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 955 近的形貌没有明显变化，没有发现氢鼓泡和微裂纹. 和微裂纹.20钢也一样，没有可见的变化.图中的黑 除了观察金相试样的表面外，在标记点附近对试样进 点可能是试样制备过程或实验过程中造成的，没有什 行垂直切割，并进行剖面观察，也没有发现任何氢鼓泡 么意义，可以忽略 200um 200m 图4X-70钢在10MPaN2+2MPaH2中放置一个月前(a)、后(b)标记点附近的形貌 Fig.4 Morphology around the mark point of X-70 pipeline steel before (a)and after (b)placing in 10 MPa N2 +2 MPa H2 for one mouth X-70钢和20钢焊接U弯试样在10MPaN2+2 氢质量分数和不发生氢致开裂的最大氢质量分数的平 MPaH,高压釜中放置一个月，弯曲应变面上不存在微 均值作为门槛氢质量分数.对于X-70钢，发生氢致开 裂纹 裂的最小氢质量分数为0，=1.13×106，而不发生氢 X-70钢和20钢拉伸试样外加σ=0，（σ，为母材 致开裂的最大氢质量分数为0。=0.7×10-6，二者的 的实际屈服强度)的恒载荷，在10MPaN2+2MPaH, 平均值即为σ=o,恒载荷下充氢720h不发生氢致开 高压釜中放置一个月，试样未断裂，也未出现微裂纹. 裂的门槛氢质量分数，即 由此可知：X-70钢和20钢在总压为12MPa、H2 "h-w=（0,+0）/2=(1.13×10-6+0.7×10-6)/2= 分压2MPa的煤制天然气中长期服役，不会发生腐蚀， 0.92×10-6 也不出现氢损伤；焊接恒应变U弯试样不会产生氢致 对于20钢，发生氢致开裂的最小氢质量分数为 开裂，外加载荷为屈服应力时不发生氢致开裂 ,=3.09×106,而不发生氢致开裂的最大氢质量分 X-70钢和20钢在总压为12MPa、氢分压分别为 数为w。=1.05×10-6,则20钢在g=.恒载荷下充氢 0.72MPa和2MPa的气体中放置一个月后氢的质量分 720h不发生氢致开裂的门槛氢质量分数为 数如表2. w-0=(w,+0.)/2=(3.09×10-6+1.05×10-6)/2= 表2X-70钢和20钢在总压为12MPa、氢分压分别为0.72MPa和 2.07×10-6 2MPa的气体中放置一个月后氢的平均质量分数及其95%置信区间 Table 2 Hydrogen content of X-70 steel and 20 steel after placing in 个720h未断裂 10 11.28 MPa N,+0.72 MPa H2 and 10 MPa N2 +2 MPa H2 for one mouth Pu/MPa 0H(X-70)/10-6 0H(20)/10-6 0.72 0.20±0.23 0.30±0.42 2 0.44±0.33 0.36±0.21 101 9-20 X-70 2.3加恒载荷σ=σ，时氢致断裂的门槛氢质量分数 通过不同的电解充氢条件（充氢液和充氢电流密 度)改变充氢量，在外加恒载荷为σ=σ，时分别测出 2 氢质量分数10* X-70钢和20钢氢致断裂时间和对应的氢质量分数， 图5X-70钢和20钢在恒载荷0=0，条件下断裂时间随氢含 再结合两种钢在2MPa氢分压中的实验结果，汇总如 量的变化 图5.由图中曲线明显可见：在外加载荷为屈服强度条 Fig.5 Fracture time of X-70 steel and 20%steel under o =o,with 件下，20钢的断裂时间随着氢含量增加缓慢下降，表 different hydrogen contents 明其对氢含量的变化不是很敏感；而X-70钢，当氢质 量分数大于1×106时，其断裂时间随着氢含量增加 2.4氢损伤的门槛氢质量分数 迅速下降，表明其对氢含量变化很敏感.借鉴应力腐 在无外加应力条件下，当钢铁材料中氢含量进一 蚀开裂门槛值的评价方法一在规定的截止时间内发 步增多时，会引起材料表面发生氢损伤，即产生氢鼓泡 生应力腐蚀开裂的最小应力和不发生应力腐蚀开裂的 或氢压裂纹.将抛光试样在0.5 mol.LH,S0,+0.22 最大应力的平均值称为门槛应力四，我们定义在外加 gL硫脲溶液中电解充氢24h,改变充氢电流密度， 载荷为屈服强度条件下，720h内发生氢致开裂的最小 用光学显微镜观察试样表面形貌的变化赵德辉等: 管线钢在含氢气的煤制天然气中服役安全性评估 近的形貌没有明显变化，没有发现氢鼓泡和微裂纹． 除了观察金相试样的表面外，在标记点附近对试样进 行垂直切割，并进行剖面观察，也没有发现任何氢鼓泡 和微裂纹． 20# 钢也一样，没有可见的变化． 