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 ·957 由表3中的数据可见，20钢发生氢损伤的门槛氢 50) 质量分数为3.51×10，发生氢致延迟开裂的门槛氢 Chu W Y,Qiao LJ,Li J X,et al.Hydrogen Embrittlement and 质量分数为2.07×106，下降率约为41%.但是，X- Stress Corrosion Cracking.Beijing:Science Press,2013:116, 368 70钢则由2.83×10-6下降到0.92×106，下降率达 (褚武扬，乔利杰，李金许，等氢脆和应力腐蚀.北京：科学 67%.这就是说，X-70钢较20钢，发生氢损伤和氢致 出版社，2013：116,368) 延迟开裂都更容易，但是发生后者即延迟开裂的容易 B3]Pan B W,Li J X.Su Y J,et al.The role of hydrogen in stress 程度“更更明显”.这完全符合“钢的强度越高，氢脆 corrosion cracking of pipeline steel in soil containing water.Corro- 敏感性越大”的规律.进一步对比发现，随着钢种强度 s0n,2012,68(11):1029 4]Dmytrakh I M,Smiyan O D.Syrotyuk A M,et al.Relationship 级别的提高，发生氢损伤的门槛氢质量分数和发生延 between fatigue crack growth behaviour and local hydrogen concen- 迟开裂的门槛氢质量分数之比0./心.逐步增加，如表3 tration near crack tip in pipeline steel.Int J Fatigue,2013,50 中第5列.这表明某些高强度级别的合金钢，即使耐 (6):26 氢损伤的能力比较强（即心高），但其耐氢致延迟开裂 [5]Alvaro A,Olden V.Macadre A,et al.Hydrogen embrittlement 的性能也可能会比较低（即心.很小），如马氏体时效 susceptibility of a weld simulated X70 heat affected zone under H2 钢的氢损伤的门槛氢质量分数w。=14.3×10-6,而氢 pressure.Mater Sci Eng A,2014,597(12)29 致延迟开裂门槛氢质量分数0.仅为0.4×10-6，二者 [6]Li M,Li X G,Chen G,et al.Experimental investigation on sul- fide stress corrosion cracking of 16Mn hydrogen-induced cracking 比值高达到35.上述结果意味着耐氢损伤安全系数可 resistance steel.J Univ Sci Technol Beijing,2007,29(3):282 能会达到耐氢致开裂安全系数的数十倍，但此时高的 (李明，李晓刚，陈钢，等.16M(HIC)钢硫化物应力腐蚀开裂 氢损伤安全系数并不具有安全意义，这也正是超高强 实验研究.北京科技大学学报，2007,29(3)，282) 度钢服役时更关心其氢致延迟开裂性能的原因.所 Li M,Li X G,Chen G,et al.Influencing factors of hydrogen dif- 以，工程材料在氢环境下服役时，要进行氢致延迟开裂 fusion in hydrogen sulfide environment.IUnir Sci Technol Bei- 的评估而不是氢损伤的评估 jimg,2007,29(1):39 (李明，李晓刚，陈钢，等.硫化氢环境下氢扩散的影响因素 4结论 北京科技大学学报，2007,29(1)：39) 8]Arafin M A,Szpunar J A.Effect of bainitic microstructure on the 氢致开裂(HⅡC)是造成管线钢腐蚀破坏的主要形 susceptibility of pipeline steels to hydrogen induced cracking. 式之一，它往往造成管线开裂事故.煤制天然气中含 Mater Sci Eng A,2011,528(15):4927 有的少量氢气可能会对管道的输送安全带来潜在的威 9]Gu X Q,Liu SQ.Engineering Mechanies I.Beijing:Mechanical 胁.本文主要研究X-70钢和20钢在总压为12MPa、 Industry Press,2006 氢分压为0.72MPa的氮、氢混合气体中能否发生氢损 (顾晓勒，刘申全.工程力学上北京：机械工业出版社， 2006) 伤和延迟开裂，并评估长期服役的安全性，结论如下， [10]Olden V,Alvaro A,Akselsen O M.Hydrogen diffusion and hy- (1)X-70钢和20钢金相试样在10MPaN2+2 drogen influenced critical stress intensity in an API X70 pipeline MPaH,中放置一个月，不出现氢损伤：U弯试样不产 steel welded joint:experiments and FE simulations.Int Hydro- 生氢致开裂：外加载荷为σ，时不发生氢致延迟断裂. gen Energy,2012,37(15):11474 参照API试验标准推断，X-70钢和20钢在煤制天然 [11]Chen Y X,Chang QG.Effect of traps on diffusivity of hydrogen 气中长期服役不会发生氢致开裂及氢损伤： in 20 g clean steel.Acta Metall Sin,2011,47(5):548 (陈业新，常庆刚.20g纯净钢中氢陷阱对氢扩散系数的作 (2)X-70钢和20°钢在模拟煤制天然气中长期服 用.