氫環(huán)境對(duì)高鋼級(jí)管線(xiàn)鋼力學(xué)性能影響規(guī)律研究

艾紅倪 張 東 于浩波 彭世垚 歐陽(yáng)欣 張對(duì)紅 劉嘯奔

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國(guó)家工程中心 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣裝備材料失效與腐蝕防護(hù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3.國(guó)家管網(wǎng)科學(xué)技術(shù)研究總院分公司)

0 引 言

“雙碳”目標(biāo)的提出明確了我國(guó)能源系統(tǒng)向低碳化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)，而氫能對(duì)于“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起到了尤為重要的作用[1-2]。氫能的利用首先要解決大規(guī)模、安全及高效運(yùn)輸氫氣的問(wèn)題。利用現(xiàn)有天然氣管道輸送混氫天然氣對(duì)降低氫氣輸送成本、擴(kuò)大輸送范圍有重要意義，更有力地促進(jìn)了西部可再生能源制氫的發(fā)展[1]。進(jìn)入21世紀(jì)后，多個(gè)國(guó)家均設(shè)立了天然氣管道混氫輸送示范項(xiàng)目[3-4]，并且相繼開(kāi)展了在役天然氣管道摻氫試驗(yàn)與研究，取得了一定的研究成果。

在役天然氣管道摻入氫氣后，由于氫氣與天然氣特性存在差異，將會(huì)給摻氫天然氣系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)帶來(lái)技術(shù)和安全等方面的挑戰(zhàn)，其中氫對(duì)管道母材及焊縫的影響是建設(shè)摻氫天然氣管道需解決的首要問(wèn)題。近年來(lái)，我國(guó)天然氣長(zhǎng)輸管道正向著長(zhǎng)運(yùn)距、大口徑、高壓力及高鋼級(jí)方向發(fā)展，且輸氣干線(xiàn)所用鋼材以X70和X80管線(xiàn)鋼為主，故相關(guān)學(xué)者相繼以高鋼級(jí)管道為研究對(duì)象，分別針對(duì)設(shè)計(jì)、運(yùn)行、評(píng)價(jià)及維護(hù)等諸多方面開(kāi)展研究[10-18]。在目前氫與管道相容性研究中，所開(kāi)展的試驗(yàn)主要針對(duì)純氫環(huán)境、煤制氣環(huán)境或低摻氫比(體積分?jǐn)?shù))條件下等級(jí)在X70及以下的管線(xiàn)鋼力學(xué)性能的研究[5-9]，且由于氫環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不完善，導(dǎo)致現(xiàn)有的試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，不同學(xué)者得出的研究結(jié)論存在顯著差異[19-22]。于是提出接近真實(shí)管道服役狀態(tài)的氫環(huán)境模擬方法來(lái)完善試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并探究氫環(huán)境下高鋼級(jí)管道力學(xué)性能劣化規(guī)律，是我國(guó)高壓天然氣管道摻氫可行性論證的重要一環(huán)。本文通過(guò)總結(jié)并對(duì)比現(xiàn)有試驗(yàn)過(guò)程中氫環(huán)境的模擬方法，得出接近于真實(shí)管道服役狀態(tài)的氫環(huán)境模擬方法，并結(jié)合研究需求，以X80管線(xiàn)鋼為主要研究對(duì)象，開(kāi)展慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)，獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試樣斷口形貌，分析氫對(duì)管線(xiàn)鋼力學(xué)性能的影響規(guī)律，以期為摻氫天然氣管道完整性評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)環(huán)境與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 氫環(huán)境模擬方法

在已開(kāi)展的氫與管道相容性試驗(yàn)中，對(duì)于氫環(huán)境的模擬主要分為2類(lèi)：預(yù)充氫環(huán)境和臨氫環(huán)境。所謂預(yù)充氫是指在力學(xué)試驗(yàn)開(kāi)始前將試驗(yàn)所用試樣置于靜態(tài)氫環(huán)境下，充氫完成后再進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)，主要采用高壓氣相預(yù)充氫、電化學(xué)預(yù)充氫[23]以及高壓氣相熱充氫等方法；動(dòng)態(tài)充氫則是在力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)過(guò)程中，采用液相或氣相充氫的方法對(duì)試樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)充氫操作[24-26]。統(tǒng)計(jì)已發(fā)表文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前相關(guān)試驗(yàn)主要通過(guò)電化學(xué)充氫和氣相充氫2種方式開(kāi)展。

