X80管线钢在含氢煤制气环境中的氢脆敏感性

金立果,邢云颖

(1. 中国石油西部管道公司,乌鲁木齐 660008； 2. 安科工程技术研究院(北京)有限公司,北京 100083)

X80管线钢在含氢煤制气环境中的氢脆敏感性

金立果1,邢云颖2

(1. 中国石油西部管道公司,乌鲁木齐 660008； 2. 安科工程技术研究院(北京)有限公司,北京 100083)

采用慢应变速率试验和缺口试样拉伸试验，并结合断口分析，研究了X80钢在含氢煤制气环境中的氢脆敏感性。结果表明：高压含氢环境中X80钢的强度和塑性指标均有所下降，断口出现脆断形貌，表现出一定的氢脆敏感性，且横向取样方向对氢脆更为敏感；通过对比分析X80钢在高压氢气环境中慢拉伸和缺口拉伸两种状态下的韧性损失，发现缺口试样的三向应力集中区域受氢脆影响更为严重。

X80钢；慢应变速率试验；缺口试样拉伸；氢脆

煤制天然气是煤经过加压气化处理等一系列化学过程后，脱硫提纯制得的含有可燃成分的气体。从我国能源资源“富煤、缺油、少气”的特点来看，将富煤地区的煤炭资源就地转化成天然气输往沿海地区，成为继煤炭发电、煤制油之后的又一重要战略选择。而在油气运输领域，高强度管线钢已被广泛应用，此类钢材的开发和使用不仅可以在不影响输气安全的前提下减少壁厚，从而实现油气管道的高压高效输送，并且能够降低油气管线的成本。因而,高压输送采用高钢级管材是石油天然气管道发展的重要趋势[1]。

然而根据相关文献报道，高钢级管线钢对氢脆和氢致裂纹扩展更为敏感[2]。煤制天然气中含有质量分数为2%～6%的氢，由于压力高，氢气分压可能达到0.1～1 MPa。因此，管线钢在高压氢气环境中可能存在氢脆的风险。针对我国西部某煤制气输气管道选用管材钢级高(X80)、管径大(1 219 mm)，运行压力高(12 MPa)、管道服役应力高等特点，对该管线用材在含氢煤制天然气环境中的氢脆安全性能进行评价研究，有十分重要的意义，同时对其在服役环境中适用性的研究可为同类管道的设计和维护等提供一定的参考。

本工作通过对X80钢在含氢煤制气环境中进行的慢应变速率试验(SSRT,简称慢拉伸)和缺口拉伸试验，研究其力学性能变化和拉伸断口变化规律。通过对X80钢强度指标和塑性损失进行计算，同时观察断口形貌，获得X80钢在含氢煤制气环境中的氢脆敏感性变化规律。

1 试验

1.1 试验材料

试验材料为X80管线钢，其化学成分为:wC0.070%,wSi0.21%,wMn1.61%,wS0.002 50%,wP0.008 1%,wMo0.13%,wNb0.041%,wNi0.12%,wCu0.14%,wTi0.012%,余量为铁。按照标准GB/T 228-2002《金属材料 室温拉伸试验方法》测得其屈服强度和抗拉强度分别为605 MPa和669 MPa。X80钢的金相组织为铁素体和珠光体，珠光体弥散分布，且组织分布较为均匀。

1.2 试验方法

1.2.1 慢应变速率试验

SSRT参照标准GB/T 15970.7《金属和合金的腐蚀——应力腐蚀试验 第七部分：慢应变速率拉伸试验》进行，试样尺寸见图1。试样采用平行和垂直于钢板轧制方向的两种取样方向，即纵向和横向取样，每种取样方向分别制作三组平行试样。试验条件为常温常压的空气环境和0.96 MPa H2环境(煤制气运行压力12 MPa，其氢气分压8%)。试验在CORTEST慢应变速率应力腐蚀拉伸试验机上进行，应变速率为1×10-6/s。

图1 慢应变速率试验试样尺寸Fig. 1 Specimen size of SSRT

1.2.2 缺口试样拉伸试验

缺口试样拉伸试验参照标准ASTM G 142-1998《Standard test method for determination of susceptibility of metals to embrittlement in hydrogen containing environments at high pressure, high temperature of both》进行，试样尺寸见图2。取样方向及试验条件同1.2节所述。缺口试样拉伸试验在力创慢应变速率拉伸试验机上进行，应变速率为8×10-4/s。

图2 缺口拉伸试样尺寸Fig. 2 Dimensions of the notched specimen

2 结果与讨论

2.1 慢应变速率试验结果

(a) 纵向试样

(b) 横向试样图3 纵向和横向试样在不同环境中的SSRT曲线Fig. 3 SSRT curves of longitudinal (a) and transversal (b) samples under different conditions

