·538· 工程科学学报，第39卷，第4期 氢浓度比值， 氢浓度比值 CC/101 CC10- 0.5 10.00 0.5 ■100000 9.99 (b) 0.4 9.98 0.4 10.0000 9.97 9.9999 0.3 9.96 0.3 9.95 9.9999 0.2 9.94 0.2 9.93 9.9998 9.92 0.1 9.9997 9.91 00.20.40.6081.01.21.41.61.8 2.0 00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0 x/mm x/mm 图3X70钢暴露不同时间后的氢浓度分布.(a)10h:(b)100h Fig.3 Hydrogen concentration distribution of X70 steel after different exposure times:(a)10h:(b)100h 到表面四.因此在煤制气较低的氢分压环境下，也能 400 有一定量的氢原子进入到了X70钢中. 空气环境中的原始状态 350 暴露于煤制气环境30d 表1X70钢可扩散氢含量测试结果 300 Table 1 Test results for the diffusion hydrogen content of X70 steel 250 原始氢质量 浸泡100h后氢质量 试样 分数108 分数10-8 200 1# 1 18 150 2# 2 20 100 3* 18 50 平均值 2 19 母材 焊缝 2.2含氢环境下不同力学性能测试 试样 由2.1节可知，X70钢在模拟煤制气环境下暴露 图4XT0钢在含氢煤制气环境下浸泡前后的冲击功 100h,内部的可扩散氢质量分数由2×10-增加为 Fig.4 Impact energy of X70 steel in air and coal gas containing hy- 1.9×10”,说明煤制气环境所提供的氢源能够扩散进 drogen environment 入材料并在内部积累.本节从冲击韧性、缺口拉伸、慢 应变拉伸和裂纹扩展几个角度分析进入材料内部的氢 X70钢裂纹扩展的影响，对预制裂纹的双悬臂梁试样 对X70钢力学性能产生的影响，分析其在实验煤制气 进行恒位移加载，由于管壁厚度限制，样品无法满足平 含氢环境下的氢脆敏感性，并评价适用性. 面应变状态，在空气中加载时裂纹尖端会先发生屈服. 分别测试X70钢在空气环境中的原始冲击功和 而一旦裂尖发生屈服，会释放掉部分形变力并在裂尖 在4MPa总压，0.2MPa氢气分压的模拟煤制气环境暴 产生塑性区，且塑性区会阻碍裂纹的扩展.为了保持 露30d后的冲击功，测试温度均为0℃，每种条件采用 裂纹尖端最大的约束，加载时根据样品的应力一应变 5个平行试样，测试结果如图4所示.从测试结果可以 曲线加载到裂尖屈服前的最大位移处.将样品放入含 看出，焊缝的冲击功较母材相比明显下降，说明焊缝区 氢煤制气环境下暴露30d,实验前后裂纹微观形貌如 材料相对较脆。不同取样位置的样品其原始冲击韧性 图5和图6所示，从图中可以看出，含氢环境下焊缝和 与在煤制气环境下暴露30d的冲击韧性相差不大，而 母材样品的裂尖均未向前扩展，Somerday等的研究 且该差值在试样测试误差内，这一现象说明煤制气环 也得到了类似的结果.有研究结果表明裂纹扩展面上 境下暴露30d进入的氢，对材料抵抗快速冲击载荷能 形成的氧化物会阻碍氢吸附和扩散行为，从而减弱了 力的影响并不显著 氢致裂纹扩展行为4.结合试验管道用材的服役环 金属处于负载状态时，氢形成的应变场会与外应 境，现场管道的设计系数为0.72，服役应力低于屈服 力场发生相互作用，当金属中存在应力梯度时，氢会通 强度，因此该含氢环境未对实验壁厚的X70钢管道的 过应力诱导扩散，在高应力区富集。