赵德辉等：管线钢在含氢气的煤制天然气中服役安全性评估 ·953· 而常规天然气通常不含H,、C0等还原性气体.SNG 常的输送管道，当有氢气存在时，会怎样呢？关于这个 中较高的氢气含量（体积分数最高可达6%），可能会 问题，目前尚未见相关报道 对产品后续的储存和输送带来较大的影响，因而需要 随着煤制天然气转化成功，在并入主管道进入千 对其长期服役的安全性进行评估.这也是制定煤制天 家万户之前，迫切需要对管道在低氢分压条件下的服 然气产品质量的行业标准，进而制定相关国家标准的 役安全性进行评估.工程上把材料的屈服强度σ，和服 必要理论基础. 役应力（或许用应）口]之比称为安全系数.本文 目前，我国西气东输一线的管道是X一70管线钢， 中，笔者借鉴工程服役应力安全系数的概念，用临界氢 大多数城市燃气管网用的是20钢.输气管道中如果 含量与实际氢含量之比作为氢含量安全系数，以评价 存在H,或H,S,则通过吸附和分解，原子氢可以进入 管线钢在含氢分压的煤制天然气中氢致开裂和氢损伤 管线钢，当进入的氢含量超过临界氢含量就会引起氢 的安全性，以期能够为煤制天然气并入管道和相关标 致开裂或氢损伤（氢鼓泡或微裂纹）回 准的制定提供参考和依据 关于管线钢的氢致开裂(HⅡC)和氢损伤，已有大 量文献资料可供稽查.不过已有的报道主要是管 1 实验思路及方法 线钢在电解充氢或者阴极保护等高氢环境下的结果 采用商用X-70钢和20钢的平板试样以及各自 如X-60管线钢在含水土壤中电解充氢时，氢致开裂 的焊接试样，两种钢的成分和母材力学性能见表1. 敏感性和由氢引起的表面膜致附加应力均随进入试样 表1实验用钢的主要成分（质量分数）和力学性能 中氢含量的对数而线性升高园.对于屈服强度为450 Table 1 Chemical composition and tensile properties of the tested steels MPa的管线钢（相当于X65),当试样中氢的平均质 质量分数/% o,1 量分数由2×10-6增加到2.5×10-6，疲劳裂纹尖端处 钢种 6/% C Mn MPa MPa 氢的质量分数由2.2×105增加到约7.5×105，即氢 X-700.0661.390.0080.002 522 578 18.2 的平均含量略有增加时，疲劳裂纹尖端处氢含量会产 200.140.470.0120.034260 365 40 生巨幅增加；且疲劳裂纹的扩展速率与裂纹尖端处氢 含量和应力场强度因子的乘积成正比，在氢气中的 试样共分三类：第一类是用于测量氢含量和观察 研究表明，对于带有单边缺口的拉伸试样，当氢气压力 氢损伤的平板金相试样(10mm×20mm×2mm),全部 在0.1~40MPa范围内逐渐升高时，X-70钢的断裂韧 为管线钢的基材，用维氏硬度仪打压痕点作为观察标 性随着氢压升高而降低可.当氢气压力为0.1MPa 记点.第二类是U型弯曲试样（弯曲前尺寸1.5mm× 时，断口与在空气中相近，呈韧窝状：但是当氢气压力 20mm×120mm),试样中间部分为焊接区，弯曲时弯 为0.6MP时，靠近缺口根部的断口已然呈现出明显 曲脊背线处于焊接区用来研究塑性变形条件下在低分 的准解理脆性特征；到40MPa时，断口脆性特征更明 压氢气中是否出现裂纹乃至断裂，以模拟管线弯头处. 显可.也就是说，0.6MPa的氢气环境已严重影响材料 U弯试样采用ASTM标准(G3097),在实验过程中一 应力集中处（即缺口根部）的变形行为和力学性能.管 直保持恒应变，用来观察应变状态下材料对低分压氢 线钢在硫化氢环境中氢致开裂现象就更加明显-) 气的敏感性.第三类是用于恒载荷实验的薄板拉伸试 在碳酸钠和碳酸氢钠的混合溶液中，X100和X80都表 样（标距部分1mm×5mm×15mm),该类试样的中间 现出明显的氢脆敏感性，且XI00氢脆敏感性更大园. 标距部分也包含焊接区，如图1所示.在不同的充氢 这些结果表明，无论环境中氢是以怎样的形式(H,或 条件（低分压氢气以及溶液中电解充氢）下同时施加 H)存在，只要是氢原子进入试样中，氢就会影响到材 恒定的载荷，模拟管线实际输送时受外力影响的状态， 料的力学性能.那么，对于没有应力集中的试样即正 以研究氢致延迟开裂性能.三类试样全部打磨至 a 90 焊接区 焊接区 120 21 绝缘垫幽 1.5 25 80 图1焊接U弯试样(a)和焊接拉伸试样(b)(单位：mm) Fig.I U bend welding specimen (a)and tensile welding specimen (b)(unit:mm)赵德辉等: 管线钢在含氢气的煤制天然气中服役安全性评估 而常规天然气通常不含 H2、CO 等还原性气体． SNG 中较高的氢气含量( 体积分数最高可达 6% ) ，可能会 对产品后续的储存和输送带来较大的影响，因而需要 对其长期服役的安全性进行评估． 