金属学报，2011,47(5)：548) 役时进入的氢质量分数心远小于外加载荷为σ，时的 [12]Ren X C,Chu W Y,Su Y J,et al.The effects of atomic hydro- 氢致开裂门槛氢质量分数心，更远低于出现氢损伤的 gen and flake on mechanical properties of a tyre steel.Mater Sci 门槛氢质量分数心.借用工程服役应力安全系数的概 EngA,2008,491:164 念，X-70管线钢和20”钢不发生氢致开裂的安全系数 D3] Chu W Y,Li J X,Huang Z H,et al.Hydrogen embrittlement of 分别为4.6和6.9，不发生氢损伤的安全系数更大.因 rail steels.Corrosion,1999,55:892 [14]Chu W Y,Qiao L J,Wang Y B,et al.Quantitative study for 此X-70钢和20钢在煤制天然气中长期服役具有高 sulfide stress corrosion cracking of tubular steel.Corrosion, 的抗氢损伤和氢致开裂安全系数. 1999,55(7):667 [15]Zhang P.Hydrogen Embrittlement and in Situ SEM Obserration of 参考文献 the Deformation Process in Maraging Steel [Dissertation].Bei- [1]Gu H W,Xing X Y.The prospects of coal-to-ature gas.Coal jing:University of Science and Technology Beijing,2011 Qual Technol,2011(3)50 (张平.马氏体时效钢形变开裂原位观察与氢脆性能研究[学 (谷红伟，邢秀云.煤制天然气展望.煤质技术，2011(3)： 位论文].北京：北京科技大学，2011)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 由表 3 中的数据可见，20# 钢发生氢损伤的门槛氢 质量分数为 3. 51 × 10 － 6，发生氢致延迟开裂的门槛氢 质量分数为 2. 07 × 10 － 6，下降率约为 41% ． 但是，X-- 70 钢则由 2. 83 × 10 － 6 下降到 0. 92 × 10 － 6，下降率达 67% ． 这就是说，X--70 钢较 20# 钢，发生氢损伤和氢致 延迟开裂都更容易，但是发生后者即延迟开裂的容易 程度“更更明显”． 这完全符合“钢的强度越高，氢脆 敏感性越大”的规律． 进一步对比发现，随着钢种强度 级别的提高，发生氢损伤的门槛氢质量分数和发生延 迟开裂的门槛氢质量分数之比 wc /wth逐步增加，如表 3 中第 5 列． 这表明某些高强度级别的合金钢，即使耐 氢损伤的能力比较强( 即 wc高) ，但其耐氢致延迟开裂 的性能也可能会比较低( 即 wth很小) ，如马氏体时效 钢的氢损伤的门槛氢质量分数 wc = 14. 3 × 10 － 6，而氢 致延迟开裂门槛氢质量分数 wth仅为 0. 4 × 10 － 6，二者 比值高达到 35． 上述结果意味着耐氢损伤安全系数可 能会达到耐氢致开裂安全系数的数十倍，但此时高的 氢损伤安全系数并不具有安全意义，这也正是超高强 度钢服役时更关心其氢致延迟开裂性能的原因． 所 以，工程材料在氢环境下服役时，要进行氢致延迟开裂 的评估而不是氢损伤的评估． 4 结论 氢致开裂( HIC) 是造成管线钢腐蚀破坏的主要形 式之一，它往往造成管线开裂事故． 煤制天然气中含 有的少量氢气可能会对管道的输送安全带来潜在的威 胁． 本文主要研究 X--70 钢和 20# 钢在总压为 12 MPa、 氢分压为 0. 72 MPa 的氮、氢混合气体中能否发生氢损 伤和延迟开裂，并评估长期服役的安全性，结论如下． ( 1) X--70 钢和 20# 钢金相试样在 10 MPa N2 + 2 MPa H2中放置一个月，不出现氢损伤; U 弯试样不产 生氢致开裂; 外加载荷为 σs时不发生氢致延迟断裂． 参照 API 试验标准推断，X--70 钢和 20# 钢在煤制天然 气中长期服役不会发生氢致开裂及氢损伤． ( 2) X--70 钢和 20# 钢在模拟煤制天然气中长期服 役时进入的氢质量分数 wH远小于外加载荷为 σs时的 氢致开裂门槛氢质量分数 wth，更远低于出现氢损伤的 门槛氢质量分数 wc ． 借用工程服役应力安全系数的概 念，X--70 管线钢和 20# 钢不发生氢致开裂的安全系数 分别为 4. 6 和 6. 9，不发生氢损伤的安全系数更大． 因 此 X--70 钢和 20# 钢在煤制天然气中长期服役具有高 的抗氢损伤和氢致开裂安全系数． 参 考 文 献 ［1］ Gu H W，Xing X Y． The prospects of coal-to-nature gas． Coal Qual Technol，2011( 3) : 50 ( 谷红伟，邢秀云． 煤制天然气展望． 