当富集的氢浓度 损伤容限产生影响 达到一定值后，会引起氢致裂纹的形核和扩展，整个过 在含氢条件下的缺口拉伸和慢应变拉伸测试是研 程存在一定的滞后时间.为了观察静载荷作用下氢对 究氢脆敏感性较为苛刻的手段，其中缺口拉伸试样预工程科学学报，第 39 卷，第 4 期 图 3 X70 钢暴露不同时间后的氢浓度分布． ( a) 10 h; ( b) 100 h Fig． 3 Hydrogen concentration distribution of X70 steel after different exposure times: ( a) 10 h; ( b) 100 h 到表面［2］． 因此在煤制气较低的氢分压环境下，也能 有一定量的氢原子进入到了 X70 钢中． 表 1 X70 钢可扩散氢含量测试结果 Table 1 Test results for the diffusion hydrogen content of X70 steel 试样 原始氢质量 分数/10 － 8 浸泡 100 h 后氢质量 分数/10 － 8 1# 1 18 2# 2 20 3# 2 18 平均值 2 19 2. 2 含氢环境下不同力学性能测试 由 2. 1 节可知，X70 钢在模拟煤制气环境下暴露 100 h，内部的可扩散氢质 量 分 数 由 2 × 10 － 8 增加 为 1. 9 × 10 － 7，说明煤制气环境所提供的氢源能够扩散进 入材料并在内部积累． 本节从冲击韧性、缺口拉伸、慢 应变拉伸和裂纹扩展几个角度分析进入材料内部的氢 对 X70 钢力学性能产生的影响，分析其在实验煤制气 含氢环境下的氢脆敏感性，并评价适用性． 分别测试 X70 钢在空气环境中的原始冲击功和 在 4 MPa 总压，0. 2 MPa 氢气分压的模拟煤制气环境暴 露 30 d 后的冲击功，测试温度均为 0 ℃，每种条件采用 5 个平行试样，测试结果如图 4 所示． 从测试结果可以 看出，焊缝的冲击功较母材相比明显下降，说明焊缝区 材料相对较脆． 不同取样位置的样品其原始冲击韧性 与在煤制气环境下暴露 30 d 的冲击韧性相差不大，而 且该差值在试样测试误差内，这一现象说明煤制气环 境下暴露 30 d 进入的氢，对材料抵抗快速冲击载荷能 力的影响并不显著． 金属处于负载状态时，氢形成的应变场会与外应 力场发生相互作用，当金属中存在应力梯度时，氢会通 过应力诱导扩散，在高应力区富集． 当富集的氢浓度 达到一定值后，会引起氢致裂纹的形核和扩展，整个过 程存在一定的滞后时间． 为了观察静载荷作用下氢对 图 4 X70 钢在含氢煤制气环境下浸泡前后的冲击功 Fig． 4 Impact energy of X70 steel in air and coal gas containing hy￾drogen environment X70 钢裂纹扩展的影响，对预制裂纹的双悬臂梁试样 进行恒位移加载，由于管壁厚度限制，样品无法满足平 面应变状态，在空气中加载时裂纹尖端会先发生屈服． 而一旦裂尖发生屈服，会释放掉部分形变力并在裂尖 产生塑性区，且塑性区会阻碍裂纹的扩展． 为了保持 裂纹尖端最大的约束，加载时根据样品的应力--应变 曲线加载到裂尖屈服前的最大位移处． 将样品放入含 氢煤制气环境下暴露 30 d，实验前后裂纹微观形貌如 图 5 和图 6 所示，从图中可以看出，含氢环境下焊缝和 母材样品的裂尖均未向前扩展，Somerday 等［13］的研究 也得到了类似的结果． 有研究结果表明裂纹扩展面上 形成的氧化物会阻碍氢吸附和扩散行为，从而减弱了 氢致裂纹扩展行为［14--15］． 结合试验管道用材的服役环 境，现场管道的设计系数为 0. 72，服役应力低于屈服 强度，因此该含氢环境未对实验壁厚的 X70 钢管道的 损伤容限产生影响． 在含氢条件下的缺口拉伸和慢应变拉伸测试是研 究氢脆敏感性较为苛刻的手段，其中缺口拉伸试样预 · 835 ·