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(1. 中國石油西部管道公司，烏魯木齊 660008； 2. 安科工程技術(shù)研究院(北京)有限公司，北京 100083)

我國的煤炭資源相對豐富，將富煤地區(qū)的煤炭資源就地轉(zhuǎn)化成天然氣，不僅能解決氣源保障問題，同時(shí)也是煤炭清潔化利用的途徑之一[1]，成為繼煤炭發(fā)電，煤制油之后的又一重要戰(zhàn)略選擇。隨著油氣行業(yè)的不斷發(fā)展，采用高鋼級、大口徑、高壓力輸送管道是重要的生產(chǎn)趨勢，但管線鋼強(qiáng)度越高，氫脆敏感性就越高[2]。受到生產(chǎn)工藝的限制，煤制氣中含有一定量的氫氣，由于氫分子能夠被材料表面吸附，進(jìn)而分解成吸附氫原子，并會通過去吸附作用進(jìn)入材料內(nèi)部[3]，這導(dǎo)致高強(qiáng)鋼管線在服役過程中存在氫脆失效的風(fēng)險(xiǎn)。

目前，針對輸氫管道，國際上制定了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，如加拿大管道管理機(jī)構(gòu)要求建于20世紀(jì)80年代的輸氫管道應(yīng)滿足如下條件：材料級別不大于X42，設(shè)計(jì)系數(shù)小于0.6；韌性應(yīng)比天然氣管道的要求高30%且運(yùn)行溫度小于40 ℃，并同時(shí)要求管道中大于3 MPa的壓力波動次數(shù)每年小于100次。除此之外，美國機(jī)械工程師學(xué)會規(guī)范《ASME B31.12 Hydrogen Piping and Pipelines》和EIGA(歐洲工業(yè)氣體協(xié)會)規(guī)范《Doc121_04 H2Transportation Pipelines》、《Doc120_04 Carbon Monoxide and Syngas Pipeline Systems》也均對輸氫管材的性能提出了要求。但目前我國擬采用或正在運(yùn)行的煤制氣管道大部分為X70和X80高級管線鋼，高于國內(nèi)外有文獻(xiàn)記載的輸氫管道規(guī)范要求，同時(shí)，現(xiàn)有規(guī)范只針對H2及H2/CO混合氣體的輸配系統(tǒng)給出了一些需要考慮的安全問題，針對低含氫環(huán)境(氫氣的體積分?jǐn)?shù)為2%～6%)中管道的設(shè)計(jì)，目前還沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

近年來，煤制氣管道氫脆敏感性問題得到了越來越多學(xué)者的關(guān)注和研究。張?bào)w明等[4-5]對X80鋼管道在煤制氣條件下的氫滲透參數(shù)，缺口拉伸塑性指標(biāo)進(jìn)行了測試，以此評價(jià)X80鋼的氫脆敏感性； MENG等[6]對X80鋼在模擬煤制氣條件下的光滑和缺口試樣的拉伸強(qiáng)度、塑性指標(biāo)以及疲勞裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行了測試，評價(jià)了氫對X80鋼性能的影響；關(guān)鴻鵬等[7]對X70鋼在含氫煤制氣條件下的氫含量、沖擊韌性、斷裂韌性及拉伸強(qiáng)度和塑性指標(biāo)進(jìn)行了測試，綜合評價(jià)了X70鋼的服役安全性。不同研究結(jié)果均表明，煤制氣中一定量氫氣的存在，能對高強(qiáng)管線鋼的組織性能產(chǎn)生影響，雖然測試評價(jià)手段多樣，但尚未形成統(tǒng)一的測試評價(jià)體系，同時(shí)對評價(jià)指標(biāo)的選擇也存在差異，不同評價(jià)指標(biāo)對現(xiàn)場管線實(shí)際運(yùn)行、控制的指導(dǎo)意義也有待進(jìn)一步明確。

因此，本工作通過對現(xiàn)有輸氫管道及儲氫容器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行梳理，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料，從含氫管道脆化與環(huán)境損傷類型入手，對煤制氣管道在含氫環(huán)境中的適用性評價(jià)方法進(jìn)行總結(jié)，從管道的強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性、疲勞等幾方面提出氫脆敏感性的判斷依據(jù)，以期為含氫煤制合成天然氣管道材料的服役適用性評價(jià)和安全運(yùn)行提供技術(shù)支持。