由于試驗(yàn)條件限制、電化學(xué)充氫操作簡(jiǎn)單等，目前采用電化學(xué)充氫方法進(jìn)行氫與管道相容性試驗(yàn)占有較大比例。文獻(xiàn)[7]、[27]及[28]均通過(guò)電化學(xué)預(yù)充氫方法對(duì)多種APⅠ級(jí)管線(xiàn)鋼(X60SS、X60、X70、X80及X100等)的氫脆敏感性進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：每種管線(xiàn)鋼的力學(xué)性能都發(fā)生了明顯下降，產(chǎn)生了延性損失，但電化學(xué)充氫后的管線(xiàn)鋼試樣在常溫下放置7 d后延性損失可恢復(fù)，且充氫后斷裂韌度與氫氣體積分?jǐn)?shù)呈線(xiàn)性關(guān)系降低，焊縫熱影響區(qū)表現(xiàn)出較低的沖擊性能。對(duì)于氣相充氫，國(guó)內(nèi)多位學(xué)者[29-31]分別對(duì)X52、X60、X65及X70等多種管線(xiàn)鋼分別在純氫、低摻氫比的混氫環(huán)境中開(kāi)展慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明：氫環(huán)境下材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度變化不大，但斷后伸長(zhǎng)率以及斷面收縮率顯著降低，且降低程度隨材料強(qiáng)度的增加而增大，并伴隨有斷口形貌的變化。國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)[32-35]在低摻氫比(氫氣體積分?jǐn)?shù)為1%)、純氫條件下對(duì)X70管線(xiàn)鋼開(kāi)展CTOD(裂紋尖端張開(kāi)位移)試驗(yàn)，結(jié)果表明：氫降低了管線(xiàn)鋼的斷裂韌度，在摻氫比1%、10 MPa純氫條件下X70管線(xiàn)鋼的斷裂韌度從常溫下的0.42 mm分別降低到0.21和0.11 mm。從目前的研究情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)外對(duì)X80管線(xiàn)鋼在氫環(huán)境下力學(xué)性能影響規(guī)律的研究較少，尤其是在高壓氣相充氫環(huán)境下開(kāi)展的試驗(yàn)較為匱乏，應(yīng)大量開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)，明確在高壓氫氣條件下氫對(duì)X80管線(xiàn)鋼力學(xué)性能的劣化規(guī)律。

與電化學(xué)預(yù)充氫相比，室溫高壓氣相預(yù)充氫在充氫的過(guò)程中氫原子在試樣表面的擴(kuò)散更加均勻，可以有效地改善電化學(xué)預(yù)充氫后氫原子在試樣表面與內(nèi)部之間存在的較大質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度問(wèn)題。由于摻氫或純氫管道的運(yùn)行環(huán)境為常溫高壓含氫環(huán)境，所以采用高壓氣相的方法是試驗(yàn)試樣進(jìn)行預(yù)充氫的最佳方法。高壓氣相動(dòng)態(tài)充氫過(guò)程中，氫滲入試樣所經(jīng)歷的吸附、解離、擴(kuò)散和偏聚行為將與管線(xiàn)鋼所受的應(yīng)力狀態(tài)耦合，同時(shí)滿(mǎn)足工況相似、應(yīng)力場(chǎng)相似及氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)擴(kuò)散場(chǎng)相似原則[36]。因此，若開(kāi)展氫環(huán)境下管線(xiàn)鋼力學(xué)性能試驗(yàn)，目前最準(zhǔn)確、最能反映管材真實(shí)服役狀態(tài)的氫環(huán)境模擬方法為高壓氣相預(yù)充氫+高壓氣相動(dòng)態(tài)充氫方法。

