高壓臨氫環(huán)境中材料氫脆測(cè)試方法討論

翟建明 徐 彤 壽比南 桂樂樂

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

高壓臨氫環(huán)境中材料氫脆測(cè)試方法討論

翟建明 徐 彤 壽比南 桂樂樂

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

材料的高壓氫脆問題是氫氣儲(chǔ)運(yùn)中所常見的，針對(duì)材料氫脆性能的評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法在國(guó)際上已經(jīng)有許多標(biāo)準(zhǔn)發(fā)行，我國(guó)尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本文即針對(duì)材料氫脆的測(cè)試方法進(jìn)行了介紹及討論。根據(jù)載荷作用機(jī)制的不同，材料高壓氫脆的測(cè)試方法可以分為三大類，分別為圓片試驗(yàn)方法、基于斷裂力學(xué)的試驗(yàn)方法與基于慢應(yīng)變速率拉伸的試驗(yàn)方法。這三類試驗(yàn)方法根據(jù)試樣形式的不同會(huì)有所變動(dòng)，在材料性能測(cè)試中所檢測(cè)的指標(biāo)也會(huì)有所不同，需根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行合理選擇。此外，為了推進(jìn)材料氫脆性能評(píng)價(jià)研究，需加快對(duì)高壓氫氣試驗(yàn)裝備的研發(fā)。

高壓儲(chǔ)氫 氫脆 圓片試驗(yàn) 斷裂力學(xué) 慢應(yīng)變速率拉伸

隨著能源短缺與環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，氫能作為可再生性能源與清潔能源成為最具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d能源。對(duì)氫能儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的制造與安全性檢測(cè)也變得越來越重要。2013年在比利時(shí)召開的國(guó)際氫安全會(huì)議上，其主題即為“氫能技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)施安全的新進(jìn)展：向零碳能源進(jìn)發(fā)”[1]，可見國(guó)際上對(duì)氫能儲(chǔ)運(yùn)及基礎(chǔ)設(shè)施中安全問題的重視。當(dāng)前的儲(chǔ)氫技術(shù)，主要分為高壓儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫、活性炭低溫吸附儲(chǔ)氫、納米碳管儲(chǔ)氫、液體有機(jī)氫化物儲(chǔ)氫等[2-4]，其中高壓儲(chǔ)氫具有容器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、氫氣制備壓縮能耗少、充裝速率快等優(yōu)點(diǎn)，是最易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的氫能儲(chǔ)存方式[5]。

高壓儲(chǔ)氫氣瓶、長(zhǎng)管拖車氣瓶是氫能儲(chǔ)運(yùn)中的關(guān)鍵設(shè)備，在高壓臨氫環(huán)境中，鋼瓶材料會(huì)遭受氫致開裂、氫脆或疲勞損傷等，使儲(chǔ)氫氣瓶用鋼的材料選擇成為首要關(guān)鍵問題。根據(jù)TSG R0006—2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[6]2.3.3中的材料相容性要求：所有與盛裝氣體接觸的金屬或者非金屬氣瓶材料應(yīng)當(dāng)與其所充裝氣體具有相容性。對(duì)儲(chǔ)氫氣瓶而言，則應(yīng)當(dāng)進(jìn)行氫氣與材料之間的相容性檢測(cè)即材料對(duì)氫脆的抵抗能力測(cè)試，也稱為材料的氫脆敏感性測(cè)試。在材料氫脆敏感性測(cè)試中，我國(guó)尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)行。目前可以參考的標(biāo)準(zhǔn)有ISO 11114-4： 2005[7]、ASTM F1459-06（Reapproved 2012）[8]、ASTM G142-98 （Reapproved 2011）[9]、ASTM F519-97e2[10]。為了推進(jìn)我國(guó)材料氫脆敏感性測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)化工作，本文針對(duì)材料氫脆敏感性的測(cè)試方法問題，結(jié)合國(guó)際上的氫脆敏感性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，介紹了當(dāng)前進(jìn)行材料高壓氫脆敏感性測(cè)試的幾種方法，并進(jìn)行了討論。