1 含氫管道脆化與環(huán)境損傷類型

1.1 氫致應(yīng)力開裂

氫致應(yīng)力開裂(HSC)具有滯后性，材料需要在氫和應(yīng)力的持續(xù)作用下發(fā)生脆性斷裂，且多數(shù)情況下，導(dǎo)致斷裂的應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，這給管道的安全運(yùn)行帶來風(fēng)險(xiǎn)。HSC最容易在室溫條件下發(fā)生，在含氫環(huán)境中，敏感材料的斷裂韌性參數(shù)較在惰性氣氛中的降低，性能損失幅度與材料和環(huán)境因素有關(guān)[3,8]。研究表明，管線鋼在氫環(huán)境中的臨界開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子，即氫致斷裂韌性KIH與強(qiáng)度水平和氫壓環(huán)境呈函數(shù)關(guān)系[9-11]。當(dāng)環(huán)境應(yīng)力強(qiáng)度因子低于KIH時(shí)，不會發(fā)生開裂。因此，根據(jù)管道缺陷處產(chǎn)生的應(yīng)力和缺陷尺寸能夠?qū)艿赖拈_裂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行判斷：鈍狀缺口，如腐蝕是不會產(chǎn)生較大應(yīng)力集中的；鋒利的缺陷，如裂紋是會產(chǎn)生較大應(yīng)力集中的，需要重點(diǎn)關(guān)注。HSC測試的結(jié)果可以用來評估工程結(jié)構(gòu)中可接受的臨界缺陷尺寸，為管道完整性管理和裂紋檢測提供依據(jù)。

1.2 塑性和強(qiáng)度降低

高鋼級管線鋼在氫的作用下，塑性和強(qiáng)度會降低，特別是存在缺陷的情況下，降低幅度更為明顯[12-13]。根據(jù)ASME B31.12-2014《Hydrogen Piping and Pipelines》標(biāo)準(zhǔn)，緊固試樣的過早爆破，也是強(qiáng)度損傷的一種表現(xiàn)。因此，管線鋼材料的拉伸指標(biāo)及爆破壓力變化測試，對于評價(jià)管線鋼的氫脆敏感性，確定管線設(shè)計(jì)的應(yīng)力及應(yīng)變系數(shù)，具有重要的指導(dǎo)意義。

1.3 氫致疲勞裂紋擴(kuò)展

高鋼級管線鋼在氫和疲勞載荷的作用下通常會表現(xiàn)出疲勞裂紋擴(kuò)展速率的增加和疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值ΔKth的降低，進(jìn)而對材料抵抗疲勞載荷的能力及服役壽命產(chǎn)生影響[14-16]。雖然管線運(yùn)行中的溫度、壓力波動不大，但疲勞載荷在特殊工況及穿跨越等特殊環(huán)境中，也可能造成管線失效[17-19]。因此，管線鋼在含氫環(huán)境中的疲勞性能測試，對于管線運(yùn)行載荷波動控制及管線受力設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

2 煤制合成天然氣管道的適用性評價(jià)方法

2.1 斷裂韌性測試

斷裂韌性測試方法的選擇受管線壁厚的影響，當(dāng)管線壁厚滿足式(1)的要求時(shí)，材料滿足平面應(yīng)變狀態(tài)，可以采用GB/T 4161-2007《金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗(yàn)方法》中的方法對斷裂韌性進(jìn)行測試。

B≥2.5(KIC/RP0.2)2(1)

式中:B為試樣厚度；KIC為材料的斷裂韌性；RP0.2為屈服強(qiáng)度。

當(dāng)試樣尺寸不能滿足平面應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，可以參考GB/T 2038-1991《 金屬材料延性斷裂韌度JIC試驗(yàn)方法》中規(guī)定的金屬材料的延性斷裂韌度JIC的測試方法，并根據(jù)JIC的測試結(jié)果轉(zhuǎn)換成KIC，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測試時(shí)試樣尺寸需要滿足式(2)要求。

B>25JIC/RP0.2(2)

當(dāng)試樣的尺寸不能滿足式(1)和(2)的要求時(shí)，可以參考GB/T 2358-1994《金屬材料裂紋尖端張開位移試驗(yàn)方法》中規(guī)定的金屬材料裂紋尖端張開位移的測試方法，并根據(jù)特征裂紋尖端張開位移(CTOD)值采用式(3)進(jìn)行計(jì)算。

無論采用上述哪種方法，KIH的測試均需要在含氫環(huán)境中進(jìn)行，同時(shí)需要保證測試前X80鋼試樣在含氫環(huán)境中暴露足夠的時(shí)間以滿足氫平衡狀態(tài)，并采用合適的載荷/應(yīng)變速率。該測試能夠獲得試樣在含氫氣環(huán)境中的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，可用來評估工程結(jié)構(gòu)中可接受的臨界缺陷尺寸，為管道完整性管理和裂紋檢測提供依據(jù)。

2.2 缺口試樣拉伸試驗(yàn)和慢應(yīng)變速率試驗(yàn)

