趨勢(shì),并且氫脆指數(shù)與管線鋼的強(qiáng)度有一定聯(lián)系,管線鋼的強(qiáng)度越高其氫脆敏感性越強(qiáng)[21,37-42]。
李玉星等[38]在4 MPa氣體總壓下?lián)饺?~2 MPa氫氣的環(huán)境中對(duì)X52管線鋼進(jìn)行了SSRT,發(fā)現(xiàn)其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度變化不大,斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率隨氫分壓增大而逐漸下降,氫脆指數(shù)逐漸上升,最大為13%,小于工程上的氫脆閾值。劉方等[39]研究發(fā)現(xiàn)X65管線鋼在含氫環(huán)境中也出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象,在總壓為9 MPa,含氫量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）3%、5%、10%氣體環(huán)境中其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)了小幅下降,斷后伸長(zhǎng)率隨摻氫比例的增大而逐漸下降,氫脆指數(shù)最高達(dá)11.63%。并且隨著摻氫比例的增大,裂紋尖端張開位移逐漸減小,試樣斷裂韌性逐漸降低。
X70鋼是被世界各國(guó)廣泛使用的高鋼級(jí)管線鋼,關(guān)于其氫脆行為也有大量研究。在氫含量較小的情況下,X70鋼的氫脆敏感性并不明顯,關(guān)鴻鵬等[43]和李天雷等[44]等測(cè)試了X70鋼母材和焊縫分別在含有0.2 MPa和0.36 MPa氫氣環(huán)境中的力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)X70鋼母材和焊縫的沖擊性能、塑性延伸率以及材料的損傷容限均未受到明顯影響,斷裂韌性的劣化程度也在10%以內(nèi)。而一些學(xué)者持不同的觀點(diǎn),ALVARO等[45]、NGUYEN等[14,18,21]及SHANG等[46]的研究都指出在含有少量氫氣（0.1 MPa）時(shí),X70鋼母材的塑性沒(méi)有發(fā)生下降,但其焊縫的塑性明顯降低且母材和焊縫的斷裂韌性都顯著降低,而在10 MPa或更高的高壓純氫氣中,X70鋼的塑性和韌性劣化程度大幅增加。NGUYEN等[40]還對(duì)X42、X65和X70三種管線鋼在不同混合氫含量條件下的力學(xué)性能進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)在含30%（質(zhì)量分量）H2的H2/CH4混合氣體中觀察到了氫輔助脆性斷裂現(xiàn)象,隨著氫含量的增加,試樣的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率都有明顯下降和上升。
關(guān)于X80管線鋼的氫脆行為,研究人員也得到了與X52-X70鋼相似的結(jié)論,即在混合氣體中摻入氫氣（0~20%）對(duì)X80鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度影響不大,但塑性有所下降[19,23,24,38,47-48]。BRIOTTET和MORO等[41,49-50]還指出當(dāng)氫分壓為0.1~5.0 MPa時(shí),X80鋼的塑性隨氫分壓增大而顯著降低,但當(dāng)氫分壓超過(guò)5 MPa后,X80鋼的塑性變化趨于平穩(wěn),當(dāng)氫分壓為10~30 MPa時(shí)幾乎不變,在30 MPa氫分壓下,X80鋼的斷裂韌性較在空氣中下降90%以上。