1 材料高壓氫脆測(cè)試方法介紹

1.1 圓片試驗(yàn)方法

圓片試驗(yàn)是指以恒定增壓速率將圓片試樣爆破，通過對(duì)比氫氣爆破壓力pH2與氦氣爆破壓力pHe之間的比值，評(píng)價(jià)材料對(duì)氫脆的抵抗能力。其中氦氣作為參照氣體進(jìn)行試驗(yàn)。該試驗(yàn)方法在ISO 11114-4：2005中的A方法、ASTM F1459-06 （Reapproved 2012）標(biāo)準(zhǔn)中均有介紹。試驗(yàn)的夾具形狀如圖1所示，試樣為圓片試樣，直徑為58mm，厚度為0.75mm，要求平面度小于0.1mm，粗糙度小于0.001mm。

試驗(yàn)過程中，需要將系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行抽真空處理，去除空氣、濕氣及殘余氣體。試驗(yàn)時(shí)要確認(rèn)試驗(yàn)氣體的純度，一般要求氦氣、氫氣的純度均要達(dá)到99.995%以上。在氦氣中試驗(yàn)時(shí)，試樣數(shù)量至少為6個(gè)，氫氣試驗(yàn)時(shí)的樣品至少為9個(gè)，增壓速率應(yīng)當(dāng)保持在0.1～1000bar/min之間，建議增壓速率可設(shè)置為0.1、1、10、100、500和1000bar/min，但在同一批次的試驗(yàn)中，應(yīng)當(dāng)保持增壓速率恒定。

在材料氫脆敏感性的評(píng)價(jià)指標(biāo)中，ISO 11114-4：2005認(rèn)為pHe/pH2的比值小于2時(shí)，該材料是可以應(yīng)用于氫氣環(huán)境中的。相對(duì)比于ISO 11114-4：2005，ASTM F1459-06給出了更加細(xì)化的材料氫脆敏感性的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則：根據(jù)pHe/pH2的比值進(jìn)行評(píng)價(jià)材料的氫脆敏感性，若比值等于1，則認(rèn)為該材料對(duì)氫氣并不敏感；如果比值大于等于2，認(rèn)為該材料對(duì)氫氣比較敏感，若在具有氫氣的環(huán)境中服役，應(yīng)當(dāng)采取一定的防護(hù)措施，避免材料直接暴露在空氣中；若比值介于1與2之間，則認(rèn)為材料在臨氫環(huán)境中長(zhǎng)期服役可能會(huì)引發(fā)氫脆。

圖1 用于圓片試驗(yàn)的裝置

1.2 基于斷裂力學(xué)的試驗(yàn)方法

基于斷裂力學(xué)的試驗(yàn)方法旨在確定金屬材料在高壓氫氣環(huán)境中的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KIH，該值可代表材料在氫環(huán)境下抵抗開裂的能力。在ISO 11114-4：2005標(biāo)準(zhǔn)中的B方法、C方法均是基于斷裂力學(xué)的試驗(yàn)方法。

ISO 11114-4：2005標(biāo)準(zhǔn)B方法是采用CT試樣進(jìn)行，試驗(yàn)首先會(huì)進(jìn)行疲勞裂紋預(yù)制，隨后通過在密閉的高壓氫環(huán)境中進(jìn)行CT試樣的拉伸加載，利用臺(tái)階式遞增載荷、保載（20min）的方式加載至試樣斷裂。試樣的KIH按照ISO 7539-6： 2003[11]中的公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

P——試樣發(fā)生斷裂前的載荷；

B——試樣的厚度；

W——試樣的寬度。

ISO 11114-4：2005標(biāo)準(zhǔn)C方法是采用帶有裂紋缺陷的CT試樣進(jìn)行，對(duì)試樣加載一個(gè)大于等于KIAPP的載荷，采用恒位移的試驗(yàn)方法將試樣放置在高壓氫中特定的時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)束后檢查裂紋是否發(fā)生擴(kuò)展。試樣所需加載的最低KIAPP根據(jù)試樣的抗拉強(qiáng)度Rm計(jì)算得到：