图中的黑 点可能是试样制备过程或实验过程中造成的，没有什 么意义，可以忽略． 图 4 X--70 钢在 10 MPa N2 + 2 MPa H2中放置一个月前( a) 、后( b) 标记点附近的形貌 Fig． 4 Morphology around the mark point of X--70 pipeline steel before ( a) and after ( b) placing in 10 MPa N2 + 2 MPa H2 for one mouth X--70 钢和 20# 钢焊接 U 弯试样在 10 MPa N2 + 2 MPa H2高压釜中放置一个月，弯曲应变面上不存在微 裂纹． X--70 钢和 20# 钢拉伸试样外加 σ = σs ( σs为母材 的实际屈服强度) 的恒载荷，在 10 MPa N2 + 2 MPa H2 高压釜中放置一个月，试样未断裂，也未出现微裂纹． 由此可知: X--70 钢和 20# 钢在总压为 12 MPa、H2 分压 2 MPa 的煤制天然气中长期服役，不会发生腐蚀， 也不出现氢损伤; 焊接恒应变 U 弯试样不会产生氢致 开裂，外加载荷为屈服应力时不发生氢致开裂． X--70 钢和 20# 钢在总压为 12 MPa、氢分压分别为 0. 72 MPa 和 2 MPa 的气体中放置一个月后氢的质量分 数如表 2． 表 2 X--70 钢和 20# 钢在总压为 12 MPa、氢分压分别为 0. 72 MPa 和 2 MPa 的气体中放置一个月后氢的平均质量分数及其 95% 置信区间 Table 2 Hydrogen content of X--70 steel and 20# steel after placing in 11. 28 MPa N2 + 0. 72 MPa H2 and 10 MPa N2 + 2 MPa H2 for one mouth PH /MPa wH ( X--70) /10 － 6 wH ( 20# ) /10 － 6 0. 72 0. 20 ± 0. 23 0. 30 ± 0. 42 2 0. 44 ± 0. 33 0. 36 ± 0. 21 2. 3 加恒载荷 σ = σs时氢致断裂的门槛氢质量分数 通过不同的电解充氢条件( 充氢液和充氢电流密 度) 改变充氢量，在外加恒载荷为 σ = σs时分别测出 X--70 钢和 20# 钢氢致断裂时间和对应的氢质量分数， 再结合两种钢在 2 MPa 氢分压中的实验结果，汇总如 图 5． 由图中曲线明显可见: 在外加载荷为屈服强度条 件下，20# 钢的断裂时间随着氢含量增加缓慢下降，表 明其对氢含量的变化不是很敏感; 而 X--70 钢，当氢质 量分数大于 1 × 10 － 6时，其断裂时间随着氢含量增加 迅速下降，表明其对氢含量变化很敏感． 借鉴应力腐 蚀开裂门槛值的评价方法———在规定的截止时间内发 生应力腐蚀开裂的最小应力和不发生应力腐蚀开裂的 最大应力的平均值称为门槛应力［2］，我们定义在外加 载荷为屈服强度条件下，720 h 内发生氢致开裂的最小 氢质量分数和不发生氢致开裂的最大氢质量分数的平 均值作为门槛氢质量分数． 对于 X--70 钢，发生氢致开 裂的最小氢质量分数为 wy = 1. 13 × 10 － 6，而不发生氢 致开裂的最大氢质量分数为 wn = 0. 7 × 10 － 6，二者的 平均值即为 σ = σs恒载荷下充氢 720 h 不发生氢致开 裂的门槛氢质量分数，即 wth--X70 = ( wy + wn ) /2 = ( 1. 13 × 10 － 6 + 0. 7 × 10 － 6 ) /2 = 0. 92 × 10 － 6 ． 对于 20# 钢，发生氢致开裂的最小氢质量分数为 wy = 3. 09 × 10 － 6，而不发生氢致开裂的最大氢质量分 数为 wn = 1. 05 × 10 － 6，则 20# 钢在 σ = σs恒载荷下充氢 720 h 不发生氢致开裂的门槛氢质量分数为 wh--20 = ( wy + wn ) /2 = ( 3. 09 × 10 － 6 + 1. 05 × 10 － 6 ) /2 = 2. 07 × 10 － 6 ． 图 5 X--70 钢和 20# 钢在恒载荷 σ = σs条件下断裂时间随氢含 量的变化 Fig． 5 Fracture time of X--70 steel and 20# steel under σ = σs with different hydrogen contents 2. 4 氢损伤的门槛氢质量分数 在无外加应力条件下，当钢铁材料中氢含量进一 步增多时，会引起材料表面发生氢损伤，即产生氢鼓泡 或氢压裂纹． 将抛光试样在 0. 5 mol·L － 1 H2 SO4 + 0. 22 g·L － 1硫脲溶液中电解充氢 24 h，改变充氢电流密度， 用光学显微镜观察试样表面形貌的变化． · 559 ·