劉天樂 付安慶 蘇航 陳廷樞 王超明 王邃

中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司油氣鉆采輸送裝備全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

摘要：通過對(duì)X52管線鋼在不同氫壓環(huán)境下進(jìn)行氣相氫慢速率拉伸試驗(yàn)、氣相氫滲透試驗(yàn)和氫含量測(cè)試，并結(jié)合拉伸斷口的微觀形貌分析，研究了純氫環(huán)境下X52管線鋼力學(xué)性能和氫滲透行為。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著氫壓的升高，X52管線鋼屈服強(qiáng)度略有降低，抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率均減小，氫脆敏感性增大；拉伸斷口由韌性斷裂向解理斷裂轉(zhuǎn)變；氫擴(kuò)散系數(shù)不變，氫滲透系數(shù)增大，氫含量增大。

關(guān)鍵詞：X52；氫脆；氫滲透

根據(jù)中國(guó)科學(xué)院金屬研究所和中國(guó)石油大學(xué)等對(duì)管線鋼的研究結(jié)果表明，氫氣的滲透和氫脆現(xiàn)象對(duì)管線鋼的性能有顯著影響，但對(duì)于不同氫壓下的具體機(jī)制和影響程度仍需進(jìn)一步探討。因此，進(jìn)一步研究管線鋼在不同氫壓環(huán)境下的性能表現(xiàn)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。本文旨在通過系統(tǒng)試驗(yàn)，深入評(píng)估X52管線鋼在不同氫壓環(huán)境下的適應(yīng)性。研究采用慢速率拉伸試驗(yàn)、氣相氫滲透試驗(yàn)和氫含量測(cè)試等試驗(yàn)方法，全面分析了X52管線鋼在純氫環(huán)境下的性能變化，以期為X52管線鋼在純氫輸送中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1  試驗(yàn)方法

1.1  試樣

實(shí)驗(yàn)材料為X52鋼，主要成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為： C 0.0890、Si 0.2800、Mn 0.9300、P 0.0062、S 0.0015、Cr 0.1963、Mo 0.0840、Ni 0.0206、Nb 0.0008、V 0.0032、Ti 0.0179、Cu 0.0070、B 0.0007，其余為Fe。金相組織為鐵素體和珠光體，晶粒度為9.0級(jí)。

1.2  慢速率拉伸試驗(yàn)

采用高溫高壓氣相氫慢速率拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試（圖 1），試樣沿管道縱向取樣，加工為板狀光滑試樣。試驗(yàn)環(huán)境介質(zhì)為H2，試驗(yàn)前分別使用N2和H2對(duì)釜體和管路各吹掃3遍，確保釜體中無(wú)其他雜質(zhì)成分影響試驗(yàn)結(jié)果。分別在氫氣壓力為2 MPa、4 MPa、6 MPa的條件下，以1×10-5 mm·s-1的速率進(jìn)行拉伸，用位移傳感器和載荷傳感器記錄數(shù)據(jù)，得到應(yīng)力—應(yīng)變曲線。試樣斷裂后使用掃描電子顯微鏡觀察斷口。測(cè)量試樣試驗(yàn)前后的尺寸，通過式（1）計(jì)算得到斷后延伸率，利用式（2）計(jì)算得到的氫脆敏感指數(shù)作為判斷材料氫脆程度的參數(shù)。

式中， ε為斷后延伸率，%；Lf 為試樣拉伸后標(biāo)距段長(zhǎng)度，mm；L0 為試樣拉伸前標(biāo)距段長(zhǎng)度，mm；H為氫脆敏感指數(shù)，%；εair 為試樣在空氣中拉伸的斷后延伸率，%；εf為試樣在氫氣環(huán)境中拉伸的斷后延伸率，%。

圖 1 高溫高壓氣態(tài)充氫慢拉伸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 

1.2  氣相氫滲透試驗(yàn)

采用高溫高壓氣相氫滲透裝置進(jìn)行試驗(yàn)（圖 2）。將試樣置于夾具內(nèi)，并將夾具放入加熱爐內(nèi)。充氫端為高壓氫氣，以模擬純氫管道真實(shí)環(huán)境；測(cè)氫端為四極桿質(zhì)譜儀，用于測(cè)定氫氣。將X52鋼切割成直徑20 mm、厚度2 mm的圓形薄片試樣，使用SiC砂紙打磨至2500#，進(jìn)行機(jī)械和電解拋光，去除表面殘余應(yīng)力。處理完后，使用酒精沖洗3次，風(fēng)干后放入干燥箱備用。試驗(yàn)前，將設(shè)備管路及腔體抽高真空，并使用氦氣檢漏。在充氫端使用氫氣吹掃，排除其他雜質(zhì)氣體成分對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。通入試驗(yàn)壓力的氫氣于預(yù)充罐，待預(yù)充罐內(nèi)壓力傳感器示數(shù)穩(wěn)定后，將氫氣通入充氫端腔體，達(dá)到試驗(yàn)壓力后開始試驗(yàn)。采用四極質(zhì)譜儀檢測(cè)并記錄氫氣滲透速率Q（mol/s）數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化。根據(jù)樣品有效滲透面積，計(jì)算樣品的氫滲透流流量J[mol/(m2·s)]。根據(jù)Sievert定律，氫滲透系數(shù)可表示為：

式中，Φ為氫滲透系數(shù)，mol·m-1·s-1·MPa-0.5；Jw 為穩(wěn)態(tài)氫滲透流量，mol·m-2·s-1；ι為樣品厚度，mm；P為滲透時(shí)氫氣壓力，MPa。