在C方法試驗(yàn)中可采取缺口張開位移（CMOD）的方法控制試樣的加載載荷，KIAPP值與試樣張開口位移V之間的關(guān)系如下：

式中：

V——試樣的張開口位移；

W——試樣寬度；

B——試樣厚度；

BN——帶側(cè)槽試樣厚度（對(duì)無側(cè)槽試樣有BN=B）；

a0——預(yù)制的裂紋長(zhǎng)度；

E——彈性模量。

方法B與方法C試驗(yàn)均需要在一個(gè)封閉的高壓氫環(huán)境中進(jìn)行，其中氫氣壓力至少達(dá)到15MPa。兩種方法的區(qū)別就在于試驗(yàn)加載的方式，B方法中對(duì)試樣的加載可以實(shí)時(shí)進(jìn)行，試驗(yàn)的時(shí)間也比較短；而C方法中對(duì)試樣的加載是通過楔形塊進(jìn)行的恒位移加載，試驗(yàn)的時(shí)間為至少1000h。在材料氫脆敏感性的評(píng)價(jià)指標(biāo)中，B方法認(rèn)為試驗(yàn)得到的KIH值大于或等于（60/950）RmMPa·m1/2（Rm為試樣的抗拉強(qiáng)度），則認(rèn)為該材料可適用于所測(cè)試氣瓶；C方法是在試驗(yàn)完成后拉斷試樣進(jìn)行裂紋斷面的觀察并進(jìn)行測(cè)量，若無裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象或裂紋擴(kuò)展量小于0.25mm，則認(rèn)為材料通過了試驗(yàn)，具備抵抗氫致開裂的能力。對(duì)比以上兩種評(píng)價(jià)指標(biāo)，可發(fā)現(xiàn)B方法中（60/950）RmMPa·m1/2值與式（2）是一致的，因此，兩種方法在本質(zhì)上是相同的，均是加載一個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度因子值，評(píng)價(jià)材料在某個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度因子值下是否會(huì)發(fā)生氫致開裂的問題。

1.3 基于慢應(yīng)變速率拉伸的材料氫脆敏感性評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法

慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)常見于材料應(yīng)力腐蝕性能的評(píng)價(jià)中，只有將材料承受變形的速率降低，才會(huì)使環(huán)境具備足夠的時(shí)間作用于試樣，并通過對(duì)拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面收縮率、斷后伸長(zhǎng)率等指標(biāo)的變化來評(píng)價(jià)材料對(duì)環(huán)境的敏感性。在標(biāo)準(zhǔn)ASTM G142-98（Reapproved 2011）中、ASTM F519-97e2中均提到了用于材料氫脆評(píng)價(jià)的慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)。圖2所示為用于慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)的光滑試樣與缺口試樣，通過光滑試樣與缺口試樣的慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)，可以評(píng)價(jià)材料對(duì)高壓氫環(huán)境、缺口對(duì)高壓氫環(huán)境的敏感性。

圖2 用于氫脆敏感性試驗(yàn)的光滑試樣與缺口試樣

需要特別指出的是，ASTM G142-98（Reapproved 2011）標(biāo)準(zhǔn)，提供了幾種氫脆敏感性試驗(yàn)結(jié)果具有重復(fù)性的對(duì)照材料，以便與待評(píng)價(jià)材料形成對(duì)比，用以評(píng)價(jià)該材料對(duì)氫脆的抵抗力。對(duì)照性材料按照對(duì)氫脆的抵抗力分為低、中、高三個(gè)等級(jí)，低氫脆抵抗力的材料為低合金鋼UNS G43400，熱處理狀態(tài)為900℃奧氏體化1h，水冷，然后在454℃回火2h；中等氫脆抵抗力的材料為鎳基合金UNS N07718，熱處理狀態(tài)為954℃固溶退火1h，空冷，在718℃中時(shí)效8h，爐冷至620℃，保持8h然后空冷；高氫脆抵抗力的材料為不銹鋼A286-AMS5737，熱處理狀態(tài)為893℃固溶退火1h，水冷，在721℃中時(shí)效16h，隨后空冷。在相同的試驗(yàn)環(huán)境中，通過待評(píng)價(jià)材料與對(duì)照材料性能指標(biāo)（如斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率）的對(duì)比，評(píng)價(jià)材料在臨氫環(huán)境中的抗氫脆能力。