1.2 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

在試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方面，國(guó)內(nèi)外都已頒布關(guān)于氫環(huán)境下測(cè)定材料力學(xué)性能的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。在國(guó)外，美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)頒布的ASTM G142—98(2016)《測(cè)定金屬在氫氣中氫脆敏感性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》中，規(guī)定了在高壓或高溫2種氣態(tài)含氫環(huán)境中測(cè)定金屬拉伸性能的方法，其中包括光滑圓棒試樣及缺口試樣2種用于測(cè)試的試樣。國(guó)內(nèi)與氫環(huán)境下測(cè)定材料力學(xué)性能試驗(yàn)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 34542.2—2018《氫氣儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)第2部分：金屬材料與氫環(huán)境相容性試驗(yàn)方法》，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了氫環(huán)境下測(cè)定材料力學(xué)性能的試驗(yàn)方法、設(shè)備要求、試樣信息以及注意事項(xiàng)等但是上述標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有形成完整的體系[37]，對(duì)于氫環(huán)境下材料斷裂韌度測(cè)定的試驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有明確和詳細(xì)的規(guī)定，試驗(yàn)過(guò)程中一些參數(shù)的選取范圍、操作細(xì)節(jié)也尚未在標(biāo)準(zhǔn)中體現(xiàn)。由于缺乏國(guó)際統(tǒng)一的金屬材料相容性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，目前各國(guó)學(xué)者使用氣相充氫方法得到的試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)不同形式的分散性，甚至還存在試驗(yàn)結(jié)論相矛盾的情況[6，30]。因此，亟需進(jìn)一步開(kāi)展試驗(yàn)研究，并制定國(guó)際統(tǒng)一的金屬材料相容性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系，使得試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確并呈現(xiàn)可重復(fù)性。

2 慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本文中試驗(yàn)材料選用?1 219 mm×22 mm的X80管線(xiàn)鋼，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表 1所示，試樣如圖 1所示。試驗(yàn)開(kāi)始前，用1000號(hào)砂紙打磨試樣以除去試樣表面的加工痕跡，防止其影響試驗(yàn)結(jié)果，之后使用去離子水沖洗試樣，最后將其放置于真空的干燥器皿中備用。

表1 X80管線(xiàn)鋼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Mass fraction of X80 pipeline steel

圖1 試驗(yàn)試樣圖Fig.1 Test sample diagram

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)選用美國(guó)CORTEST公司生產(chǎn)的慢應(yīng)變速率腐蝕試驗(yàn)拉伸機(jī)，具體試驗(yàn)操作過(guò)程參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM G142進(jìn)行。本文共開(kāi)展6組試驗(yàn)，詳細(xì)工況信息如表 2所示。第1～4組試驗(yàn)可探究氫對(duì)管線(xiàn)鋼應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)特性的影響，以及位移速率對(duì)管線(xiàn)鋼氫致?lián)p傷的影響；第5組試驗(yàn)在氫氣環(huán)境中加入了氣相緩蝕劑，結(jié)合第3、4組試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)可探究緩蝕劑對(duì)管線(xiàn)鋼氫損傷是否存在抑制作用；環(huán)己胺具有極性基因可作為有機(jī)緩蝕劑，為探究其對(duì)管線(xiàn)鋼氫損傷的影響，設(shè)置了第6組試驗(yàn)，結(jié)合第3、4組試驗(yàn)可探究環(huán)己胺對(duì)管線(xiàn)鋼氫損傷是否存在抑制作用。

3 氫對(duì)管線(xiàn)鋼力學(xué)性能影響規(guī)律

3.1 應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)特性

3.1.1 氫環(huán)境的影響

選用表2中第1～4組試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)繪制不同條件下X80管線(xiàn)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，如圖 2所示。從圖2可知，在氫氣環(huán)境與空氣環(huán)境下X80鋼彈性階段無(wú)明顯差異，相較于空氣環(huán)境，在氫氣環(huán)境下鋼的頸縮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變值明顯增大，頸縮階段曲線(xiàn)走勢(shì)較為陡峭，且斷裂所用時(shí)間較短。

