杜培恩，宋衛(wèi)臣，劉 智，付國強，李 拔，汪 兵，劉清友

(1.中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東 東營 257000；2.鋼鐵研究總院有限公司，北京 100081)

0 前 言

氫能具有儲存運輸便捷、制備途徑多樣以及清潔無污染等突出特點，是新世紀(jì)能源結(jié)構(gòu)中最為重要的部分，因此氫能發(fā)展成為了各個國家新能源戰(zhàn)略的重點[1，2]。發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，對我國構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，實現(xiàn)碳達峰和碳中和具有重要意義。氫能利用的一個重要環(huán)節(jié)是氫氣的輸送，采用長輸管道進行輸送是一種可行而高效的方法[3-5]。預(yù)計到2030 年，我國氫氣年均需求達到4 000 萬噸，氫氣輸送管道長度將達到3 000 km。管線鋼在輸送含氫介質(zhì)時，常會由于氫脆問題導(dǎo)致管道發(fā)生氫損傷。氫氣壓力越高，材料的強度越高，氫損傷現(xiàn)象越明顯，所以實際工程中氫氣管道優(yōu)先選用低鋼級鋼管[5-8]。國際上唯一的氫氣管道標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.12-2014 中推薦采用X42、X52 級鋼管進行氫氣輸送，同時規(guī)定必須考慮氫脆、低溫性能轉(zhuǎn)變等問題[2]。我國目前里程最長、管徑最大、壓力最高的氫氣管道為2015 年建成投產(chǎn)的濟源—洛陽輸氫管道，管道長度為25 km，管道直徑508 mm，輸氫設(shè)計壓力4 MPa，材質(zhì)為L245NS[2，9]。由于L245 鋼管強度較低，一般認(rèn)為其對氫脆不敏感。因此，目前對于L245 管線鋼的相關(guān)研究主要集中在油田介質(zhì)對管道的內(nèi)腐蝕問題[10-13]。Wang 等[14]研究發(fā)現(xiàn)，鐵素體+珠光體低碳鋼在高壓氫氣(30 MPa)環(huán)境下的疲勞斷裂方式由韌性斷裂轉(zhuǎn)變成脆性斷裂，其本質(zhì)原因是氫進入材料內(nèi)部后導(dǎo)致顯微組織內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。Moro 等[15]研究指出X80 管線鋼在高壓氫氣(30 MPa)環(huán)境下會發(fā)生氫脆，其缺口試樣慢拉伸時，會在試樣外表面產(chǎn)生微裂紋，然后以準(zhǔn)解理的方式發(fā)生脆性斷裂。關(guān)鴻鵬等[16]研究發(fā)現(xiàn)，X70 管線鋼在低壓氫氣(氫分壓為0.2 MPa)條件下的缺口慢拉伸斷裂方式與空氣下的沒有明顯不同。盡管國內(nèi)外研究者進行了大量的氫致材料損傷的研究[17-22]，但針對L245低鋼級管線鋼在中壓氫氣環(huán)境下的氫脆敏感性研究較少。本工作采用光滑和缺口試樣慢拉伸等試驗方法對比研究了L245 鋼在4 MPa 氫氣中的氫脆敏感性，為L245 鋼的輸氫管道設(shè)計和應(yīng)用提供參考。

1 試驗材料與方法

試驗材料為L245 無縫鋼管，交貨狀態(tài)為正火，規(guī)格為φ273.10 mm×15.09 mm，其化學(xué)成分列于表1。

表1 試驗鋼的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of test steel

采用光滑和缺口2 種試樣進行慢拉伸試驗，試樣尺寸如圖1 和圖2 所示。試驗標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T 39039-2020“高強度鋼氫致延遲斷裂評價方法”，其中缺口試樣在鋼管心部取樣。

圖1 慢拉伸光滑試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of slow stretching smooth specimen

圖2 慢拉伸缺口試樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of slow stretching notched specimen