目前,也有學(xué)者對(duì)X100管線鋼的氫脆行為進(jìn)行了研究,NANNINGA等[37]研究發(fā)現(xiàn)氣態(tài)氫對(duì)X100管線鋼屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均無(wú)顯著影響,但會(huì)顯著降低其斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率,并且氫脆敏感性隨管線鋼強(qiáng)度的增大而增大。AMARO等[42]對(duì)X52鋼和X100鋼在13.8 MPa氫氣環(huán)境中的拉伸試驗(yàn)也得到了相似的結(jié)果。RONEVICH等[51]在21 MPa氫氣條件下對(duì)X52電阻焊、X100攪拌摩擦焊和X52、X65、X100氣體金屬電弧焊等不同強(qiáng)度等級(jí)和焊接工藝的管道焊縫進(jìn)行了斷裂韌性測(cè)試,發(fā)現(xiàn)隨著屈服強(qiáng)度的增加,試樣的斷裂韌性呈下降趨勢(shì)。
2.2 氫對(duì)管線鋼疲勞性能的影響
疲勞裂紋擴(kuò)展速率是評(píng)價(jià)管線鋼氫脆行為的重要參數(shù)[36,52-55],氫對(duì)管線鋼疲勞性能的影響主要體現(xiàn)在氫加速了疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展以及疲勞壽命的改變。當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子超過(guò)一個(gè)臨界值
時(shí),氫能加速材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率（FCGR）,但是
受材料、氫氣壓力以及加載條件的影響。
金屬疲勞一般分疲勞裂紋萌生階段、疲勞裂紋擴(kuò)展階段、疲勞斷裂階段三個(gè)階段,近年來(lái)關(guān)于管線鋼FCGR的研究主要集中在疲勞裂紋擴(kuò)展階段。李天雷等[44]研究表明X70鋼熱影響區(qū)在0.36 MPa氫分壓下的FCGR比在空氣環(huán)境中的高了一個(gè)數(shù)量級(jí),且斷裂表面為解理斷裂。RONEVICH等[55-56]研究發(fā)現(xiàn),X52和X100試樣在氫氣（21 MPa）中的裂紋擴(kuò)展速率顯著高于在空氣中的。文獻(xiàn)[52]指出氫氣會(huì)使X52管線鋼的FCGR增加,但不隨氫壓的增加而變化,而X80和X100等管線鋼裂紋擴(kuò)展速率隨氫壓增大而加大。SLIFKA等[53]的研究也證實(shí)了這一說(shuō)法,他認(rèn)為X100和X52管線鋼在加壓氫環(huán)境中（氫壓為1.7,7,21,48 MPa）的FCGR比在空氣中的高一到兩個(gè)數(shù)量級(jí),但X52鋼在不同氫壓下顯示出相近的裂紋擴(kuò)展速率,而X100鋼的FCGR隨著氫壓的增大而增大。DREXLER等[57]的研究也表明,X52和X70管線鋼的母材、焊縫和熱影響區(qū)在含氫環(huán)境中的FCGR都比在空氣環(huán)境中的高,但氫壓對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響不大。AN等[22]研究了X80管線鋼在氫環(huán)境中的低周疲勞和疲勞裂紋擴(kuò)展行為,發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展速率取決于氫壓。SHI等[58]研究了高強(qiáng)度管線鋼的氫致開裂行為,發(fā)現(xiàn)氫的存在會(huì)加速高強(qiáng)度管線鋼的開裂,X70和X80級(jí)管線鋼具有較好的抗氫致開裂性能,而X90和X100級(jí)管線鋼的抗氫致開裂性能相對(duì)較差。大量的研究結(jié)果表明在含氫條件下,少量的氫就會(huì)導(dǎo)致管線鋼的裂紋擴(kuò)展速率顯著增加,但隨著氫壓的升高,氫對(duì)管線鋼裂紋擴(kuò)展的加速作用減弱。