表2 試驗(yàn)工況信息Table 2 Test condition information

圖2 不同條件下X80管線(xiàn)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.2 Stress-strain curves of X80 pipeline steel under different conditions

在材料力學(xué)中描述管線(xiàn)鋼拉伸性能的力學(xué)性能指標(biāo)主要包括屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度、試樣斷后伸長(zhǎng)率及斷面收縮率[38]等。其中試樣的斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率可作為氫脆敏感性的量化指標(biāo)，斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率越小，管線(xiàn)鋼的脆性越強(qiáng)[39]。本文選用斷后伸長(zhǎng)率作為X80管線(xiàn)鋼氫損傷程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

A=[(Lr-L0)/L0]×100%

(1)

式中：A為斷后伸長(zhǎng)率，%；Lr為試樣斷裂后標(biāo)距段長(zhǎng)度，mm；L0為標(biāo)距段原始長(zhǎng)度，mm。

在氫氣環(huán)境中，管線(xiàn)鋼斷后伸長(zhǎng)率相對(duì)于空氣環(huán)境中的降低程度用氫脆指數(shù)F表示[40-41]：

(2)

式中：F為氫脆指數(shù)，%；A0為空氣中的斷后伸長(zhǎng)率，%；AH為在氫氣中的斷后伸長(zhǎng)率，%。

利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及公式得出每組試驗(yàn)X80管線(xiàn)鋼的力學(xué)性能指標(biāo)，如表3所示。

表3 氫氣或空氣環(huán)境下X80管線(xiàn)鋼的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of X80 pipeline steel in hydrogen or air environment

從表2可知：當(dāng)試驗(yàn)的位移速率為1.01×10-4mm/s時(shí)，在氫氣環(huán)境中X80管線(xiàn)鋼的屈服強(qiáng)度相較于空氣環(huán)境中增加了3.38%；對(duì)于極限抗拉強(qiáng)度，在2種位移速率的氫環(huán)境下鋼的極限抗拉強(qiáng)度相對(duì)于空氣環(huán)境下分別增大了7.23%和3.77%，氫使X80管線(xiàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率在2種位移速率下分別減小了6.04%和14.88%，使鋼的塑性降低。

3.1.2 位移速率的影響

將第2、4組試驗(yàn)得到數(shù)據(jù)處理后繪制成如圖3所示的曲線(xiàn)。從圖3可以看出：在2種位移速率的氫氣環(huán)境下X80鋼彈性階段無(wú)明顯差異；對(duì)于屈服階段，在應(yīng)變相同的情況下位移速率為1.01×10-4mm/s的氫氣環(huán)境中鋼所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值略大于位移速率為1.01×10-5mm/s的應(yīng)力值；在位移速率為1.01×10-4mm/s的氫氣環(huán)境下，X80管線(xiàn)鋼的頸縮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變值明顯大于位移速率為1.01×10-5mm/s條件下的值，頸縮階段的曲線(xiàn)走勢(shì)較為平緩，且斷裂所用時(shí)間較長(zhǎng)。

圖3 不同位移速率的氫氣環(huán)境下X80管線(xiàn)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.3 Stress-strain curves of X80 pipeline steel in hydrogen environment with different displacement rates

位移速率對(duì)X80管線(xiàn)鋼氫損傷的影響程度用位移速率變化前后氫脆指數(shù)的變化率來(lái)表示，記為K，計(jì)算公式如下：

(3)