2 討論

2.1 材料氫脆試驗(yàn)方法的應(yīng)用情況

本文主要介紹了材料高壓氫脆試驗(yàn)的三種試驗(yàn)方法，分別為圓片試驗(yàn)方法、基于斷裂力學(xué)的試驗(yàn)方法以及基于慢應(yīng)變速率拉伸的試驗(yàn)方法。以上試驗(yàn)方法在國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)之中已有記載，如ISO 11114-4： 2005、ASTM F1459-06 （Reapproved 2012） 、ASTM G142-98 （Reapproved 2011）、ASTM F519-97e2，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)之中雖有提及卻未曾應(yīng)用于材料高壓氫脆的敏感性評(píng)價(jià)，如GB/T 15970.7—2000[12]。在圓片試驗(yàn)及基于斷裂力學(xué)的試驗(yàn)中，ISO 11114-4： 2005標(biāo)準(zhǔn)在歐洲與美洲均有廣泛的應(yīng)用，該標(biāo)準(zhǔn)在法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、歐盟中的代號(hào)分別為NF E29-648-4： 2006、DIN EN ISO 1114-4： 2005、BS EN ISO 11114-4：2007、EN ISO 11114-4： 2007。奧地利氫研究中心、法國(guó)原子能研究中心（法國(guó)原子能委員會(huì)）、法國(guó)蘇伊士燃?xì)饧瘓F(tuán)、法國(guó)液空公司[13-15]在研究中根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法進(jìn)行了材料氫脆敏感性的測(cè)試，有圓片試驗(yàn)方法也有基于斷裂力學(xué)的材料氫脆性能的研究；美洲地區(qū)如阿根廷原子能委員會(huì)、美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究中，也提到了在氫脆研究中對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的參考[16，17]。

在基于慢應(yīng)變速率拉伸的試驗(yàn)研究中，日本JSW（日本制鋼所）的Takasawa K利用45MPa高壓釜對(duì)試樣進(jìn)行了慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)[18]。圖3所示為研究中所采用的試驗(yàn)裝置示意圖，試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)變速率為1.5×10-5/s，溫度為室溫。研究提出了氫脆的脆化指標(biāo)EI，即EI = （RAair- RAH）/RAair，其中RA代表斷面收縮率，下標(biāo)air、H分別代表空氣、氫氣中的試驗(yàn)。德國(guó)歐寶汽車公司的Michler T聯(lián)合俄羅斯實(shí)驗(yàn)物理研究院（RFNC-VNIIEF）及寶馬汽車公司展開了氣瓶用材料在氫環(huán)境中的慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)研究[19]。圖4所示為慢應(yīng)變速率拉伸的試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)變速率為3.3×10-5/s或9.2×10-5/s。研究提出了相對(duì)斷面收縮率來衡量材料對(duì)環(huán)境氫脆的敏感性，即RRA = RAH2/RAHe，其中RA代表斷面收縮率，下標(biāo)H2、He分別代表氫氣、氦氣環(huán)境中的試驗(yàn)。該研究提出的RRA與日本Takasawa提出的EI指標(biāo)具有共性之處。由此可見，試樣的斷面收縮率是衡量材料氫脆敏感性的重要指標(biāo)。在高壓氫氣的影響下，材料的斷面收縮率會(huì)有明顯下降，表明材料塑性的損失，相應(yīng)的其脆性就會(huì)增加。同時(shí)還要注意試樣斷后伸長(zhǎng)率的變化。斷面收縮率與伸長(zhǎng)率都是衡量材料塑性的重要指標(biāo)，氫脆所引起的材料塑性損失會(huì)引起這兩個(gè)指標(biāo)比較明顯的變化。

圖3 慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)高壓氫氣裝置

圖4 UTS 100K慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)機(jī)

2.2 材料氫脆試驗(yàn)方法注意事項(xiàng)及國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

在以上所介紹的試驗(yàn)方法中，圓片試驗(yàn)方法通過對(duì)比pHe/pH2值的變化，實(shí)現(xiàn)了材料與氫氣之間的兼容性評(píng)價(jià)。在測(cè)試原理上，氣壓施加在圓片上，在圓片的厚度方向就會(huì)形成一個(gè)薄膜應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力達(dá)到材料的屈服時(shí)，會(huì)使圓片整體發(fā)生塑性變形，隨后發(fā)生失效。該試驗(yàn)需注意圓片爆破瞬間的氣體泄放問題，高壓氫氣會(huì)瞬間釋放至上端法蘭所提供的空間內(nèi)，對(duì)設(shè)備提出了非常高的密封、泄放及測(cè)試要求。在我國(guó)國(guó)內(nèi)，合肥通用機(jī)械研究院、西安摩爾石油工程實(shí)驗(yàn)室有限公司均在專利中提及了該裝置[20，21]。該方法所采用的圓片試驗(yàn)可模擬承壓設(shè)備中的薄膜應(yīng)力狀態(tài)，是實(shí)現(xiàn)材料微損的氫脆敏感性評(píng)價(jià)的有效辦法，但由于圓片試樣較小，在今后的研究中還應(yīng)注意尺寸效應(yīng)對(duì)材料性能的影響。