由图3可见，在含氢环境中，X80管线钢试样的屈服强度和抗拉强度都略低于其在空气中的。这表明在0.96 MPa氢分压下，X80管线钢试样在单向慢拉伸准静载状态下，表现出一定的氢脆敏感性，其力学性能因受氢脆行为影响有所降低。这一结果与李超等[3]对高强度管线钢的氢脆影响研究结果相一致。同时对比X80钢横纵试样的试验结果，纵向试样在两种环境中的拉伸曲线区别较小，说明横向试样受氢脆影响更为严重。

由图4和图5可见，在空气中进行慢拉伸时，X80管线钢的断口均为韧性断口，断口微观形貌存在典型的延性韧窝，且宏观形貌有明显的剪切唇和颈缩现象；而在0.96 MPa氢气环境中，X80钢断口边缘出现脆性断口特征，该区域的微观形貌为准解理，准解理状断口是脆性断裂的典型特征[4]，且宏观形貌表明颈缩量有所减小。该结果与其他文献对X70和X80管线钢的慢拉伸氢脆断口形貌的研究结果相吻合[5-7]。出现此现象是因为在高压氢气环境中，部分氢吸附并进入金属内部，由于试样处于加载状态，进入材料内部的氢会在应力的诱导作用下向高的三向拉应力区扩散聚集，当氢含量富集到某一临界值时，裂纹即过早形核并扩展，从而使材料的塑性下降，表现为试样出现脆性断裂的特征[2]。

(a) 空气 (b) 0.96 MPa氢气图4 横向试样在不同环境中的SSRT宏观形貌Fig. 4Macro-morphology of transversal samples after SSRT in air (a) and 0.96 MPa hydrogen environment (b)

(a) 空气 (b) 0.96 MPa氢气图5 横向试样在不同环境中的SSRT微观形貌Fig. 5 Micro-morphology of transversal samples after SSRT in air (a) and 0.96 MPa hydrogen environment (b)

2.2 缺口试样拉伸试验结果

由图6可见,在高压气相氢气环境中，处于三向应力状态下的缺口试样的屈服强度和抗拉强度与在空气中的试验结果相比有所下降，表现出一定的氢脆敏感性,且横向缺口试样受氢脆影响更敏感,这与SSRT试验结果一致。

由图7和图8可见,与在空气环境中的拉伸结果相比，缺口试样在0.96 MPa氢气环境中的断口边缘出现明显的脆断形貌，且宏观形貌的剪切唇尺寸有所减小。

2.3 讨论

分别计算X80管线钢在空气和在高压氢气中的慢拉伸和缺口拉伸后的断面收缩率及延伸率等塑性指标，计算公式见式(1)和式(2)。

(1)

(2)

(a) 纵向缺口试样

(b) 横向缺口试样图6 纵向和横向缺口试样在不同环境中的拉伸曲线Fig. 6 Tension curves of longitudinal notched sample (a) and transversal notched sample (b) in different conditions

(a) 空气 (b) 0.96 MPa氢气图7 横向缺口试样在不同环境中的断口宏观形貌Fig. 7 Micro-morphology of fracture of transversal notched samples after tension test in air (a) and 0.96 MPa hydrogen environment (b)

式中:ψ为断面收缩率，S0为拉伸前试样截面积，S为拉伸后试样截面积，δ为断后伸长率，L0为拉伸前标距长度，L为拉伸后标距长度计算,结果如图9所示。

由图9可见，高压氢气环境使光滑试样和缺口试样的塑性都发生了损失，表现为两种试样在0.96 MPa H2环境中的断面收缩率和延伸率较其在空气中的均有不同程度的下降。有研究表明，气态氢组分对碳钢的拉伸强度，延伸率和断面收缩率等力学性能有显著的影响。而且从整体角度来看，在两种环境中，横向试样的塑性损失大于纵向试样的，这表明高压氢气环境对横向试样的塑性下降的影响更为严重[8]。

(a) 空气 (b) 0.96 MPa氢气图8 横向缺口试样在不同环境中断口微观形貌Fig. 8 Micro-morphology of fracture of transversal notched samples after tension test in air (a) and 0.96 MPa hydrogen environment (b)

根据相关研究，通常用暴露在含氢环境和非含氢(常温常压空气)环境中试样的力学性能之比来评定氢脆敏感性，记为P。

比值偏离越大，则开裂敏感性越高。根据图9中的结果计算试样在含氢环境与试样在常常温常压空气中断面收缩率和延伸率的平均比值，结果见图10。

(a) 光滑试样断面收缩率 (b) 缺口试样断面收缩率 (c) 光滑试样延伸率 (d) 缺口试样延伸率图9 X80管线钢分别在空气和高压氢气中进行慢拉伸和缺口拉伸后的塑性指标Fig. 9 Percentage reduction of area and elongation of X80 pipeline steel under different conditions: (a) reduction of area after SSRT, (b) reduction of area after tension test of notched specimens, (c) elongation percentage after SSRT, (d) elongation percentage after tension test of notched specimens

