·536 工程科学学报，第39卷，第4期 继煤炭发电和煤制油之后的又一重要战略选择.煤制 但目前煤制气管道拟采用的X70管线钢属中高级管 天然气是把煤经过加压气化处理，通过制气、变换、净 线钢，高于国内外有文献记载的氢气管道规范要求，同 化等一系列化学过程，脱硫提纯制得的含有可燃成分 时现有规范只是针对H2及H2/C0混合的输配系统给 的气体四.受到生产工艺的限制，煤制气中含有一定 出了一些需要考虑的安全问题，针对氢气体积分数在 量的氢气，由于氢分子能够被材料表面吸附，进而分解 2%~6%之间的低含氢环境下管道的设计，目前还没 成吸附氢原子，并通过去吸附作用进入材料内部囚，会 有相应的参照标准.因此对于煤制气含氢环境下管道 导致管线在运行服役过程中存在氢脆失效的风险.现 母材及焊接区域进行适用性评价，对于保障输送安全， 有文献研究表明，X70、X80及更高级别的管线钢在气 有效地避免氢脆失效事故的发生，有着重要的意义. 态氢环境下会随着氢气分压的增加，断裂韧性降低，延 本文选用城镇燃气输送用X70管线钢，研究其在 伸率和断面收缩率降低-).特别是在焊接区域，受热 4MPa总压，0.2MPa氢气分压环境下的充氢过程，并 作用影响导致焊接接头出现严重的组织不均匀性，局 通过冲击韧性测试、裂纹扩展测试以及缺口拉伸和慢 部出现高硬度区及夹杂，对氢的敏感程度会相对增 应变速率拉伸测试技术，综合评价X70钢在实验环境 加@.目前，针对输氢管道，国际上制定了一些相应 下的氢脆敏感性，以及作为煤制气输送管道的适用性 的技术规范，如加拿大管道管理机构要求建于20世纪 1实验材料与方法 80年代的氢气管道应满足：材料级别不大于290（即 X42),设计系数小于0.6：韧性应比天然气管道的要求 实验材料选用城镇燃气输送X70钢管道，其化学 高30%且运行温度小于40℃，并同时要求管道中大 成分（质量分数，%)为：C0.066,Si0.23,Mn1.24, 于3MPa的压力波动次数小于每年100次.除此之 S0.012,P0.017,Mo0.14,Nh0.043,Cu0.031, 外，美国机械工程师学会规范《ASME B31.12 Hydrogen Ti0.012,Fe余量.母材和焊缝经体积分数4%硝酸乙 Piping and Pipelines》和EIGA(欧洲工业气体协会)规 醇溶液侵蚀后的组织形貌如图1所示，母材区主要组 范《Docl2l_04H2 Transportation Pipelines》、《Docl20_ 织为块状铁素体和条状铁素体组织，而焊缝区主要组 04 CARBON MONOXIDE AND SYNGAS PIPELINE SYS- 织为针状铁素体组织.模拟煤制气环境总压为4MPa, TEMS》也均对氢气输送管道管材的性能提出了要求. 其中氢气分压0.2MPa,其余为氮气 25m 图1X70钢金相组织.(a)母材：(b)焊缝 Fig.1 Metallographic structure of X70 steel:(a)base metal:(b)weld 液相氢渗透试验操作较为简单，且实验用材中的 0.5 mol.L-H,S0,+0.2g·L硫脲，同时施加密度为 氢扩散系数受充氢环境的影响极小，故本实验采用液 10mA·cm2的阴极充氢电流同时开始计时.测量阳极 相充氢环境中的氢渗透技术以测试实验用材中的氢扩 电流随时间的变化曲线（即氢渗透暂态曲线）.氢含量 散系数.该实验采用Devanathan-Stachurski双电解池， 测试样品为15mm×30mm×3mm的片状试样，采用 实验试样采用35mm×600μm的小乒乓球拍形状试 G4 Phonenix测氢仪分别测试原始试样以及在煤制气 样.实验前，用150、360°、800以及1200砂纸将试样 含氢环境下暴露30d后试样的可扩散氢含量，加热温 逐级打磨至足够光滑，用去离子水清洗干净后一侧镀 度到600℃. 镍.实验时将安装好的双电解池用高纯、2充分除氧， 拉伸试验参照ASTM G14298,其中，慢应变速率 然后再测试面一侧的电解池中注入500mL0.2mol· 拉伸试验采用光滑棒状拉伸试样，截面直径为5mm, L-NaOH溶液，将试样的测试面在300mVvs.SCE极 拉伸速率为1×10-6s;缺口拉伸试验采用预制缺口棒 化电位下钝化同时测试其氧化电流，当背景电流密度 状拉伸试验，缺口角度为60°，缺口处最小直径为 低于1uA·cm2后，立即向工作面一侧电解池中注入 6mm,拉伸速率为0.02mm"s'.试样均垂直于管道轴工程科学学报，第 39 卷，第 4 期 继煤炭发电和煤制油之后的又一重要战略选择． 煤制 天然气是把煤经过加压气化处理，通过制气、变换、净 化等一系列化学过程，脱硫提纯制得的含有可燃成分 的气体［1］． 