基于斷裂力學(xué)的材料氫脆試驗(yàn)方法，需要在一個(gè)密閉的高壓氫環(huán)境試驗(yàn)裝置中進(jìn)行。其中方法B要求試驗(yàn)設(shè)備具有良好的滑動(dòng)密封，為實(shí)現(xiàn)精確加載，還需消除滑動(dòng)密封對(duì)試驗(yàn)機(jī)所產(chǎn)生的摩擦力影響；而方法C則只需在一個(gè)固定密封的容器內(nèi)完成，所需要的試驗(yàn)設(shè)備相對(duì)比較簡(jiǎn)單，保證其密封性能即可。但在試驗(yàn)設(shè)備制造中，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家在設(shè)備材料選用、密封設(shè)計(jì)的選擇上仍然存在很大的經(jīng)驗(yàn)不足，使滑動(dòng)密封設(shè)計(jì)面臨著更多的技術(shù)難題，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性較差。就目前我國(guó)所具備的科研條件與試驗(yàn)設(shè)備條件而言，開展B方法試驗(yàn)尚不成熟。由于C方法僅僅要求試驗(yàn)設(shè)備的靜密封能力，目前的國(guó)產(chǎn)高壓儲(chǔ)氫釜完全可以滿足該條件。中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院在2008年已經(jīng)可以進(jìn)行該試驗(yàn)，并與石家莊安瑞科氣體機(jī)械有限公司合作開展了4130X鋼在45MPa下的氫脆敏感性試驗(yàn)研究，次年該公司通過了45MPa儲(chǔ)氫氣瓶的技術(shù)鑒定。目前中國(guó)特檢院已熟練掌握方法C中的試驗(yàn)技術(shù)并將壓力提升至90MPa[22]。除了以上試驗(yàn)方法，還有一種采用WOL試樣的斷裂力學(xué)試驗(yàn)方法，除了加載方式的不同，WOL試樣所采用的試驗(yàn)設(shè)備與程序與方法C相同。早在20世紀(jì)90年代，李曉東等就對(duì)150個(gè)大氣壓下的A372鋼的KIH進(jìn)行了測(cè)試[23]，證明了A372材料優(yōu)異的抗氫脆性能。中國(guó)特檢院采用WOL試樣對(duì)4130X鋼氫脆性能的研究中，驗(yàn)證了該方法的可行性與準(zhǔn)確性。

慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)方法因采用試驗(yàn)設(shè)備的不同，所面臨的技術(shù)困難也會(huì)有所不同，浙江大學(xué)鄭津洋教授針對(duì)材料高壓氫環(huán)境下的耐久性試驗(yàn)裝置的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的描述[24]，在密封、軸向拉桿力平衡及載荷精確測(cè)量領(lǐng)域仍然存在許多技術(shù)難題，亟待國(guó)內(nèi)的科研院所及高校、企業(yè)對(duì)該方向的技術(shù)攻關(guān)。

綜上所述，在材料高壓氫脆敏感性的研究中，我國(guó)起步仍然較晚，發(fā)展也比較緩慢。目前所具有的試驗(yàn)方法有GB/T 24185—2009《逐級(jí)加力法測(cè)定鋼中氫脆臨界值試驗(yàn)方法》、GB/T 23606—2009《銅氫脆檢驗(yàn)方法》與GB/T 8590—2006《管線鋼和壓力容器鋼抗氫致開裂評(píng)定方法》。以上方法缺少對(duì)高壓氫脆的試驗(yàn)方法，且目前國(guó)內(nèi)所具備的硬件條件也落后于歐美、日本等國(guó)家。究其原因，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)缺失、對(duì)氫氣高壓危險(xiǎn)性的擔(dān)憂等都是阻礙該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的瓶頸，導(dǎo)致在氫能源的推廣與應(yīng)用上也落后于其他發(fā)達(dá)國(guó)家。要加強(qiáng)材料在氫環(huán)境中的性能測(cè)試方法的研究，除了自身科研能力的提高，開展新能源企業(yè)、高校以及科研院所之間的合作交流是一個(gè)非常有效的途徑。