式中：K為影響程度，%；FH1為試樣在較小位移速率條件下的氫脆指數(shù)，%；FH2為試樣在較大位移速率條件下的氫脆指數(shù)，%。

利用公式以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別得出2組試驗(yàn)X80管線(xiàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率、氫脆指數(shù)以及位移速率影響程度，結(jié)果如表4所示。從表4可以看出：隨著位移速率的減小，X80管線(xiàn)鋼的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度都明顯降低，斷后伸長(zhǎng)率也隨之降低，導(dǎo)致氫脆指數(shù)增大，使X80管線(xiàn)鋼塑性降低；位移速率從1.01×10-4mm/s降低到1.01×10-5mm/s對(duì)鋼氫損傷影響程度為59.40%，說(shuō)明位移速率對(duì)X80管線(xiàn)鋼氫損傷程度影響較大。

表4 不同位移速率條件下X80管線(xiàn)鋼的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of X80 pipeline steel under different displacement rates

3.1.3 緩蝕劑的影響

為探究緩蝕劑對(duì)X80管線(xiàn)鋼氫損傷的抑制作用，選用表2中第3～6組試驗(yàn)所得到的X80管線(xiàn)鋼應(yīng)力、應(yīng)變值繪制相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，這4種不同的試驗(yàn)環(huán)境對(duì)X80管線(xiàn)鋼彈性階段的力學(xué)性能無(wú)顯著影響。從頸縮點(diǎn)來(lái)看，在純氫氣和氫氣+氣相緩蝕劑2種環(huán)境下，X80管線(xiàn)鋼的頸縮點(diǎn)相近，且頸縮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變值均大于空氣環(huán)境中頸縮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值，而在圖4所示的4種環(huán)境中，在氫氣+環(huán)己胺環(huán)境下X80管線(xiàn)鋼的頸縮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變值最大。對(duì)于總應(yīng)變，在氫氣+氣相緩蝕劑環(huán)境下X80管線(xiàn)鋼的總應(yīng)變最大，空氣環(huán)境下X80管線(xiàn)鋼的總應(yīng)變略小，而氫氣+環(huán)己胺環(huán)境下X80管線(xiàn)鋼的總應(yīng)變次之，純氫氣環(huán)境下X80管線(xiàn)鋼的總應(yīng)變最小。

圖4 不同緩蝕劑條件下X80管線(xiàn)鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.4 Stress-strain curves of X80 pipeline steel under different corrosion inhibitor conditions

緩蝕劑對(duì)X80管線(xiàn)鋼氫損傷的影響程度用緩蝕劑加入前后氫脆指數(shù)的變化率來(lái)表示，記為I，其計(jì)算公式如下：

(4)

式中：FH為試樣在氫氣環(huán)境中的氫脆指數(shù)，%；FH+L為試樣在氫氣+緩蝕劑環(huán)境中的氫脆指數(shù)，%。

利用公式以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別得出每組試驗(yàn)X80管線(xiàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率、氫脆指數(shù)以及緩蝕劑影響程度，結(jié)果如表5所示。通過(guò)觀(guān)察斷后伸長(zhǎng)率可以得出，氣相緩蝕劑的加入使X80管線(xiàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率相較于純氫環(huán)境增大了27.62%，甚至高于空氣環(huán)境中的值，使管線(xiàn)鋼的塑性增強(qiáng)；環(huán)己胺的加入使X80管線(xiàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率增大了3.14%，但低于空氣環(huán)境中的值，使管線(xiàn)鋼的塑性較純氫環(huán)境略有增強(qiáng)。氫環(huán)境中加入氣相緩蝕劑對(duì)X80管線(xiàn)鋼氫損傷影響程度為158.00%，而加入環(huán)己胺的影響程度為17.94%，意味著氣相緩蝕劑和環(huán)己胺對(duì)X80管線(xiàn)鋼氫損傷均有抑制作用，且氣相緩蝕劑對(duì)其影響程度較大，環(huán)己胺的影響程度較小。

表5 不同緩蝕劑條件下X80管線(xiàn)鋼的力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of X80 pipeline steel under different inhibitors

3.2 斷口形貌分析

試驗(yàn)完成后，利用KYKY-EM6200型掃描電子顯微鏡對(duì)斷裂后的試樣的斷口形貌進(jìn)行觀(guān)察，得到各試樣在放大不同倍數(shù)下的斷口形貌圖，如圖5、圖6及圖7所示。