(a) 慢拉伸试验

(b) 缺口拉伸试验图10 X80管线钢在0.96 MPa氢气分压和常温常压空气下的塑性指标的比值Fig. 10 Ratio of plastic index of X80 pipeline steel in hydrogen and air through SSRT (a) and tension test with notched specimens (b)

由图10可见，试样在两种环境中塑性指标(断面收缩率和断后伸长率)的比值均偏离1，表明X80管线钢在0.96 MPa氢气分压环境中存在氢脆敏感性，即高压氢组分会增加X80钢的脆性，从而使其塑性发生损失。与纵向试样相比，横向试样的塑性指标的比值偏离更大，故横向试样对高压氢气环境更为敏感。同时对比两种试验的加载方式，缺口试样拉伸试验后试样的塑性指标比值偏离更为显著。且由图9可见,试样在不同试验环境中的塑性指标(断面收缩率和断后伸长率)也存在显著差异。这表明高压氢气环境对三向应力集中区域的影响更为显著。王毛球等的研究结果也表明，氢致断裂与局部最大应力和局部最大可扩散氢浓度有关，应力集中系数大的试样对氢更敏感。

3 结论

(1) 在0.96 MPa氢气分压环境中，X80管线钢表现出一定的氢脆敏感性，且横向试样对氢脆更为敏感。

(2) 与常温常压空气环境中的拉伸断口呈延性韧窝形貌相比，在0.96 MPa氢气环境中进行的拉伸试验，试样断口由韧性断裂向脆性断裂转变，且剪切唇和颈缩现象减弱,同时断面收缩率及延伸率减小，塑性指标比值偏离1，呈现韧性损失。

(3) 与单轴慢应变拉伸状态相比，高压氢气环境对缺口试样所处的三向应力集中状态区域的影响更为显著。

[1] 郑磊,傅俊岩. 高等级管线钢的发展现状[J]. 钢铁,2006,41(10):203-216.

[2] 褚武扬,乔利杰,李金许,等. 氢脆和应力腐蚀开裂[M]. 第1版. 北京:科学出版社,2013:243-250.

[3] 李超,杜翠薇,刘志勇,等. X100管线钢在酸性土壤模拟溶液中的应力腐蚀行为[J]. 腐蚀科学与防护技术,2012,24(4):327-331.

[4] MCMAHON J C J. Hydrogen-induced intergranular fracture of steels[J]. Engineering Fracture Mechanics,2001,68:773-788.

[5] 赵颖,王荣. X70管线钢电化学充氢后的力学行为研究[J]. 腐蚀与防护学报,2004,24(5):293-296.

[6] 张士欢,王荣. X80管线钢不同电化学充氢状态下的断裂特性[J]. 腐蚀与防护,2009,30(3):172-177.

[7] 杨耀东,鲁旷达,曹文海,等. X70钢和X80钢在鹰潭土壤模拟溶液中的氢脆敏感性[J]. 腐蚀与防护,2015,36(9):180-183.

[8] LAM P,ANDREW D A,ROBERT S R,et al. Literature survey of gaseous hydrogen effects on the mechanical properties of carbon and low alloy steels[J]. Journal of Pressure Vessel Technology,2009,131(4):501-517.

Susceptibility of X80 Pipeline Steel to Hydrogen Embrittlement in Coal Gas Environment Containing Hydrogen

JIN liguo1, XING Yunying2

(1. Petrochina West Pipeline Company, Urumqi 660008, China; 2. Safetech Research Institute (Beijing) Co., Ltd., Beijing 100083, China)

The hydrogen embrittlement (HE) susceptibility of X80 steel in coal gas environment containing hydrogen was evaluated by slow strain rate test (SSRT), tension test of notched specimens and fracture morphology observation. The results show that HE susceptibility of X80 pipeline steel was increased in high-pressurized hydrogen environment, as the strength and plasticity both dropped. And the transverse direction was more sensitive to HE. Comparing the ratios of plastic index in high-pressurized hydrogen and atmospheric pressurized air, the loss of ductility was produced both in SSRT and in tension test of notched specimens, and the region in three-dimensional stress was subjected to a greater impact of hydrogen embrittlement.

X80 steel; slow strain rate test (SSRT); tension test of notched specimen; hydrogen embrittlement

10.11973/fsyfh-201705009

2016-10-08

邢云颖(1988-),硕士,从事管道腐蚀与控制的相关工作,13811916468,xingyy@ankosri.com

TG172.4

A

1005-748X(2017)05-0361-04