煤质技术，2011 ( 3) : 50) ［2］ Chu W Y，Qiao L J，Li J X，et al． Hydrogen Embrittlement and Stress Corrosion Cracking． Beijing: Science Press，2013: 116， 368 ( 褚武扬，乔利杰，李金许，等． 氢脆和应力腐蚀． 北京: 科学 出版社，2013: 116，368) ［3］ Pan B W，Li J X，Su Y J，et al． The role of hydrogen in stress corrosion cracking of pipeline steel in soil containing water． Corro￾sion，2012，68( 11) : 1029 ［4］ Dmytrakh I M，Smiyan O D，Syrotyuk A M，et al． Ｒelationship between fatigue crack growth behaviour and local hydrogen concen￾tration near crack tip in pipeline steel． Int J Fatigue，2013，50 ( 6) : 26 ［5］ Alvaro A，Olden V，Macadre A，et al． Hydrogen embrittlement susceptibility of a weld simulated X70 heat affected zone under H2 pressure． Mater Sci Eng A，2014，597( 12) : 29 ［6］ Li M，Li X G，Chen G，et al． Experimental investigation on sul￾fide stress corrosion cracking of 16Mn hydrogen-induced cracking resistance steel． J Univ Sci Technol Beijing，2007，29( 3) : 282 ( 李明，李晓刚，陈钢，等． 16Mn( HIC) 钢硫化物应力腐蚀开裂 实验研究． 北京科技大学学报，2007，29( 3) ，282) ［7］ Li M，Li X G，Chen G，et al． Influencing factors of hydrogen dif￾fusion in hydrogen sulfide environment． J Univ Sci Technol Bei￾jing，2007，29( 1) : 39 ( 李明，李晓刚，陈钢，等． 硫化氢环境下氢扩散的影响因素． 北京科技大学学报，2007，29( 1) : 39) ［8］ Arafin M A，Szpunar J A． Effect of bainitic microstructure on the susceptibility of pipeline steels to hydrogen induced cracking． Mater Sci Eng A，2011，528( 15) : 4927 ［9］ Gu X Q，Liu S Q． Engineering Mechanics I． Beijing: Mechanical Industry Press，2006 ( 顾晓 勤，刘 申 全． 工 程 力 学 I． 北 京: 机械工业出版社， 2006) ［10］ Olden V，Alvaro A，Akselsen O M． Hydrogen diffusion and hy￾drogen influenced critical stress intensity in an API X70 pipeline steel welded joint: experiments and FE simulations． Int J Hydro￾gen Energy，2012，37( 15) : 11474 ［11］ Chen Y X，Chang Q G． Effect of traps on diffusivity of hydrogen in 20 g clean steel． Acta Metall Sin，2011，47( 5) : 548 ( 陈业新，常庆刚． 20 g 纯净钢中氢陷阱对氢扩散系数的作 用． 金属学报，2011，47( 5) : 548) ［12］ Ｒen X C，Chu W Y，Su Y J，et al． The effects of atomic hydro￾gen and flake on mechanical properties of a tyre steel． Mater Sci Eng A，2008，491: 164 ［13］ Chu W Y，Li J X，Huang Z H，et al． Hydrogen embrittlement of rail steels． Corrosion，1999，55: 892 ［14］ Chu W Y，Qiao L J，Wang Y B，et al． Quantitative study for sulfide stress corrosion cracking of tubular steel． Corrosion， 1999，55( 7) : 667 ［15］ Zhang P． Hydrogen Embrittlement and in Situ SEM Observation of the Deformation Process in Maraging Steel ［Dissertation］． Bei￾jing: University of Science and Technology Beijing，2011 ( 张平． 马氏体时效钢形变开裂原位观察与氢脆性能研究［学 位论文］． 北京: 北京科技大学，2011) · 759 ·