摘要：氫氣長輸管道的鋼管材料在工作時(shí)會產(chǎn)生氫致失效現(xiàn)象，該現(xiàn)象受材料的組成元素、顯微組織和帶狀組織等影響較大，本文討論了輸氫管道失效的原因及影響管道的主要因素，并分析了鋼材的選用方向。

　　氫氣會對長期處于高溫高壓狀態(tài)下的管道產(chǎn)生氫損傷，進(jìn)而增加管道材料方面的失效風(fēng)險(xiǎn)。因此，氫氣長輸管道對鋼管的選材和處理工藝方面具有一定的要求。

　　輸氫管道失效通常由氫脆等四類問題引起

　　在氫氣長輸管道中，氫分子易與金屬反應(yīng)使管道失效。管道的氫致失效主要包括氫脆、氫致開裂、氫鼓泡、脫碳及氫腐蝕四類。

　　(1)氫脆現(xiàn)象易在低溫下形成，需在外力作用下表現(xiàn)出來。氫脆氫溶于鋼后，在鋼分子間聚集形成的氫分子，造成了局部的應(yīng)力集中，而當(dāng)應(yīng)力超過鋼的強(qiáng)度極限時(shí)，則會在鋼材的內(nèi)部形成細(xì)小裂紋，使鋼材易斷裂。當(dāng)溫度低于95℃時(shí)，氫脆現(xiàn)象易發(fā)生，當(dāng)溫度在95~230℃之間時(shí)，氫脆現(xiàn)象隨著升溫而下降，最終到230℃以上時(shí)，氫脆現(xiàn)象消失，且鋼材的強(qiáng)度越高越易引起氫脆。

　　(2)氫致開裂在金屬材料內(nèi)部缺陷處形成，不需要外力即可表現(xiàn)出來。其是由于進(jìn)入金屬材料內(nèi)部缺陷處的氫原子，聚集后產(chǎn)生內(nèi)壓，使金屬內(nèi)部形成裂紋且逐步擴(kuò)散至局部，從而形成材料斷裂等現(xiàn)象，整個(gè)過程完全由內(nèi)壓提供動力，而不需要施加應(yīng)力即可發(fā)生。

　　(3)氫鼓泡在金屬內(nèi)部微孔中形成，易發(fā)生在0~150℃溫度下。該類現(xiàn)象是由于氫原子擴(kuò)散到金屬內(nèi)部的微孔中后，聚集形成氫分子，在微孔內(nèi)部形成內(nèi)壓使金屬產(chǎn)生鼓包、甚至破裂的現(xiàn)象，其在0～150 ℃時(shí)較易發(fā)生。

　　(4)脫碳是鋼中碳元素和氫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，易發(fā)生在高溫環(huán)境下。鋼中的碳易和滲透進(jìn)入的氫原子，在高溫下反應(yīng)生產(chǎn)甲烷，使鋼脫碳后韌性下降、機(jī)械強(qiáng)度遭受破壞，該類機(jī)理多在高溫條件下發(fā)生。

　　合金元素及內(nèi)部顯微和帶狀組織是主要影響因素

　　目前業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為高壓氫氣對管道造成的損傷，主要受氫氣的壓力、純度、環(huán)境溫度、管道強(qiáng)度、變形速率和微觀組織等因素影響，與鋼材本身相關(guān)的主要為其本身的合金元素含量以及內(nèi)部的顯微和帶狀組織。

　　(1)影響材料特性的合金元素主要有碳、錳、磷、硫和鈣。碳是鋼材的主要固溶強(qiáng)化元素，其作用是使鋼在熱軋狀態(tài)下可以生成馬氏體組織(高強(qiáng)度和硬度)，其含量越高則鋼管的氫致裂紋(HIC)敏感性越大;錳和磷是鋼材的易偏析元素，在制造的過程中易在鋼板中心產(chǎn)生偏析，生成對氫致裂紋(HIC)較敏感的低溫轉(zhuǎn)變硬顯微組織帶;硫元素易使?jié)B入鋼材中的氫原子在硫化物的尖端處聚集，形成的氫內(nèi)壓誘發(fā)氫致裂紋;而鈣則具有較高的脫硫效果，可適當(dāng)增加降低硫元素產(chǎn)生的氫致效果。

　　(2)氫原子易在顯微組織及夾雜物處聚集形成內(nèi)壓破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于非金屬夾雜物在鋼材的加工過程中會被拉長，而其熱膨脹系數(shù)大于周圍的基體金屬，冷卻后會在其周圍產(chǎn)生不規(guī)則空隙，是滲入鋼材中氫原子的理想聚集地，進(jìn)而造成氫致現(xiàn)象。因此，控制非金屬夾雜物的形態(tài)、數(shù)量，以及降低偏析程度，即能減少氫原子聚集源，從而提高鋼材的抗裂紋能力。

　　(3)鋼材中帶狀組織處同樣較易偏析變形導(dǎo)致氫致作用，正火處理可提高抗氫致裂紋性能。在中、低強(qiáng)度的鋼材中，位于鐵素體相界面的珠光體條帶較易產(chǎn)生偏析。而隨著鋼材強(qiáng)度的提高、合金元素的進(jìn)一步增多，鋼材中的低溫轉(zhuǎn)換組織硬帶(錳、磷等元素的偏析帶)也隨之增多，為氫致裂紋(HIC)的擴(kuò)展提供了更多的場所。一般情況下，管道或板材均會存在帶狀組織，但是經(jīng)過正火處理，可顯著降低帶狀組織級別，明顯提高抗氫致裂紋(HIC)的性能。

　　低強(qiáng)度的無縫鋼管較為理想，但生產(chǎn)成本較高

　　影響選材的因素主要有鋼管的管型、鋼級和熱處理狀態(tài)三類。

　　(1)鋼管管型易采用無縫鋼管，減少氫脆的發(fā)生。若采用焊縫連接的鋼管，由于其焊縫部分強(qiáng)度比兩端要高，更易發(fā)生氫致失效現(xiàn)象。

　　(2)低強(qiáng)度鋼材的疲勞性能較高強(qiáng)度鋼材更優(yōu)越。一般的低強(qiáng)鋼，如API SPEC 5L PSL2 X52型號及以下的鋼材，在同樣的高壓下對氫脆較高級鋼材不敏感，更適合作為氫氣的輸送管道材料，在目前已有的實(shí)例中，較多采用 ASTM A106 B級、ASTM A53 B級及API SPEC 5L X42和X52(PSL2級)鋼管。

　　(3)焊接鋼管采用形變熱處理工藝、無縫鋼管采用淬火和回火組合工藝。形變熱處理主要用于焊接鋼管，該工藝處理后的產(chǎn)品可以獲得更高的強(qiáng)度、塑性和韌性，適用于微量元素強(qiáng)化的無縫鋼管和焊接鋼管;而淬火和回火的組合工藝僅適用于無縫鋼管的制造，目前該工藝的成本較高。

　　結(jié)論

　　氫氣會對長期處于高溫高壓狀態(tài)下的管道產(chǎn)生氫損傷，進(jìn)而增加管道材料方面的失效風(fēng)險(xiǎn);管道失效通常由氫脆、氫致失效、氫鼓包和脫碳四類問題引起;其中，合金元素及內(nèi)部顯微和帶狀組織是失效的主要影響因素;選用低強(qiáng)度的無縫鋼管是較為理想的氫氣管道材料，但目前該工藝的生產(chǎn)成本較高，可以以降低工藝成本為研發(fā)方向，作為輸氫管道大規(guī)模商用的技術(shù)儲備。