近年來隨著全球經濟迅速發展,能源消耗速度急劇攀升,可再生能源的開發和利用日益受到世界各國的重視。氫能被認為是一種具有發展前景的可持續能源,利用現有的天然氣管網輸送氫氣以其經濟與高效性受到國內外學者的關注[1],許多國家正在嘗試或已經將一定比例的氫氣混入現有的天然氣管網中來實現運輸[2-4]。目前,長距離輸送天然氣的管線材料主要為X70鋼,其可以通過較小的壁厚承載較高的輸送壓力,這有利于降低成本。然而,在輸送含氫天然氣時必須考慮安全問題,暴露在含氫氣體中的管線往往會發生氫脆和力學性能下降,這會造成安全事故和經濟損失[5]。

以往研究中大多采用電化學預充氫試樣分析氫對管線力學性能的影響[6-10],而近年的研究則認為在氣態氫環境中進行試驗更符合目前工程實際需求[11]。研究表明,氫在管線表面吸附、溶解和擴散,管線缺陷附近較高的氫壓會對管線造成氫損傷[12-17],使管線的斷裂方式從韌性斷裂轉變為脆性斷裂[3,18-21],并且缺陷是導致其力學性能降低的主要影響因素[22]。目前天然氣管道的最佳摻氫比仍不明晰,含氫量不同的環境對X70鋼斷裂韌性的影響研究仍然缺乏。因此,為了保證鋼管線在設計壽命內安全服役,確定不同氫含量下X70鋼的氫脆敏感程度,筆者采用氣相原位充氫方法開展了不同氫氣壓力條件下X70鋼管線的斷裂韌性試驗,并利用掃描電鏡分析了斷面形貌的變化,研究了不同氫氣壓力對X70鋼管線斷裂韌性的影響,這對確定氫在混合氣體中的最佳含量,評估長期使用時氫氣和天然氣混合物與該管線的相容性,確保管道安全運行具有重要意義。

1. 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料選用國內某鋼廠生產的API SPEC 5L X70鋼管線,它是我國“西氣東輸”工程西一線鋼管線的主要材料[23],其外徑為1 016 mm,壁厚為17.5 mm,抗拉強度為670 MPa,屈服強度為555 MPa,斷后伸長率為24%,其化學成分見表1。按GB/T 21143-2014標準[24],將試驗材料加工成如圖1所示的斷裂韌性緊湊拉伸（CT）試樣,試樣寬度W為38.1 mm,厚度B為12.7 mm。在試驗開始前用砂紙逐級打磨試樣表面,以去除表面氧化層,用去離子水去除試樣表面的鐵屑,然后使用酒精、丙酮依次處理試樣表面以去除油污,最后用冷風吹干,去除水漬。

圖 1緊湊拉伸試樣尺寸示意

Figure 1.Schematic diagram of size of compact tensile specimen

采用自行設計的帶有壓力容器的Instron 8801伺服液壓疲勞測試系統進行斷裂韌性測試,壓力容器可承受的最大壓力為20 MPa。壓力容器設置有進氣連接口、壓力表連接口、引伸計連接口、真空泵連接口及出氣口。引伸計位于壓力容器內部,通過引伸計連接口將引伸計信號線直接從壓力容器中引出,采用特制方法密封。為保證真空度,所有接口均經過密封處理,上拉伸桿為靜密封,下拉伸桿為動密封,均采用密封圈和真空脂密封。

1.2 測試方法

為了消除機加工的影響,在測試前,用循環載荷預制長3.8 mm的裂紋,使斷裂韌性試驗所得裂紋尖端到加載線的距離（即裂紋長度）和W的比值約為0.55。采用恒應力強度因子（ΔK）法在空氣中預制裂紋,ΔK=30 MPa·m1/2,頻率為10 Hz,應力比（R）為0.1。