3 結(jié)論

隨著氫能源的興起與發(fā)展，與氫脆相關(guān)的問題將會(huì)越來越多，開展材料的高壓氫脆敏感性測(cè)試、高壓氫脆的發(fā)生機(jī)理、預(yù)防措施等研究也會(huì)顯得越來越迫切。高壓儲(chǔ)氫氣瓶中的材料氫脆屬于環(huán)境氫脆（HEE），我國(guó)目前尚無材料高壓氫脆測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)行。本文通過調(diào)研對(duì)國(guó)際上材料氫脆的測(cè)試方法進(jìn)行了介紹并討論，小結(jié)如下：

1）在現(xiàn)行的材料氫脆性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)中，根據(jù)力學(xué)作用機(jī)制的不同可歸為三大類，分別為圓片試驗(yàn)方法、基于斷裂力學(xué)的試驗(yàn)方法與基于慢應(yīng)變速率拉伸的試驗(yàn)方法；

2）圓片試驗(yàn)方法通過材料在高壓氫氣環(huán)境與氦氣環(huán)境中的爆破壓力對(duì)比進(jìn)行材料氫脆敏感性的評(píng)價(jià)，該方法可模擬承壓設(shè)備中的薄膜應(yīng)力狀態(tài)，但由于圓片試樣較小，需注意尺寸效應(yīng)對(duì)材料性能的影響；

3）基于斷裂力學(xué)的材料氫脆性能試驗(yàn)方法是根據(jù)材料加載的應(yīng)力強(qiáng)度因子恒量材料是否會(huì)產(chǎn)生氫致開裂，評(píng)價(jià)材料的氫脆性能。該方法可以更加有效的評(píng)價(jià)材料抵抗環(huán)境斷裂的能力，由于試驗(yàn)裝備的限制，目前國(guó)內(nèi)常用的是采用CT試樣、WOL試樣進(jìn)行靜態(tài)密封高壓充氫的試驗(yàn)技術(shù)；

4）慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)主要用于評(píng)價(jià)材料在高壓氫環(huán)境中的拉伸性能，不同研究機(jī)構(gòu)所采用的試驗(yàn)裝置差異性很大，在密封、軸向拉桿力平衡及載荷精確測(cè)量領(lǐng)域仍然存在許多技術(shù)難題，是我國(guó)材料氫脆測(cè)試裝備制造中亟須發(fā)展的研究方向。

[1] 歐可升，鄭津洋，花爭(zhēng)立，等. 國(guó)際氫安全領(lǐng)域研究熱點(diǎn)及最新進(jìn)展——記第五屆國(guó)際氫安全會(huì)議(ICHS 2013)[J]. 中外能源，2014，(01)： 34-38.

[2] Andreas Z. Materials for hydrogen storage[J].Materials Today， 2003， (06)： 24-33.

[3] Appleby A. Fuel cell and hydrogen fuel[J].International Joumal of Hydrogen Energy， 1994， 19(02)：175-180.

[4] Sehlapbach L， Zuttel A. Hydrogen-storage Materials for Mobile Applications[J]. Nature， 2001， 414： 353-358.

[5] 陳瑞. 高壓儲(chǔ)氫風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)， 2008.

[6] TSG R0006—2014 氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[7] ISO 11114-4： 2005. Transportable gas cylinderscompatibility of cylinder and valve materials with gas contents-part4： test methods for selecting metallic materials resistance to hydrogen embrittlement[S].

[8] ASTM F1459-06 (reapproved 2012) standard Test method for Determination of the susceptibility of metallic materials to hydrogen gas embrittlement(HGE)。 (reapproved 2012)。ASTM International， 100 Barr Harbor Drive， PO Box C700， West Conshohocken， PA 19428-2959. United States.[9] ASTM G142-98(Reapproved 2011) Standard test method for determination of susceptibility of metals to embrittlement in hydrogen containing environments at high pressure， high temperature， or both. ASTM International， 100 Barr Harbor Drive， PO Box C700，West Conshohocken， PA 19428-2959. United States.

[10] ASTM F519-97 Standard test method for mechanical hydrogen embrittlement evaluation of plating processes and service environment.ASTM， 100 Barr Harbor Drive， West Conshohocken， PA 19428-2959， United States.