試驗前用1 000 號砂紙將試樣標(biāo)距部位打磨光滑以便氫的滲入，同時用丙酮、酒精清洗除去試樣表面的油脂和污染物，然后用吹風(fēng)機吹干。試驗試樣的取樣方向平行于鋼管軸向，每組4 個平行試樣。采用WDML-3-30KN 型微機控制慢拉伸試驗機分別在空氣中和4 MPa 氫氣中進行慢拉伸試驗，慢拉伸應(yīng)變速率為1×10-6mm/s，氫氣中的試驗需要試驗之前預(yù)充氫4 d 且慢拉伸試驗在4 MPa 氫氣環(huán)境箱中進行，然后使用GP-300C 體視顯微鏡測量光滑試樣斷口直徑，斷口直徑每隔45°測量一次；使用JSM-IT300LV 型掃描電鏡測量缺口試樣的斷口直徑，取平均值計算斷口面積。采用Leica MEF-4M 型金相顯微鏡表征母材的室溫組織。采用FEI Quanta 650FEG 型掃描電子顯微鏡觀察試樣的斷口形貌。鋼的氫脆敏感性使用抗拉強度Rm、斷口面收縮率Z、延伸率A和拉伸位移D的損失率來綜合表征[6，17]，損失率計算公式具體如下:損失率＝[1-(S氫氣/S空氣)]×100%，其中S分別表示Rm、Z、A、D。

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗鋼微觀組織

圖3 為試驗鋼壁厚方向的顯微組織，其組織類型為白色多邊形鐵素體+灰黑色珠光體的混合組織?？梢钥吹?，沿著試驗鋼外壁到內(nèi)壁的方向，晶粒尺寸和兩相分布都較為均勻。心部位置的珠光體組織呈現(xiàn)一定程度的帶狀分布。有研究[21，22]表明，鐵素體/珠光體界面可以成為“氫陷阱”，在具有壓力的氫氣環(huán)境中容易使氫在界面處富集，這會導(dǎo)致界面強度降低，這一氫脆機制主要與材料受力方向有關(guān)。

圖3 試驗鋼壁厚方向的顯微組織Fig.3 Microstructure in the direction of wall thickness of experimental steel

2.2 光滑試樣慢拉伸試驗結(jié)果

圖4 為慢拉伸光滑試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖4 慢拉伸光滑試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of slow stretching smooth specimens

由圖4 可知，與空氣中相比，在4 MPa 氫氣中光滑試樣的抗拉強度、斷面收縮率有所下降，而延伸率未下降。進一步對試驗鋼光滑試樣在2 種條件下的抗拉強度、斷面收縮率和延伸率的平均值和損失率進行了統(tǒng)計，列于表2，由表2 可知，試驗鋼光滑試樣在4 MPa 氫氣中的抗拉強度和斷面收縮率均比在空氣中有少量損失，分別為5.2%和4.8%。

表2 慢拉伸光滑試樣的抗拉強度、斷面收縮率和延伸率Table 2 Tensile strength，reduction of area，and elongation of slow stretching smooth specimens

觀察試驗鋼光滑試樣慢拉伸斷口側(cè)面的宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)空氣中的試樣斷口出現(xiàn)明顯的頸縮和45°剪切唇特征，鋸齒狀的斷面呈現(xiàn)出典型的撕裂特征，而4 MPa 氫氣中的斷口側(cè)面外觀則較為平整，也未見到明顯的頸縮特征。

圖5 和圖6 給出了L245 鋼光滑試樣在2 種介質(zhì)中慢拉伸斷口的SEM 形貌。觀察圖5 可知，試樣在空氣中的慢拉伸斷口的低倍形貌主要分為2 個部分，包括心部區(qū)域凹凸不平的纖維區(qū)和邊緣平整并與拉伸軸約呈45°的剪切唇區(qū)，沒有觀察到明顯的放射區(qū)，說明試驗鋼的韌性良好；將2 個區(qū)域放大后發(fā)現(xiàn)均為韌窩形貌，其中邊緣區(qū)域大部分韌窩較淺，并且部分呈拋物線狀，心部則為大小和深度不同的等軸韌窩，由此可知，L245 無縫鋼管在空氣中的慢拉伸斷裂方式為典型的韌性斷裂。圖6a 為光滑試樣在4 MPa 氫氣中的慢拉伸斷口的低倍SEM 形貌，與圖5a 相比，試驗鋼在4 MPa氫氣中的剪切唇形貌不明顯；在斷口邊緣觀察到了多處環(huán)向裂紋(圖6b～6d 中箭頭)，同時也在斷口心部發(fā)現(xiàn)了明顯裂紋(圖6e 中箭頭)，這種斷口邊緣的環(huán)向裂紋是典型的氫致裂紋[15，17]。將環(huán)向裂紋放大，可以觀察到清楚的解理平臺，如圖6g 和圖6h 所示，平臺上還可以觀察到細(xì)小的二次裂紋。將心部裂紋放大，可以觀察到裂紋周圍雖然遍布著韌窩，但是韌窩之間分布著大量細(xì)小的二次裂紋(圖6i 中深色箭頭)。