疲勞壽命測(cè)試也是研究管線鋼氫脆影響一種常用手段。如圖2所示,AN等[22]的研究表明,含氫環(huán)境會(huì)對(duì)X80管線鋼的疲勞性能造成損傷,在0.6 MPa的低氫壓環(huán)境中,缺口試樣的低周疲勞壽命隨著氫壓的增加而降低,當(dāng)位移幅值（DA）穩(wěn)定（低于3 000次循環(huán)）時(shí),X80鋼在含氫和不含氫條件下的疲勞性能均未出現(xiàn)明顯的惡化,隨著DA的增加（約為3 000次循環(huán)左右）,在含氫環(huán)境中裂紋開始萌生并在1 000次循環(huán)后裂紋快速擴(kuò)展,疲勞性能嚴(yán)重受損,而在氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行4 000次循環(huán)后,裂紋開始萌生,超過(guò)7 000次后裂紋開始快速擴(kuò)展,含氫環(huán)境會(huì)加速裂紋的萌生,增加裂紋擴(kuò)展速率。ZHUO等[25]和MENG等[19]的研究也得到了相似的結(jié)論,即隨著氫分壓的增加,疲勞壽命下降且下降趨勢(shì)逐漸趨于平緩。
圖 2X80試樣在氮?dú)夂秃?.6 MPa氫氣環(huán)境中的位移幅值隨循環(huán)次數(shù)變化曲線及其在不同氫氣含量（總壓12 MPa）下的疲勞壽命
Figure 2.The displacement amplitude of X80 specimen in nitrogen and hydrogen environments containing 0.6 MPa varies with the number of cycles(a) and its fatigue life under different hydrogen contents (total pressure 12 MPa) (b)
3. 管線鋼氫脆的抑制方法
3.1 添加抑制劑氣體
氫含量及環(huán)境因素對(duì)管線鋼氫脆敏感性有較大影響,近年來(lái)研究者們開展了含氫混合氣體對(duì)管線鋼力學(xué)性能影響的研究。甲烷、一氧化碳、二氧化碳等氣體組分對(duì)管線鋼斷裂韌性的影響如圖3所示[59]。可以看出,相比于在氮?dú)庵械慕Y(jié)果,管線鋼在6.9 MPa氫壓條件下的斷裂韌性（JIC）下降了一半,一氧化碳為有效抑制劑氣體,當(dāng)含氫氣體中混入一氧化碳,管線鋼的斷裂韌性恢復(fù)到氮?dú)庵械乃?而甲烷氣體對(duì)斷裂韌性無(wú)影響。
SHANG等[3]研究發(fā)現(xiàn),低碳鋼會(huì)吸附天然氣中的CO2,且CO2和H2的相互作用會(huì)加速金屬的裂紋擴(kuò)展。MENG等[19]研究發(fā)現(xiàn),X80管線鋼對(duì)甲烷和H2混合氣體敏感,且敏感性隨著氫氣組分的增加而增加。為了減少氫對(duì)管線鋼的損傷,對(duì)含氫氣體環(huán)境改性的常用方法是使用抑制劑。在高純氫氣中,少量氧就會(huì)減緩材料的氫脆。KOMODA等[60]的研究證實(shí)在氧質(zhì)量濃度低于0.1 mg/L的氫氣混合氣體中,管線鋼的斷裂韌性顯著降低,添加100 mg/L氧氣可完全抑制氫引起的斷裂韌性退化。MICHLER等[61]研究了O2對(duì)高強(qiáng)度珠光體鋼和奧氏體鋼氫脆敏感性的影響,發(fā)現(xiàn)低壓氧的存在顯著降低了鋼的氫脆行為,其中氧分壓是氧抑制氫脆作用的主因,其次是溫度,溫度的降低和氫壓的升高會(huì)導(dǎo)致氧對(duì)氫脆抑制作用下降。SOMERDAY等[52]測(cè)試了O2對(duì)X52管線鋼FCGR的影響,發(fā)現(xiàn)在測(cè)試初期,鋼在高純氫氣和氫氧混合氣中的FCGR基本一致,之后隨著ΔK增加,裂紋擴(kuò)展突然加速。其中,裂紋開始加速擴(kuò)展的ΔK值隨著混合氣中氧含量的增加而增加。