这也是制定煤制天 然气产品质量的行业标准，进而制定相关国家标准的 必要理论基础． 目前，我国西气东输一线的管道是 X--70 管线钢， 大多数城市燃气管网用的是 20# 钢． 输气管道中如果 存在 H2或 H2 S，则通过吸附和分解，原子氢可以进入 管线钢，当进入的氢含量超过临界氢含量就会引起氢 致开裂或氢损伤( 氢鼓泡或微裂纹) ［2］． 关于管线钢的氢致开裂( HIC) 和氢损伤，已有大 量文献资料可供稽查［3--8］． 不过已有的报道主要是管 线钢在电解充氢或者阴极保护等高氢环境下的结果． 如 X--60 管线钢在含水土壤中电解充氢时，氢致开裂 敏感性和由氢引起的表面膜致附加应力均随进入试样 中氢含量的对数而线性升高［3］． 对于屈服强度为 450 MPa 的管线钢( 相当于 X--65) ，当试样中氢的平均质 量分数由 2 × 10 － 6增加到 2. 5 × 10 － 6，疲劳裂纹尖端处 氢的质量分数由 2. 2 × 10 － 5增加到约 7. 5 × 10 － 5，即氢 的平均含量略有增加时，疲劳裂纹尖端处氢含量会产 生巨幅增加; 且疲劳裂纹的扩展速率与裂纹尖端处氢 图 1 焊接 U 弯试样( a) 和焊接拉伸试样( b) ( 单位: mm) Fig． 1 U bend welding specimen ( a) and tensile welding specimen ( b) ( unit: mm) 含量和应力场强度因子的乘积成正比［4］． 在氢气中的 研究表明，对于带有单边缺口的拉伸试样，当氢气压力 在 0. 1 ～ 40 MPa 范围内逐渐升高时，X--70 钢的断裂韧 性随着 氢 压 升 高 而 降 低［5］． 当氢 气 压 力 为 0. 1 MPa 时，断口与在空气中相近，呈韧窝状; 但是当氢气压力 为 0. 6 MPa 时，靠近缺口根部的断口已然呈现出明显 的准解理脆性特征; 到 40 MPa 时，断口脆性特征更明 显［5］． 也就是说，0. 6 MPa 的氢气环境已严重影响材料 应力集中处( 即缺口根部) 的变形行为和力学性能． 管 线钢在硫化氢环境中氢致开裂现象就更加明显［6--7］． 在碳酸钠和碳酸氢钠的混合溶液中，X100 和 X80 都表 现出明显的氢脆敏感性，且 X100 氢脆敏感性更大［8］． 这些结果表明，无论环境中氢是以怎样的形式( H2 或 H + ) 存在，只要是氢原子进入试样中，氢就会影响到材 料的力学性能． 那么，对于没有应力集中的试样即正 常的输送管道，当有氢气存在时，会怎样呢? 关于这个 问题，目前尚未见相关报道． 随着煤制天然气转化成功，在并入主管道进入千 家万户之前，迫切需要对管道在低氢分压条件下的服 役安全性进行评估． 工程上把材料的屈服强度 σs和服 役应力( 或许用应力) ［σ］之比称为安全系数［9］． 本文 中，笔者借鉴工程服役应力安全系数的概念，用临界氢 含量与实际氢含量之比作为氢含量安全系数，以评价 管线钢在含氢分压的煤制天然气中氢致开裂和氢损伤 的安全性，以期能够为煤制天然气并入管道和相关标 准的制定提供参考和依据． 1 实验思路及方法 采用商用 X--70 钢和 20# 钢的平板试样以及各自 的焊接试样，两种钢的成分和母材力学性能见表 1． 表 1 实验用钢的主要成分( 质量分数) 和力学性能 Table 1 Chemical composition and tensile properties of the tested steels 钢种 质量分数/% C Mn P S σs / MPa σb / MPa δ /% X--70 0. 066 1. 39 0. 008 0. 002 522 578 18. 2 20# 0. 14 0. 47 0. 012 0. 034 260 365 40 试样共分三类: 第一类是用于测量氢含量和观察 氢损伤的平板金相试样( 10 mm × 20 mm × 2 mm) ，全部 为管线钢的基材，用维氏硬度仪打压痕点作为观察标 记点． 第二类是 U 型弯曲试样( 弯曲前尺寸 1. 5 mm × 20 mm × 120 mm) ，试样中间部分为焊接区，弯曲时弯 曲脊背线处于焊接区用来研究塑性变形条件下在低分 压氢气中是否出现裂纹乃至断裂，以模拟管线弯头处． U 弯试样采用 ASTM 标准( G30--97) ，在实验过程中一 直保持恒应变，用来观察应变状态下材料对低分压氢 气的敏感性． 第三类是用于恒载荷实验的薄板拉伸试 样( 标距部分 1 mm × 5 mm × 15 mm) ，该类试样的中间 标距部分也包含焊接区，如图 1 所示． 在不同的充氢 条件( 低分压氢气以及溶液中电解充氢) 下同时施加 恒定的载荷，模拟管线实际输送时受外力影响的状态， 以研究氢致 延 迟 开 裂 性 能． 三类试样全部打磨至 · 359 ·