圖5 慢拉伸光滑試樣在空氣中的斷口SEM 形貌Fig.5 SEM morphologies of the fracture surface of the slow stretching smooth specimen in air

圖6 慢拉伸光滑試樣在4 MPa 氫氣中的斷口SEM 形貌Fig.6 SEM morphologies of the fracture surface of the slow stretching smooth specimen in 4 MPa hydrogen gas

比較圖5 和圖6 可知，中壓氫氣環(huán)境會對L245 鋼的慢拉伸過程產(chǎn)生明顯影響，即在斷口上形成大尺寸的邊緣環(huán)向裂紋和心部細(xì)小裂紋。慢拉伸時在頸縮位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，氫氣則會在應(yīng)力集中的位置富集，然后以氫原子的形式進入到試樣內(nèi)部，促進局部塑性變形，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，使原子鍵斷裂，形成微裂紋，即在斷口邊緣形成環(huán)向裂紋[19]。此外，在圖6 中的位置D 發(fā)現(xiàn)的微裂紋周圍伴隨著大量韌窩，并且觀察到了孔洞相連形成的二次裂紋(如圖6i 中淺色箭頭所示)。眾所周知，韌窩的形成是孔洞形核、長大和連接的結(jié)果，光滑試樣拉伸時發(fā)生頸縮會產(chǎn)生三向應(yīng)力，促使孔洞形核。當(dāng)材料的強度較低或者進入試樣的氫濃度較低時，會出現(xiàn)氫致韌斷[21，22]，氫進入材料內(nèi)部，一方面通過促進微裂紋的萌生和擴展加速微孔形核；另一方面，通過降低微孔的表面能和在微孔內(nèi)形成氫壓增加微孔的穩(wěn)定性；最終促進了微孔的形成，導(dǎo)致應(yīng)力還很低時孔洞就形核、長大并連接，從而引起氫致塑性損失。因此，雖然在4 MPa 氫氣中光滑試樣的慢拉伸斷裂方式仍然以韌性斷裂特征為主，但邊緣環(huán)向裂紋和心部韌窩周圍的大量微裂紋均表明發(fā)生了氫致塑性損傷。

2.3 缺口試樣試驗結(jié)果

圖7 為L245 無縫鋼管慢拉伸缺口試樣的應(yīng)力-位移曲線。如圖7 所示，在4 MPa 氫氣中試驗鋼的抗拉強度出現(xiàn)明顯下降。

圖7 慢拉伸缺口試樣的應(yīng)力-位移曲線Fig.7 Stress-displacement curve of slow tensile notched specimen

進一步對試驗鋼缺口試樣在2 種條件下的抗拉強度、斷面收縮率和拉伸位移的平均值和損失率進行了統(tǒng)計，列于表3。

表3 慢拉伸缺口試樣的抗拉強度、斷面收縮率和拉伸位移Table 3 Tensile strength，reduction of area，and tensile displacement of slow stretching notched specimens

對比表3 和表2 可知，缺口試樣的塑性損失率與光滑試樣的相比大幅度增加，即發(fā)生了氫脆。

觀察慢拉伸缺口試樣斷口側(cè)面的宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)試樣在空氣中的斷口根部頸縮區(qū)不明顯，而在4 MPa氫氣中的斷口未見頸縮區(qū)，斷口心部呈現(xiàn)不規(guī)則的撕裂特征，且在試樣缺口根部觀察到微裂紋。

圖8 為L245 鋼慢拉伸缺口試樣在空氣中的斷口SEM 形貌。

圖8 慢拉伸缺口試樣在空氣中的斷口SEM 形貌Fig.8 SEM morphologies of the fracture surface of the slow stretching notched specimen in air