3.2 控制氫含量和溫度
管線鋼的充氫時(shí)間,充氫方式及放置時(shí)間都會(huì)導(dǎo)致其中的氫含量不同,進(jìn)而造成管線鋼氫脆敏感性的差異[62]。ZHANG等[24]研究了氫分壓對(duì)管線鋼斷裂韌性和疲勞壽命的影響機(jī)理,結(jié)果顯示隨著氫壓的增加,氫滲透穩(wěn)態(tài)電流密度升高,即通過(guò)材料內(nèi)部的氫原子數(shù)量越來(lái)越多。根據(jù)前文所述的HEDE理論,氫會(huì)引降低材料的原子間結(jié)合力。因此,AN等[22]和ZHANG等[20]認(rèn)為X80鋼臨氫時(shí)裂紋擴(kuò)展速率取決于氫氣壓力,在裂紋尖端聚集的氫原子越多,越容易引起原子間的結(jié)合力降低。ZHOU等[63]研究表明,X80管線鋼的氫脆受內(nèi)部氫和表面吸收氫的影響,表面吸收氫因其有效氫濃度較高而起主要作用且氫脆主要由位錯(cuò)俘獲氫的行為決定。
溫度升高會(huì)導(dǎo)致氫的擴(kuò)散系數(shù)增大,溶解度下降,但目前關(guān)于溫度對(duì)管線鋼氫脆敏感性影響的認(rèn)識(shí)還不明確,有研究者認(rèn)為溫度升高會(huì)加速氫擴(kuò)散,降低位錯(cuò)捕氫能力,氫濃度達(dá)不到臨界值,低溫條件下,擴(kuò)散系數(shù)小,在形變過(guò)程中氫來(lái)不及擴(kuò)散富集,也不會(huì)造成氫脆,因此只有在一定的溫度范圍內(nèi),金屬才會(huì)有氫脆敏感性[64]。XU等[65]采用原位氣態(tài)氫滲透試驗(yàn)和SSRT,研究了X52管線鋼在20~60 ℃（天然氣管道常見(jiàn)工作溫度）的氫擴(kuò)散行為和氫脆敏感性,發(fā)現(xiàn)溫度的升高顯著提高了氫的擴(kuò)散速率,在2 MPa氫壓條件下,X52鋼的氫脆指數(shù)從20 ℃時(shí)的7.17%增加到60 ℃時(shí)的17.29%。XING等[66]研究了X90鋼氫脆與溫度的關(guān)系,結(jié)果表明,X90鋼的氫脆溫度閾值為313 K,超過(guò)該閾值,氫脆隨溫度升高而減弱,低于該閾值,氫脆隨溫度升高而增強(qiáng)。
3.3 增加管線鋼表面物理屏障
增加物理屏障即在金屬表面沉積涂層,可以顯著降低金屬的氫脆行為。涂層包括氧化物層如Al2O3、TiO2和Cr2O3等和電鍍層如Ni、Cd和Sn等,以及噴鍍層等如TiC、TiN、BN和WC等。在要保護(hù)的材料表面選擇合適的涂層來(lái)阻隔或降低外界氫介質(zhì)進(jìn)入材料內(nèi)部的過(guò)程包括降低材料表面活性以降低氫介質(zhì)在材料表面的吸附分解速率；抑制氫原子或離子在涂層內(nèi)部的擴(kuò)散等。SHI等[67]將碳注入管鋼表面預(yù)先沉積的鎳催化層中,然后退火離析形成多層石墨烯,SSRT結(jié)果表明,該涂層具有優(yōu)異的抗氫脆性,因?yàn)橥繉右种屏藲涞奈龀?延長(zhǎng)了擴(kuò)散路徑,減小了滲透面積,并增強(qiáng)了氫的吸附從而在相同外界條件下,減少進(jìn)入材料內(nèi)部的氫含量,降低材料的氫損傷程度。但是涂層也存在一定的缺陷,如孔洞、微裂紋等,這些缺陷區(qū)域易成為氫原子等進(jìn)入的快速通道,并產(chǎn)生氫致裂紋。噴丸處理也能提高材料的抗氫脆能力。噴丸技術(shù)是一種表面改性技術(shù),通過(guò)硬質(zhì)球在材料表面轟擊產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,延遲裂紋的萌生并阻礙裂紋的擴(kuò)展[68],噴丸處理增加了裂紋萌生需要的能量,并抑制了試樣內(nèi)己經(jīng)存在裂紋的擴(kuò)展。
3.4 避免應(yīng)力集中