[11] ISO 7539-6： 2003. Corrosion of metals and alloys- Stress corrosion testing - part6： Preparation and use of pre-cracked specimens for tests under constant load or constant displacement [S].

[12] GB/T 15970.7—2000 金屬和合金的腐蝕 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn) 第7部分慢應(yīng)變速率試驗(yàn)[S].

[13] Klell M， Eichlseder H， Sartory M. Mixtures of hydrogen and methane in the internal combustion engine-Synergies， potential and regulations[J]. International Journal of Hydrogen Energy， 2012， 37(15)： 11531-11540.

[14] Briottet L， Moro I， Lemoine P. Quantifying the hydrogen embrittlement of pipeline steels for safety considerations[J]. International Journal of Hydrogen Energy， 2012， 37(22)： 17616-17623.

[15] Briottet L， Batisse R， de Dinechin G， et al.Recommendations on X80 steel for the design of hydrogen gas transmission pipelines[J]. International Journal of Hydrogen Energy， 2012， 37(11)： 9423-9430.

[16] Aprea J L. Hydrogen energy demonstration plant in Patagonia： Description and safety issues[J]. International Journal of Hydrogen Energy， 2009， 34(10)： 4684-4691.

[17] San Marchi C， Somerday B P， Nibur K A.Development of methods for evaluating hydrogen compatibility and suitability[J]. International Journal of Hydrogen Energy， 2014， 39(35)： 20434-20439.

[18] Takasawa K， Ikeda R， Ishikawa N， et al. Effects of grain size and dislocation density on the susceptibility to high-pressure hydrogen environment embrittlement of high-strength low-alloy steels[J]. International journal of hydrogen energy， 2012， 37(03)： 2669-2675.

[19] Michler T， Yukhimchuk A A， Naumann J. Hydrogen environment embrittltment testing at low temperatures and high pressures[J]. Corrosion Science， 2008， (50)： 3519-3526.

[20] 陳學(xué)東，徐鵬，吳玉月，等. 高壓氫脆結(jié)構(gòu)試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法[P].安徽：CN104215513A，2014-12-17.

[21] 韓勇，趙國(guó)仙，田增，等.一種材料抗氫脆性能檢測(cè)試驗(yàn)裝置[P].陜西：CN104330312A，2015-02-04.

[22] Zhai J M， Shou B N， Wang H X， et al. A hydrogen compatibility and suitability evaluation of the seamless steel tube 4130X[C]//Proceedings of the ASME 2016 Pressure Vessels and Piping Conference. July 17-21， 2016， Vancouver， British Columbia， Canada.

[23] 李曉東， 陳良奭. 常溫高壓氫環(huán)境下測(cè)定A372鋼KIH的氫脆實(shí)驗(yàn)[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)， 1994，6(02)： 188-191.

[24] 鄭津洋， 周池樓， 徐平，等. 高壓氫環(huán)境材料耐久性測(cè)試裝置的研究進(jìn)展[J]. 太陽能學(xué)報(bào)， 2013，34(08)： 1477-1483.

Discussion of the Hydrogen Embrittlement Test Methods for Materials under High-Pressure Hydrogen Environment

Zhai Jianming Xu Tong Shou Binan Gui Lele
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

The hydrogen embrittlement(HE) is a common phenomenon in the storage and transportation of high pressure hydrogen, several standards have issued in the world for the evaluation of the HE of materials. However,there is no relevant standard for the HE test, so the test methods for HE were discussed in this paper. According to the differences of the mechanism, three type of tests is described, i.e. the disc test method, the test method based on the fracture mechanics and the test method based on the slow-strain rate tensile test. According to the different form of samples, the test methods and the performances may be different, which should be carried out according to the engineering practice. In addition, in order to promote the HE evaluation study of materials, the equipment used for the high-pressure hydrogen test research should be speed up and development.

High-pressure Hydrogen storage Hydrogen embrittlement(HE) Disc test Fracture mechanics Slow-strain rate tensile test

X924

B

1673-257X（2017）10-0001-06

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.10.001

翟建明（1985～)，男，博士，高級(jí)工程師，從事材料疲勞斷裂及環(huán)境氫脆等性能研究工作。

翟建明，E-mail： jmzhai@163.com。

質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助（201510072）

2017-05-08）