所有斷裂韌性試驗均在原位氫氣環境中進行,測試溫度為（20±5）℃。在充入測試氣體前使用真空泵對環境箱進行抽真空排除內部的空氣,然后向內部充入氮氣,再用真空泵將氮氣抽出,重復3次,確保空氣排放干凈后再向環境箱內充入試驗氣體。試驗氣體由氮氣和氫氣組成,總壓力為12 MPa,4種環境中的氫分壓分別為0,0.60,0.96,1.20 MPa,其余用氮氣補充,待壓力穩定后開始斷裂韌性測試。測試結束后,將試樣沿裂紋擴展路徑分割,通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其斷面形貌。

斷裂韌性試驗揭示了單調加載期間J積分值與裂紋擴展長度Δa之間的關系,這是評估宏觀裂紋擴展穩定性的有效方法。在本研究中,根據標準[24]中規定的程序進行測試,CT試樣通過迭代間歇卸載循環單調加載,進而通過載荷（F）-位移曲線繪制J-Δa阻力曲線,每次循環的J積分值根據載荷-位移曲線下方的面積確定,將該計算中的位移定義為裂紋張開位移（SCOD）,該位移通過安裝在機械缺口邊緣的引伸計測量。斷裂韌度J0則由J-Δa阻力曲線與0.2 mm偏移線的交點確定,其中鈍化線方程見式（1）。第i個加卸載順序對應的Ji積分值可按式（2）計算。

式中：為J積分的彈性部分,為J積分的塑性部分；E為彈性模量；ν為泊松比；K為應力強度因子。

根據標準[24]中的要求,從F-SCOD圖中可以計算出平面應變斷裂韌度KIC的條件值KQ,根據判據進行條件值的判定,各個環境中對應的KQ值按式（3）計算。

式中：FQ為F-SCOD曲線彈性階段平均斜率95%的直線與曲線交點對應的F值；B為試樣厚度；W為試樣寬度；g（a0/W）為應力強度因子系數。

2. 結果與討論

2.1 氫氣壓力對斷裂韌性的影響

由圖2（a）可見：與無氫環境相比,在含氫環境中F值顯著降低,無氫時F值在加載過程中較為穩定,F在到達最大值后的8個循環內緩慢降低,但是在含氫環境中,特別是在1.2 MPa氫分壓下,F在達到最大值后迅速下降,表明裂紋快速擴展；在氫氣環境中F-SCOD曲線整體位于無氫環境的下方,隨著氫氣壓力的升高,F-SCOD曲線彈性階段向塑性階段的轉變點逐漸降低,F-SCOD曲線的峰值點也逐漸降低,在塑性階段,F值隨著氫氣壓力的增加而降低,這表明氫引起的連續裂紋擴展導致X70鋼試樣載荷降低[25]。

圖 2在不同氫氣壓力下X70鋼管線經斷裂韌性測試后的F-SCOD和J-Δa阻力曲線

Figure 2.F-SCOD(a) andJ-Δaresistance (b) curves of X70 steel pipeline after fracture toughness test at different hydrogen pressures

由圖2（b）可見：在加載/卸載循環過程中裂紋逐漸擴展,J積分值隨裂紋長度的增加而增加,但增長幅度逐漸降低；與無氫環境相比,隨著氫氣壓力的升高,J-Δa阻力曲線的斜率逐漸減小。在不同氫氣壓力環境中J-Δa阻力曲線和偏移線的交點,即斷裂韌性J0,其隨氫氣壓力的升高逐漸降低,在無氫環境中,J0為660 kJ·m-2,當氫氣壓力為0.60 MPa時,J0為505 kJ·m-2,當氫氣壓力升高至0.96 MPa和1.20 MPa時,J0分別降低至427 kJ·m-2和415 kJ·m-2。這表明氫氣壓力影響X70鋼試樣在斷裂過程中的能量吸收,氫氣壓力越高,吸收的能量越少。