應(yīng)力集中可能出現(xiàn)在管道的某些部分,如彎管、丁字支管和焊接接頭,應(yīng)力集中影響氫在管線鋼中的傳輸和分布,進(jìn)而影響鋼在含氫環(huán)境中的力學(xué)性能。缺口試樣是評(píng)價(jià)氫氣環(huán)境中應(yīng)力集中對(duì)鋼力學(xué)性能影響的有效工具。許多研究表明在氫和應(yīng)力集中的協(xié)同作用下,X70和X80管線鋼試樣的缺口尖端俘獲的氫最多,且并隨著Kt（應(yīng)力集中系數(shù)）的增加而增加[46,69-71]。ZHANG等研究表明,拉伸試驗(yàn)時(shí),試樣斷裂發(fā)生在Kt較低的缺口處,而在疲勞壽命試驗(yàn)期間,試樣在Kt較高的缺口處斷裂,雙缺口試樣的斷裂可能由塑性變形引起的應(yīng)力集中和應(yīng)變硬化引起,當(dāng)應(yīng)力處于較低水平時(shí),應(yīng)力集中效應(yīng)比應(yīng)變硬化更顯著,斷裂發(fā)生在應(yīng)力集中系數(shù)較高的位置。然而對(duì)于X80管線鋼等高強(qiáng)度鋼,當(dāng)應(yīng)力處于高水平時(shí),塑性變形導(dǎo)致應(yīng)變強(qiáng)化而使其強(qiáng)度更高。因此,在管線鋼使用前,材料設(shè)計(jì)必須適當(dāng),必須避免缺口、尖銳和規(guī)則變化,并在加工前消除殘余應(yīng)力。
4. 結(jié)束語(yǔ)
當(dāng)今世界,能源領(lǐng)域已經(jīng)形成煤炭、石油、天然氣、新能源“四分天下”的新格局,能源清潔化利用是趨勢(shì)[72]。氫能是一種無(wú)污染的能源,氫氣的燃燒能夠?qū)崿F(xiàn)碳的零排放,因而受到高度重視。目前較為高效和經(jīng)濟(jì)的氫能運(yùn)輸方式是將氫氣按照一定比例混入天然氣中,利用現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)進(jìn)行輸送。然而,管線鋼的氫脆問(wèn)題不容忽視,怎樣保證管道安全穩(wěn)定運(yùn)行,減少氫脆引起的材料性能下降,不發(fā)生因氫氣存在而導(dǎo)致管線發(fā)生斷裂的事故,是目前亟待解決的問(wèn)題。
基于國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研,詳細(xì)總結(jié)和討論了金屬氫脆機(jī)理,氣體氫和天然氣摻氫環(huán)境對(duì)管線鋼塑性韌性、疲勞性能的影響,并討論了管線鋼氫脆抑制方法的研究進(jìn)展。雖然目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了氫氣環(huán)境中管線鋼材料的氫相容性研究,但仍有許多技術(shù)和安全性方面的問(wèn)題制約了氫能經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,如對(duì)于HEDE機(jī)制,雖然已有理論計(jì)算數(shù)據(jù),但缺乏局部氫濃度和原子成鍵相互作用之間定量關(guān)系的試驗(yàn)證明；氫氣對(duì)管線鋼產(chǎn)生氫脆后力學(xué)性能的變化規(guī)律還不明了；目前還沒(méi)有能夠有效抑制或防止管線鋼氫脆發(fā)生的防護(hù)措施。因此,需建立起管線鋼發(fā)生氫脆的機(jī)制,同時(shí)對(duì)管線鋼與氫環(huán)境的相容性進(jìn)行充分評(píng)估,即對(duì)氫原子進(jìn)入材料內(nèi)部后,材料的力學(xué)性能發(fā)生的變化進(jìn)行充分研判。此外,還應(yīng)充分分析影響管線鋼氫脆行為的因素,以此為基礎(chǔ)尋求抑制管線鋼氫損傷的方法,為輸氫管道的安全運(yùn)行提供安全保障。
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