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(1. 中國(guó)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(guó)的煤炭資源相對(duì)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(wèn)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(jí)、大口徑、高壓力輸送管道是重要的生產(chǎn)趨勢(shì)，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(huì)通過(guò)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(guò)程中存在氫脆失效的風(fēng)險(xiǎn)。

目前，針對(duì)輸氫管道，國(guó)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(jí)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(dòng)次數(shù)每年小于100次。除此之外，美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)規(guī)范《ASME B31.12 Hydrogen Piping and Pipelines》和EIGA(歐洲工業(yè)氣體協(xié)會(huì))規(guī)范《Doc121_04 H2Transportation Pipelines》、《Doc120_04 Carbon Monoxide and Syngas Pipeline Systems》也均對(duì)輸氫管材的性能提出了要求。但目前我國(guó)擬采用或正在運(yùn)行的煤制氣管道大部分為X70和X80高級(jí)管線鋼，高于國(guó)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(duì)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(wèn)題，針對(duì)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(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

近年來(lái)，煤制氣管道氫脆敏感性問(wèn)題得到了越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注和研究。張?bào)w明等[4-5]對(duì)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(cè)試，以此評(píng)價(jià)X80鋼的氫脆敏感性； MENG等[6]對(duì)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(cè)試，評(píng)價(jià)了氫對(duì)X80鋼性能的影響；關(guān)鴻鵬等[7]對(duì)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(cè)試，綜合評(píng)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(duì)高強(qiáng)管線鋼的組織性能產(chǎn)生影響，雖然測(cè)試評(píng)價(jià)手段多樣，但尚未形成統(tǒng)一的測(cè)試評(píng)價(jià)體系，同時(shí)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇也存在差異，不同評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(guò)對(duì)現(xiàn)有輸氫管道及儲(chǔ)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(lèi)型入手，對(duì)煤制氣管道在含氫環(huán)境中的適用性評(píng)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(píng)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(lèi)型

1.1 氫致應(yīng)力開(kāi)裂

氫致應(yīng)力開(kāi)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(lái)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(kāi)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(huì)發(fā)生開(kāi)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_(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行判斷：鈍狀缺口，如腐蝕是不會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力集中的；鋒利的缺陷，如裂紋是會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力集中的，需要重點(diǎn)關(guān)注。HSC測(cè)試的結(jié)果可以用來(lái)評(píng)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(cè)提供依據(jù)。

1.2 塑性和強(qiáng)度降低

高鋼級(jí)管線鋼在氫的作用下，塑性和強(qiáng)度會(huì)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(guò)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(cè)試，對(duì)于評(píng)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(jí)管線鋼在氫和疲勞載荷的作用下通常會(huì)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(mén)檻值ΔKth的降低，進(jìn)而對(duì)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(dòng)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(cè)試，對(duì)于管線運(yùn)行載荷波動(dòng)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(píng)價(jià)方法

2.1 斷裂韌性測(cè)試

斷裂韌性測(cè)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(duì)斷裂韌性進(jìn)行測(cè)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(cè)試方法，并根據(jù)JIC的測(cè)試結(jié)果轉(zhuǎn)換成KIC，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測(cè)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(kāi)位移試驗(yàn)方法》中規(guī)定的金屬材料裂紋尖端張開(kāi)位移的測(cè)試方法，并根據(jù)特征裂紋尖端張開(kāi)位移(CTOD)值采用式(3)進(jìn)行計(jì)算。

無(wú)論采用上述哪種方法，KIH的測(cè)試均需要在含氫環(huán)境中進(jìn)行，同時(shí)需要保證測(cè)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(cè)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(lái)評(píng)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(cè)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(cè)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(duì)稱(chēng)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(cè)試環(huán)境中氫氣組分對(duì)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(píng)價(jià)X80鋼對(duì)氫的敏感性。

通過(guò)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(cè)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(píng)定材料的氫脆敏感性，見(jiàn)式(4)。

根據(jù)LAM等[20]的研究，氣態(tài)氫組分對(duì)碳鋼的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)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(guò)觀察斷口微觀形貌檢查斷裂模式的變化，來(lái)確定試樣是否發(fā)生氫脆斷裂。對(duì)于X80鋼，空氣中拉斷的斷口為韌性斷口，會(huì)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(kāi)裂。

2.3 緊固圓盤(pán)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(duì)環(huán)境艙進(jìn)行增壓，直到樣品爆破，對(duì)比不同氣體環(huán)境中的爆破壓力，評(píng)價(jià)材料對(duì)環(huán)境的敏感性。測(cè)試裝置如圖1所示。

圖1 蝶形爆破測(cè)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(píng)價(jià)材料的氫脆敏感性：比率為1，材料對(duì)環(huán)境不敏感；比率高于2，材料對(duì)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(zhǎng)時(shí)間暴露在這種環(huán)境中，可能會(huì)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(cè)量疲勞裂紋增長(zhǎng)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(cè)試頻率和應(yīng)力比的選擇對(duì)于氫脆敏感性的測(cè)試具有重要的影響，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，評(píng)價(jià)氣態(tài)氫氣影響時(shí)，測(cè)試頻率不應(yīng)超過(guò)0.1 Hz，測(cè)試應(yīng)力Kmin/Kmax不應(yīng)低于0.1。文獻(xiàn)表明[22]，氫對(duì)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(mén)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(duì)于材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率和疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值的影響，從而有效評(píng)價(jià)材料對(duì)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(lèi)型主要有氫致應(yīng)力開(kāi)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(píng)價(jià)方法包括氫致斷裂韌性KIH測(cè)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(cè)試以及含氫環(huán)境中的疲勞擴(kuò)展速率及門(mén)檻值測(cè)試。

(3) 根據(jù)含氫煤制氣環(huán)境中管道材料的適用性評(píng)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(dòng)載荷控制幾個(gè)角度，對(duì)管道的建造和維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。