表2為在不同氫氣壓力下X70鋼管線的斷裂韌性測試結果和脆化指數I（J）。其中,Fmax為試驗過程中的最大加載力。由表2可見,根據標準[24]中的規定,所有試樣的Fmax/FQ都大于1.1,表明本試驗未滿足標準中線彈性的試驗條件,所以KQ值不能作為平面應變斷裂韌度KIC；另外,隨著氫氣壓力的不斷升高,J0值和KQ值均不斷降低,但J0值降低幅度減緩；KQ值在0.6 MPa和0.96 MPa氫氣壓力下降低幅度不大,當氫氣壓力增至1.2 MPa時,KQ值發生較大幅度的下降。為了量化氫對X70鋼管線斷裂韌性的影響,引入以J0為標準的脆化指數I（J）,其計算公式見式（4）。I（J）表示與無氫環境相比斷裂韌性在氫氣環境中的降低程度,其值越大說明氫氣導致的脆化效果越明顯。

式中：JIC為無氫環境中的斷裂韌性；JIH為含氫環境中的斷裂韌性。

由表2還可見,氫氣會導致X70鋼管線的斷裂韌性損失,并且隨著氫氣壓力的升高,I（J）逐漸增大,即斷裂韌性損失越多。這是因為氫原子在裂紋尖端累積復合成為氫分子,隨著氫含量的不斷增大,該處氫氣壓力不斷升高而產生較高的局部高壓,高壓促進了裂紋的擴展,導致X70鋼管線發生嚴重的脆化[26],并且隨著外部環境氫氣壓力的增大,這種脆化現象逐漸加重。

2.2 氫氣壓力對斷面形貌的影響

由圖3可見：試樣斷裂表面可分為三個區域,即預制裂紋區、伸張區和裂紋擴展區,在圖中以淺色虛線分隔開,斷面形貌較為平滑的是預制裂紋區,伸張區在預制裂紋后形成,而斷面形貌較為粗糙的區域是裂紋擴展區。在無氫環境中,裂紋擴展區主要呈韌窩狀的韌性斷裂特征；當氫氣壓力為0.6 MPa時,試樣斷面的裂紋擴展區被大量韌窩覆蓋,但出現了少量解理面,與無氫環境相比,伸張區寬度有所減小；當氫氣壓力升高至0.96 MPa時,裂紋擴展區韌窩數量明顯減少,伸張區長度變短,出現長約為400 μm的裂紋；當氫氣壓力達到1.2 MPa時,未觀察到伸張區,裂紋擴展區出現了具有脆性特征的準解理斷裂形貌,并出現大裂紋和一些孔洞,與0.96 MPa氫氣壓力條件相比,裂紋深度和長度均增加,韌窩很難被發現,只能在一些微小區域可見少量韌窩。綜上所述,隨著氫氣壓力的增加,X70鋼管線斷面形式從韌性斷裂逐漸轉變為脆性斷裂,氫氣導致X70鋼管線發生氫脆現象,并且隨氫氣壓力的升高,氫脆現象越明顯。

圖 3不同氫氣壓力下X70鋼管線經斷裂韌性測試后的斷口整體形貌和局部放大形貌

Figure 3.Overall fracture morphology and local enlarged morphology of X70 steel pipeline after fracture toughness test at different hydrogen pressures

3. 結論

（1）在無氫環境中,X70鋼管線的J0值為660 kJ·m-2,當氫氣壓力為0.6 MPa時J0值為505 kJ·m-2,隨著氫氣壓力不斷提升至0.96 MPa和1.20 MPa,J0值分別降低至427 kJ·m-2和415 kJ·m-2。

（2）在0.60,0.96,1.20 MPa氫氣壓力下X70鋼管線的J0值較無氫環境中分別下降了23.4%、35.3%和37.1%,KQ值較無氫環境中分別下降了0.9%、4.2%和27.5%。

（3）隨著氫氣壓力的升高,X70鋼管線斷面形式從韌性斷裂逐漸轉變為脆性斷裂。

文章來源——材料與測試網