根據(jù)測(cè)量得到的氫滲透曲線，采用滯后時(shí)間法計(jì)算氫擴(kuò)散系數(shù)D：

式中，D為氫擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1；ι為樣品厚度，mm；tL 為特征時(shí)間，定義為 J＝0.617×J∞ 時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，s。

圖 2 高溫高壓氣態(tài)氫滲透實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 

1.3  氫含量測(cè)試

采用氫含量測(cè)試儀HTDS-003對(duì)X52管線鋼的氫含量進(jìn)行測(cè)定。將X52鋼切割成尺寸為20 mm×10 mm×3 mm的塊狀試樣，使用SiC砂紙打磨至2500#，進(jìn)行機(jī)械和電解拋光，去除表面殘余應(yīng)力，記錄試樣重量。分別在氫氣壓力為2 MPa、4 MPa、6 MPa的條件下對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)充氫，充氫時(shí)間為24 h。提前對(duì)測(cè)試儀器進(jìn)行氫氣標(biāo)定，以便于充氫完成后將試樣在1 min內(nèi)裝入設(shè)備并進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定溫度范圍為室溫至800℃，升溫速率為100℃/h。

2  結(jié)果與討論

2.1  慢速率拉伸

根據(jù)不同氫壓下X52管線鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，對(duì)應(yīng)不同氫壓下試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后延伸率和氫脆敏感指數(shù)（圖 3、表 1）可以看出，隨著氫壓不斷增大，試樣屈服強(qiáng)度略有降低、抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率均減小，氫脆敏感性增大。當(dāng)氫壓為6 MPa時(shí)，X52鋼氫脆敏感指數(shù)為20.88%。

圖 3 X52管線鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線 

表 1 X52管線鋼在不同氫壓下的力學(xué)參數(shù) 

分析斷口微觀形貌（圖 4），X52鋼在空氣環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)后斷口呈典型韌性斷裂特征，斷口中心呈等軸韌窩，韌窩大小不一。但隨著氫壓的上升，拉伸斷口由韌性斷裂向解理斷裂轉(zhuǎn)變，解理區(qū)域從外側(cè)向中心處延伸，出現(xiàn)解理臺(tái)階狀特征，與慢速率拉伸結(jié)果一致。

圖 4 X52管線鋼的斷口微觀形貌 

2.2  氣相氫滲透

結(jié)合不同氫壓下氣相氫滲透曲線（圖 5），測(cè)氫端氫氣的信號(hào)隨著氫壓的升高而增大。開始測(cè)試時(shí)材料的氫氣信號(hào)快速增長(zhǎng)，隨后增速降低，最后趨于一個(gè)穩(wěn)定值，此時(shí)氫滲透達(dá)到平衡。計(jì)算得到材料的氣相氫滲透的動(dòng)力學(xué)參數(shù)（表 2）。氫在材料中的行為受到多因素影響，分為材料本身特性和環(huán)境因素。其中材料本身特征為表面粗糙度、組織均勻性等。本次試驗(yàn)前對(duì)試樣進(jìn)行打磨拋光處理，且金相組織均勻，故氫擴(kuò)散行為結(jié)果的差異性主要與環(huán)境因素有關(guān)。隨著氫壓的增大，試樣表面接觸的氫氣分子濃度增大，導(dǎo)致氫滲透系數(shù)Φ增大，氫擴(kuò)散系數(shù)D不變。因此，氫分壓對(duì)氫滲透系數(shù)Φ有影響。

圖 5 X52管線鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線 

表 2 X52管線鋼不同氫壓下氣相氫滲透動(dòng)力學(xué)參數(shù)

2.3  氫含量

當(dāng)氫壓為2 MPa、4 MPa、6 MPa時(shí)X52管線鋼對(duì)應(yīng)的氫含量分別為0.3545 ppm、0.4118 ppm、0.5214 ppm。X52管線鋼中的氫脫附溫度范圍主要為25℃～200℃，說明氫主要存在于金屬的晶格間隙。隨著氫壓的升高，進(jìn)入鋼中的氫含量增加，從而影響材料的力學(xué)行為，這與慢速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果一致。

3  結(jié)論與展望

（1）對(duì)比2 MPa、4 MPa、6 MPa氫壓下的慢速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果，X52管線鋼的屈服強(qiáng)度略有降低，抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率均減小，氫脆敏感性增大，氫脆敏感指數(shù)分別為8.08%、20.63%、26.88%。

（2）X52鋼在空氣環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)后斷口呈典型韌性斷裂特征，斷口中心呈等軸韌窩，韌窩大小不一。但隨著氫壓的上升，拉伸斷口由韌性斷裂向解理斷裂轉(zhuǎn)變，解理區(qū)域從外側(cè)向中心處延伸，出現(xiàn)解理臺(tái)階狀特征。

（3）隨著氫壓的增大，X52管線鋼的氫滲透系數(shù)和氫擴(kuò)散系數(shù)均增大。X52管線鋼中的氫主要存在于晶格間隙，隨著氫壓的增大，鋼中進(jìn)入的氫更多。

本文對(duì)純氫環(huán)境下X52管線鋼的氫損傷進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但實(shí)際上管道在服役過程中還受到應(yīng)力作用的影響，后續(xù)應(yīng)開展在純氫環(huán)境下受應(yīng)力加載作用的X52管線鋼的氫損傷相關(guān)研究工作。

作者簡(jiǎn)介：劉天樂，1996年生，工程師，碩士學(xué)歷，主要從事金屬氫損傷和腐蝕防護(hù)研究工作。聯(lián)系方式：18691121354，liutianle01@cnpc.com.cn。