缺口拉伸試驗(yàn)和慢應(yīng)變速率試驗(yàn)測試方法參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM G 142-98《Standard Test Method for Determination of Susceptibility of Metals to Embrittlement inHydrogen Containing Environments at High Pressure, HighTemperature, or Both》進(jìn)行，將軸對稱缺口拉伸試樣或光滑試樣置于常溫常壓和典型煤制氣含氫環(huán)境中施加單軸拉伸應(yīng)力。缺口拉伸試驗(yàn)測試環(huán)境中氫氣組分對材料在三向應(yīng)力集中區(qū)域的氫脆行為的影響[18]，而慢應(yīng)變速率試驗(yàn)包括了裂紋孕育、裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展及失穩(wěn)擴(kuò)展三個(gè)階段[19]，這兩種方法都能夠有效評價(jià)X80鋼對氫的敏感性。

通過標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)調(diào)研，缺口拉伸試驗(yàn)和慢應(yīng)變速率試驗(yàn)的測試結(jié)果可以從兩方面進(jìn)行分析：

(1) 力學(xué)性能變化

可比較暴露在含氫環(huán)境和非含氫(常溫常壓)環(huán)境中的同種試樣的力學(xué)性能，進(jìn)而評定材料的氫脆敏感性，見式(4)。

根據(jù)LAM等[20]的研究，氣態(tài)氫組分對碳鋼的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率和斷面收縮率等力學(xué)性能有顯著影響。

(2) 斷口形貌觀察

LAM等[20]研究表明，材料存在氫脆敏感性的判據(jù)之一是，試樣斷口在含氫環(huán)境中的脆性區(qū)域多于在非含氫環(huán)境(常溫常壓)中的。GB/T 9711-2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送用鋼管》指出，可以在試樣完全被破壞后，采用低倍顯微鏡檢查二次裂紋，或通過觀察斷口微觀形貌檢查斷裂模式的變化，來確定試樣是否發(fā)生氫脆斷裂。對于X80鋼，空氣中拉斷的斷口為韌性斷口，會有明顯的頸縮區(qū)域[21]，因此，若斷口出現(xiàn)脆性區(qū)域，表明材料受到氫的影響，發(fā)生氫脆開裂。

2.3 緊固圓盤壓力試驗(yàn)(碟形爆破)

碟形爆破試樣參照ASTM F1459-06《Standard Test Method for Determination of the Suscepitibility of Metallic Materials to Hydrogen Gas Embrittlement》進(jìn)行，采用不同氣體以一定的升壓速率對環(huán)境艙進(jìn)行增壓，直到樣品爆破，對比不同氣體環(huán)境中的爆破壓力，評價(jià)材料對環(huán)境的敏感性。測試裝置如圖1所示。

圖1 蝶形爆破測試裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of butterfly blasting test device

綜合標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際管道運(yùn)行環(huán)境，分別采用純氦氣(純度為99.995%)、以及含氫煤制氣進(jìn)行試驗(yàn)。增壓速率在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，PHe/P煤制氣的最大比率可以評價(jià)材料的氫脆敏感性：比率為1，材料對環(huán)境不敏感；比率高于2，材料對環(huán)境敏感，應(yīng)避免在此種環(huán)境中使用；比率介于1～2，材料長時(shí)間暴露在這種環(huán)境中，可能會導(dǎo)致氫脆。

2.4 疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)

疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)參照ASME B31.12-2014和ASTM E647-2005 《測量疲勞裂紋增長率的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試樣壁厚應(yīng)不低于管道壁厚的85%，TL方向取樣。測試頻率和應(yīng)力比的選擇對于氫脆敏感性的測試具有重要的影響，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，評價(jià)氣態(tài)氫氣影響時(shí)，測試頻率不應(yīng)超過0.1 Hz，測試應(yīng)力Kmin/Kmax不應(yīng)低于0.1。文獻(xiàn)表明[22]，氫對于材料的疲勞裂紋擴(kuò)展行為有著十分重要的影響，其可能機(jī)制包括：加大疲勞裂紋的擴(kuò)展速率、降低疲勞裂紋萌生的門檻值或同時(shí)耦合二者的作用。試驗(yàn)使暴露在常溫常壓和典型含氫煤制氣環(huán)境中的試樣承受疲勞載荷，比較氫對于材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率和疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值的影響，從而有效評價(jià)材料對氫的敏感性。

3 結(jié)論

(1) 含氫煤制氣環(huán)境中的管道需要考慮的脆化和損傷類型主要有氫致應(yīng)力開裂，塑性與強(qiáng)度降低以及氫致疲勞裂紋擴(kuò)展。

(2) 含氫煤制氣環(huán)境中管道材料的適用性評價(jià)方法包括氫致斷裂韌性KIH測試，缺口試樣拉伸試驗(yàn)和慢應(yīng)變速率試驗(yàn)，含氫環(huán)境中的碟形爆破壓力測試以及含氫環(huán)境中的疲勞擴(kuò)展速率及門檻值測試。

(3) 根據(jù)含氫煤制氣環(huán)境中管道材料的適用性評價(jià)結(jié)果，可以從管段臨界缺陷尺寸，管道設(shè)計(jì)應(yīng)力及應(yīng)變系數(shù)，管道波動載荷控制幾個(gè)角度，對管道的建造和維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。