分享：温度与氢气压力对纯氢环境中X80钢断裂行为的影响

0. 引言
氢气输送是氢能利用中的重要环节。但是，由于氢原子的存在会使钢材发生脆化，在使用管道输送氢气或含氢介质时，管道用钢的塑性和疲劳强度会降低，甚至发生氢脆开裂，造成重大安全事故[1-2]。

影响管道用钢氢脆敏感性的因素很多，包括冶金因素和环境因素。对于混合氢气天然气管道，温度和氢气压力等运行工况对氢气与管道用钢之间的相互作用有显著影响[3-5]。MENG等[6]研究发现，X80管线钢在天然气/氢气混合物中易受氢诱导脆化，在总压力12 MPa条件下，随着氢分压增加，氢脆指数增大，疲劳裂纹扩展明显加速。AMARO等[7]研究发现，相比空气环境下，13.8 MPa高压氢气环境下X52钢和X100钢的断后伸长率均明显减小，韧性损失显著。ZHOU等[8]研究发现，在氢混天然气环境下，高氢分压会降低X80管线钢的力学性能。温度对氢脆的影响机制复杂，通常升高温度会促进钢表面氢原子的生成和扩散，从而加剧氢脆效应[9]，但同时温度的升高又会提高钢的断裂韧性。目前，普遍认为氢脆可以在一个宽泛的温度范围内发生，并且外部环境温度对于氢与材料表面的反应、氢的溶解度以及氢的扩散至关重要[10]。XING等[11]研究发现，在10，20 mA·cm−1电流密度下，X70钢发生氢脆的温度阈值分别为293，283 K，而当电流密度达到30 mA·cm−1时，未观察到明显的氢脆临界温度。WU等[12]研究发现，充氢后2205双相不锈钢的氢脆敏感性和氢脆层厚度均随温度的升高而减小。MOMOTANI等[13]研究发现，随着温度在0~100 ℃内降低，低碳马氏体钢的氢脆敏感性增加，而随着温度进一步下降至0 ℃以下，钢的氢脆敏感性反而减小。ZHANG等[14]研究发现，SUY、S15C、S35C碳钢的氢脆效应随着温度的降低先增强，在200 K左右达到最大，随后迅速下降。LI等[15]研究发现，随着温度的升高，钢中氢扩散速率和次表面氢浓度有所增加。

目前，研究多集中于钢材在液相环境下的氢脆性能，关于气相环境下温度对管线钢尤其是高钢级管线钢氢脆行为影响的研究较少，不同钢材在应用于氢气输送时的安全输送温度还需进一步确定[16]，并且氢气压力对管道用钢氢脆敏感性的影响规律以及发生氢脆的临界压力阈值尚不明确。X80钢具有较高的强度和较低的成本，被广泛用于油气输送管道[17]。作者对X80钢进行了不同氢气压力、温度下的纯氢环境慢应变速率拉伸试验，研究了氢气压力和温度对X80钢拉伸性能和氢脆敏感性的影响，结合断口形貌分析了影响机制，以期为输送氢气或含氢介质管道在不同工作温度下的安全性评估提供宝贵的试验数据，为管道的氢脆评估提供理论支撑。

1. 试样制备与试验方法
试验材料取自规格ϕ1 219 mm×22 mm的国产X80钢直缝管，主要化学成分（质量分数/%）为0.053C，0.14Si，1.65Mn，0.000 4S，0.009P，0.23Cr，0.11Mo，0.117Ni，0.034Al，0.012Cu，0.016Ti，0.044Nb，0.007V，符合API SPEC 5L—2018《管线钢管规范》要求。采用线切割在直缝管上切取尺寸为10 mm×15 mm×20 mm的试样，经粗磨、精磨和抛光后，使用体积分数3%~4%硝酸乙醇溶液腐蚀，用吹风机吹干，采用Imager. M1m型光学显微镜观察显微组织。由图1可见：X80钢组织较均匀，主要由针状铁素体（AF）和粒状贝氏体（GB）组成。针状铁素体具有较高的韧性，能够有效抑制裂纹扩展，使X80钢具有较好的抗氢脆性能[16]。


