表 1 試驗管段的基本信息
Table 1. Basic information of the experimental pipe sections
| 試樣編號 | 管件 | 測試部位 | 管件壁厚/mm |
|---|---|---|---|
| A | 直管 | 母材 | 9.10 |
| B | 直管 | （環）焊縫 | 9.10 |
| C | 彎管 | 母材 | 9.56 |
| D | 彎管 | （環）焊縫 | 9.56 |
分享：摻氫環境中在役X60管線鋼的氫脆敏感性
碳達峰和碳中和是我國能源發展面臨的重大挑戰，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，我國氫能產業已進入快速發展階段，城鎮用氫需求持續增長，而氫能規模化經濟安全輸送技術已成為制約產業發展的關鍵瓶頸[2-5]。在眾多氫能輸運方式中，管道輸運在大規模、長距離輸送場景下具有顯著優勢[6]。國際氫能委員會公布的調研結果顯示，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，將氫氣摻入現有天然氣管道進行輸送能大幅降低氫能輸運成本，并提高現役管輸系統的利用率。
當管道輸送氫氣或含氫介質時，氫會通過吸附和擴散的方式進入管材內部，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]發現少量氫氣即會大幅降低X80管線鋼的疲勞壽命，劉方等[14]發現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]在發現3%（質量分數）摻氫環境中，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，現有關于摻氫環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性研究仍較為缺乏[16]。在役管道受長期服役環境、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別于新建管道。為保障現役天然氣管網摻氫改造的安全可靠性，系統研究在役管道在摻氫環境中的氫脆機制，對確定現有管道摻氫輸送的臨界工況參數具有重要工程意義。
筆者系統開展了直管段、彎管段及其（環）焊縫在摻氫環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鍵力學指標的影響規律，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。由于管道經過不同等級地區，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）。
根據文獻[17]，在低運行壓力工況（<10 MPa）下，采用混合氣體（總壓環境）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，下同）H2（5%摻氫）環境中的氫脆行為，選用99.999%（體積分數）高純氫氣作為試驗介質，并以實驗室大氣環境作為對照基準。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境與空氣環境中的力學性能差異。
1.2 試驗方法
1.2.1 基礎性能測試
（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）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、熱影響區及焊縫中心，每個區域測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《氫氣儲存輸送系統第2部分：金屬材料與壓縮氫環境相容性試驗方法》，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境中試樣的斷口形貌進行系統觀察。
圖 1 光滑圓棒拉伸試樣示意
Figure 1. Schematic diagram of smooth round bar tensile test samples
2. 結果與討論
2.1 基礎性能
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《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》中關于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。組織均勻、晶粒細小的試樣通常表現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域與焊縫中心區域的硬度發現，焊縫中心區域因碳含量較高，珠光體含量增加，其硬度顯著高于母材區域，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，在輸氫環境中可能成為氫脆敏感區域。此外，焊縫中心區域硬度急劇升高，組織不均勻性會進一步增加氫脆敏感性，因此需重點關注該區域。
圖 4 試驗管段的硬度測試結果
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，在輸氫環境中需要更加關注其氫脆敏感性。
圖 5 試驗管段的沖擊韌性測試結果
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，冷彎過程中出現應變強化效應；彎管母材中較高的Mo含量產生了固溶強化作用。母材試樣的斷后伸長率普遍高于焊縫試樣，表現出更好的塑性。綜合力學性能分析結果，在輸氫工況下應特別關注彎管母材試樣的氫脆敏感性。
表 3 試驗管段的拉伸性能測試結果
Table 3. Tensile performance test results of the experimental pipe sections
| 試樣編號 | Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A/% |
|---|---|---|---|
| A | 550 | 498 | 22.3 |
| B | 559 | 495 | 18.5 |
| C | 617 | 543 | 22.3 |
| D | 556 | 526 | 16.0 |
2.2 氫脆敏感性
2.2.1 SSRT測試
由圖6可見：在空氣環境中，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。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）。
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(1) |
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(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生相對滑移，拉伸棒取自彎管外弧側，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生殘余應力，降低材料的塑性。兩種焊縫試樣在空氣環境中的力學性能差別不大。
表 4 試驗管段的SSRT結果
Table 4. SSRT results of the experimental pipe sections
| 力學性能 | 直管段母材試樣 | 直管段焊縫試樣 | 彎管段母材試樣 | 彎管段焊縫試樣 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 空氣 | 5%摻氫 | 空氣 | 5%摻氫 | 空氣 | 5%摻氫 | 空氣 | 5%摻氫 | |
| 斷面收縮率/% | 74.57 | 76.61 | 72.13 | 71.86 | 75.64 | 76.70 | 79.78 | 80.32 |
| 斷后伸長率/% | 21.07 | 20.96 | 17.15 | 16.75 | 18.34 | 18.04 | 17.48 | 17.64 |
| 抗拉強度/MPa | 569.17 | 553.75 | 577.81 | 576.25 | 608.76 | 607.23 | 535.50 | 520.70 |
采用試樣在含氫環境和惰性環境中相應力學性能的比值來評定其氫脆敏感性指數（I脆），見式（3）。
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|
(3) |
I脆越小，則表明在該環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
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：在兩種環境中，直管段母材試樣的斷口均發生明顯頸縮，斷口中心區域均呈現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%摻氫環境中，試樣斷口邊緣區域韌窩被拉長，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，這與拉伸試驗結果一致。
圖 8 直管段母材試樣在空氣及5%摻氫環境中經過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：在兩種環境中，直管段焊縫試樣均發生明顯頸縮，斷口中心區域呈等軸狀韌窩形貌，表現為典型的韌性斷裂。在空氣環境中，試樣斷口邊緣呈剪切韌窩特征，在5%摻氫環境中，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，這與拉伸試驗結果一致。
圖 9 直管段焊縫試樣在空氣及5%摻氫環境中經過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：在空氣環境中，彎管段母材試樣發生明顯頸縮，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果基本一致。
圖 10 彎管段母材試樣在空氣及5%摻氫環境中經過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生明顯頸縮，斷口中心區域呈等軸韌窩形貌，斷口邊緣也呈現韌窩特征；在5%摻氫環境中，試樣斷口也發生明顯頸縮，斷口中心區域呈等軸韌窩形貌，邊緣以拉長的韌窩為主，這與拉伸曲線測試結果基本一致。
圖 11 彎管段焊縫試樣在空氣及5%摻氫環境中經過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性能均滿足GB/T 9711-2017的規定，該管段母材的綜合性能優于（環）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5%環境中，直管段與彎管段的母材及焊縫試樣均表現出較低的氫脆敏感性，拉伸斷口呈現典型的韌性斷裂特征。5%摻氫環境未改變材料的斷裂機制，在此環境中，試樣的力學性能可滿足服役要求。
文章來源——材料與測試網
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