受到生产工艺的限制，煤制气中含有一定 量的氢气，由于氢分子能够被材料表面吸附，进而分解 成吸附氢原子，并通过去吸附作用进入材料内部［2］，会 导致管线在运行服役过程中存在氢脆失效的风险． 现 有文献研究表明，X70、X80 及更高级别的管线钢在气 态氢环境下会随着氢气分压的增加，断裂韧性降低，延 伸率和断面收缩率降低［3--7］． 特别是在焊接区域，受热 作用影响导致焊接接头出现严重的组织不均匀性，局 部出现高硬度区及夹杂，对氢的敏感程度会相对增 加［8--10］． 目前，针对输氢管道，国际上制定了一些相应 的技术规范，如加拿大管道管理机构要求建于 20 世纪 80 年代的氢气管道应满足: 材料级别不大于 290 ( 即 X42) ，设计系数小于 0. 6; 韧性应比天然气管道的要求 高 30% 且运行温度小于 40 ℃，并同时要求管道中大 于 3 MPa 的压力波动次数小于每年 100 次． 除此之 外，美国机械工程师学会规范《ASME B31. 12 Hydrogen Piping and Pipelines》和 EIGA( 欧洲工业气体协会) 规 范《Doc121 _04 H2 Transportation Pipelines》、《Doc120 _ 04 CAＲBON MONOXIDE AND SYNGAS PIPELINE SYS￾TEMS》也均对氢气输送管道管材的性能提出了要求． 但目前煤制气管道拟采用的 X70 管线钢属中高级管 线钢，高于国内外有文献记载的氢气管道规范要求，同 时现有规范只是针对 H2及 H2 /CO 混合的输配系统给 出了一些需要考虑的安全问题，针对氢气体积分数在 2% ～ 6% 之间的低含氢环境下管道的设计，目前还没 有相应的参照标准． 因此对于煤制气含氢环境下管道 母材及焊接区域进行适用性评价，对于保障输送安全， 有效地避免氢脆失效事故的发生，有着重要的意义． 本文选用城镇燃气输送用 X70 管线钢，研究其在 4 MPa 总压，0. 2 MPa 氢气分压环境下的充氢过程，并 通过冲击韧性测试、裂纹扩展测试以及缺口拉伸和慢 应变速率拉伸测试技术，综合评价 X70 钢在实验环境 下的氢脆敏感性，以及作为煤制气输送管道的适用性． 1 实验材料与方法 实验材料选用城镇燃气输送 X70 钢管道，其化学 成分( 质 量 分 数，% ) 为: C 0. 066，Si 0. 23，Mn 1. 24， S 0. 012，P 0. 017，Mo 0. 14，Nb 0. 043，Cu 0. 031， Ti 0. 012，Fe 余量． 母材和焊缝经体积分数 4% 硝酸乙 醇溶液侵蚀后的组织形貌如图 1 所示，母材区主要组 织为块状铁素体和条状铁素体组织，而焊缝区主要组 织为针状铁素体组织． 模拟煤制气环境总压为 4 MPa， 其中氢气分压 0. 2 MPa，其余为氮气． 图 1 X70 钢金相组织． ( a) 母材; ( b) 焊缝 Fig． 1 Metallographic structure of X70 steel: ( a) base metal; ( b) weld 液相氢渗透试验操作较为简单，且实验用材中的 氢扩散系数受充氢环境的影响极小，故本实验采用液 相充氢环境中的氢渗透技术以测试实验用材中的氢扩 散系数． 该实验采用 Devanathan-Stachurski 双电解池， 实验试样采用 35 mm × 600 μm 的小乒乓球拍形状试 样． 实验前，用 150# 、360# 、800# 以及 1200# 砂纸将试样 逐级打磨至足够光滑，用去离子水清洗干净后一侧镀 镍． 实验时将安装好的双电解池用高纯 N2充分除氧， 然后再测试面一侧的电解池中注入 500 mL 0. 2 mol· L － 1 NaOH 溶液，将试样的测试面在 300 mV vs． SCE 极 化电位下钝化同时测试其氧化电流，当背景电流密度 低于 1 μA·cm － 2 后，立即向工作面一侧电解池中注入 0. 5 mol·L － 1H2 SO4 + 0. 2 g·L － 1 硫脲，同时施加密度为 10 mA·cm － 2的阴极充氢电流同时开始计时． 测量阳极 电流随时间的变化曲线( 即氢渗透暂态曲线) ． 氢含量 测试样品为 15 mm × 30 mm × 3 mm 的片状试样，采用 G4-Phonenix 测氢仪分别测试原始试样以及在煤制气 含氢环境下暴露 30 d 后试样的可扩散氢含量，加热温 度到 600 ℃ ． 拉伸试验参照 ASTM G142—98，其中，慢应变速率 拉伸试验采用光滑棒状拉伸试样，截面直径为 5 mm， 拉伸速率为 1 × 10 － 6 s; 缺口拉伸试验采用预制缺口棒 状拉伸 试 验，缺 口 角 度 为 60°，缺 口 处 最 小 直 径 为 6 mm，拉伸速率为 0. 02 mm·s － 1 ． 试样均垂直于管道轴 · 635 ·