在缺口試樣的邊緣觀察到較多微裂紋(圖8c 和圖8d)，而心部(圖8b)為近等軸韌窩，說明缺口試樣在慢拉伸時是從缺口位置起裂，然后斷裂區(qū)在試樣心部，因此沒有剪切唇。進一步觀察圖8c，在裂紋的周圍可以看到大量很淺的拋物線韌窩形貌，而在圖8d 中，在靠近邊緣的裂紋周圍可以觀察到河流花樣和解理臺階，而在向內(nèi)的裂紋周圍則分布著不規(guī)則的淺韌窩，說明試樣是從圖8a 的下部邊緣起裂的。觀察圖8e 能看到斷口邊緣的準(zhǔn)解理形貌，但是呈現(xiàn)準(zhǔn)解理形貌的區(qū)域的面積較小，因此整體上仍然為韌性斷裂。比較光滑試樣和缺口試樣的斷口SEM 形貌可知，開缺口后起裂源開始于缺口的某一位置，然后以準(zhǔn)解理斷裂方式向內(nèi)部擴展，加速了試樣斷裂過程，但是在空氣下的整體拉伸斷裂方式?jīng)]有改變，仍然為韌性斷裂為主。

圖9 為L245 鋼慢拉伸缺口試樣在4 MPa 氫氣中的斷口SEM 形貌。

圖9 慢拉伸缺口試樣在4 MPa 氫氣中的斷口SEM 形貌Fig.9 SEM morphologies of the fracture surface of the slow stretching notched specimen in 4 MPa hydrogen gas

可以看到，其心部形貌與空氣中的慢拉伸缺口試樣相似，均為等軸韌窩；但是其邊緣位置則完全呈現(xiàn)出解理斷裂形貌，并伴隨有大量微裂紋，與L245 鋼慢拉伸光滑試樣在4 MPa 氫氣中的斷口SEM 形貌(圖6)比較可知，缺口試樣斷口上解理斷裂的區(qū)域顯著增加(圖8c～圖8i)。由此可知，缺口試樣在4 MPa 氫氣中進行慢拉伸時，缺口位置處于三向應(yīng)力加載狀態(tài)，在本試驗的中壓氫氣環(huán)境下，氫原子進入金屬內(nèi)部會在應(yīng)力的誘導(dǎo)作用下向高的三向拉應(yīng)力區(qū)擴散和聚集，進而形成微裂紋，使得材料塑性下降，同時產(chǎn)生脆性斷裂的特征，以準(zhǔn)解理的方式向內(nèi)部擴展，但是在試樣心部位置仍然為韌窩形貌的韌性斷裂特征。進一步比較圖8b和圖9b 可知，雖然慢拉伸缺口試樣斷口心部均為韌窩形貌，但是在4 MPa 氫氣環(huán)境下斷口心部韌窩的尺寸明顯變大、變平，說明發(fā)生了氫致塑性損失，與光滑試樣的情況近似，發(fā)生了氫致韌斷。綜上所述，L245 鋼在4 MPa 氫氣中的缺口拉伸斷裂方式為邊部準(zhǔn)解理斷裂和心部氫致韌斷相結(jié)合。

3 結(jié) 論

(1)L245 鋼慢拉伸光滑試樣在4 MPa 氫氣中的抗拉強度、斷面收縮率和延伸率的損失率分別為5.2%、4.8%和-0.1%，損失率較??；而在4 MPa 氫氣中L245鋼缺口試樣的抗拉強度、斷面收縮率、拉伸位移損失率分別達到19.1%、45.6%、15.4%，即發(fā)生了氫脆。

(2)L245 鋼在空氣介質(zhì)中的慢拉伸斷裂方式為韌性斷裂；開缺口后會在缺口位置產(chǎn)生起裂源，然后以準(zhǔn)解理斷裂的方式向內(nèi)部擴展，加速試樣斷裂過程，但試樣心部仍然為韌窩形貌，整體上仍然以韌性斷裂為主。

(3)L245 鋼光滑試樣在4 MPa 氫氣環(huán)境中慢拉伸時，會在頸縮位置產(chǎn)生微裂紋形成裂紋源。開缺口后，斷口上由外向內(nèi)出現(xiàn)大量準(zhǔn)解理斷裂區(qū)域，導(dǎo)致斷裂過程加劇，同時斷口心部發(fā)生了氫致韌斷，最終導(dǎo)致強度和塑性損失率大幅度增加，從而發(fā)生氫脆。