图 1 X80钢的显微组织

Figure 1. Microstructure of X80 steel

根据GB/T 34542.2—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》，沿X80钢管轴向取样，制取如图2所示的拉伸试样，采用JD350型表面粗糙度仪测得试样外表面和内表面的表面粗糙度均为0.8 μm，采用WDML-100型慢应变速率腐蚀试验机进行慢应变速率拉伸试验。用真空泵排除试验箱内部的空气，使用氮气置换试验箱及供氢管路系统中的气体，再用真空泵将氮气抽出，重复3次，确保试验箱中氧气、水蒸气等杂质气体排放干净后充入高纯（纯度99.999%）氢气，氢气压力分别为2.5，6.0，10.0 MPa；将试样在不同压力高纯氢气环境中静置24 h后进行慢应变速率拉伸试验，拉伸速度为0.01 mm·min−1，保压时间为30 min，试验温度分别为−2，23，48 ℃，做3次平行试验。在纯度99.999%的氮气环境中进行慢应变速率拉伸试验，以便计算氢脆指数[18-19]以量化氢脆敏感性。氢脆指数计算公式如下：

随着温度升高，X80钢的氢脆指数先增大后减小，氢脆敏感性先增大后减小，当温度为23 ℃时，氢脆指数最大，氢脆敏感性最强。这是因为低温下氢原子扩散慢，位错运动受限，氢脆敏感性低；随着温度初步提高，氢原子扩散加快，与位错交互作用增强，易形成氢-位错气团导致位错塞积，促进裂纹萌生和扩展，增强氢脆敏感性；当温度超过23 ℃后，氢原子易逸出导致有效氢浓度降低，且较高温度下钢塑性变形能力的增强可缓解应力集中，抑制裂纹扩展，因此氢脆敏感性降低[21-24]。

2.3 拉伸断口形貌
由图6可见：在温度48 ℃、气体压力10 MPa条件下，拉伸断裂处可以清楚观察到环向裂纹，这说明氢气的存在会增加钢的脆性，促进缺口处裂纹的萌生和扩展。

由图7可见：不同温度、氢气压力下，氢气环境中裂纹均直接在缺口或缺口附近产生，纤维区沿圆周分布，裂纹从拉伸断口表面向内部扩展，表现出明显的氢致损伤特征[25]，说明此处为与氢气直接接触并且加速聚集的位置。当温度一定时，在2.5 MPa氢气压力下，断口上分布有众多微孔；随着压力增至10.0 MPa，断口边缘外层表面产生次生裂纹，这可能是因为增加压力会促进氢渗入钢并集中在晶界交汇处或内部固有缺陷处，这加速了微小裂纹的萌生与扩展，进而导致断裂[26]。当氢气压力一定时，在−2 ℃温度下，拉伸断口凹凸不平，存在明显剪切唇；随着温度升至23 ℃，裂纹从缺口根部应力集中处萌生并快速扩展；当温度升至48 ℃时，断口裂纹萌生位置相对分散，不存在典型应力集中，这是因为进一步升高温度虽然加速了氢扩散但降低了氢在晶界的偏聚，从而降低了氢脆敏感性。

由图8可见：随着氢气压力增加，脆性区的面积增大且二次裂纹数量增多，说明材料的脆性增加。不同温度下，裂纹均在断面边缘萌生，随后扩展并断裂；当温度为−2 ℃时，氢致裂纹倾向于沿着晶粒内部（即穿晶）发展，同时在韧窝周围出现较小且平滑的过渡区域，呈现出准解理特征，为典型的脆性断裂特征；随着温度升高至23 ℃，裂纹扩展速率加快，二次裂纹数量增多，氢脆敏感性增大；随着温度进一步升高到48 ℃，断裂由脆性断裂转变为韧性断裂模式，裂纹扩展速率减缓[27]，部分韧窝变深。

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