圖5 氫氣或空氣環(huán)境下X80鋼試樣的斷口形貌Fig.5 Fracture morphologies of X80 steel specimen in hydrogen or air environment

圖6 不同位移速率條件下X80鋼試樣的斷口形貌Fig.6 Fracture morphology of X80 steel samples under different displacement rates

圖7 不同環(huán)境下X80鋼試樣斷口形貌Fig.7 Fracture morphologies of X80 steel samples under different environments

觀(guān)察圖5可以得到：在空氣環(huán)境中試樣斷口有明顯的頸縮現(xiàn)象，且收縮面積較大、斷口面積較?。辉诩儦錃猸h(huán)境中試樣斷口也存在頸縮現(xiàn)象，但相對(duì)于空氣環(huán)境收縮面積較小、斷口面積較大，此現(xiàn)象表明在空氣環(huán)境中X80管線(xiàn)鋼試樣相對(duì)于純氫環(huán)境塑性變形較大；在空氣環(huán)境中試樣的斷口形貌包括中心纖維區(qū)和邊緣的剪切區(qū)。圖5a中用紅色標(biāo)記成Ⅰ的區(qū)域?yàn)橹行睦w維區(qū)，標(biāo)記成Ⅱ的區(qū)域?yàn)榧羟袇^(qū)。剪切區(qū)相對(duì)平整，與斷面成45°。而在純氫環(huán)境中試樣的斷口形貌不存在相對(duì)平整的剪切區(qū)，只具有中心纖維區(qū)，且出現(xiàn)明顯的裂紋，這意味著氫會(huì)導(dǎo)致X80管線(xiàn)鋼母材的塑性降低。

觀(guān)察圖6中放大1 000倍的X80管線(xiàn)鋼試樣在空氣環(huán)境中的斷口形貌可得，在空氣環(huán)境下試樣斷口形貌以韌窩為主。其中半徑大、深度較深的韌窩稱(chēng)為大韌窩(如圖6b和圖6d中用紅色方形標(biāo)記的區(qū)域)，同時(shí)大韌窩周?chē)鷷?huì)夾雜著較小而密集且均勻分布的韌窩稱(chēng)為小韌窩(如圖6b和圖6d中用紅色橢圓形標(biāo)記的區(qū)域)，此類(lèi)斷口形貌具有典型的韌性斷裂特征。當(dāng)試驗(yàn)環(huán)境為位移速率1.01×10-4mm/s的純氫環(huán)境時(shí)，觀(guān)察放大200倍的試樣的斷口形貌發(fā)現(xiàn)，在純氫環(huán)境下X80管線(xiàn)鋼試樣出現(xiàn)明顯的裂紋，如圖6e中藍(lán)色橢圓形標(biāo)記的區(qū)域。在放大1 000倍的試樣斷口形貌中大韌窩(紅色方形標(biāo)記的區(qū)域)的數(shù)量相較于空氣中明顯減少，半徑變小，深度變淺，且小韌窩(紅色橢圓形標(biāo)記的區(qū)域)的分布較為稀疏；同時(shí)在韌窩周?chē)霈F(xiàn)較小且平滑的過(guò)渡區(qū)域，呈現(xiàn)出準(zhǔn)解理特征，如圖6f中藍(lán)色方形標(biāo)記的區(qū)域，此類(lèi)斷口形貌特征為典型的脆性斷裂特征。在其余條件不變的條件下，將位移速率減小至1.01×10-5mm/s后，放大200倍的試樣斷口形貌中裂紋尺寸變大，幾乎貫穿整個(gè)斷面，如圖6g所示。進(jìn)一步觀(guān)察放大1 000倍的試樣斷口形貌發(fā)現(xiàn)，大韌窩逐漸消失，小韌窩數(shù)量也隨之減少且尺寸極為窄小、分布更加稀疏，同時(shí)斷面較為平滑，出現(xiàn)較大的準(zhǔn)解理平面，如圖6h所示。這表明隨著位移速率的減小，X80管線(xiàn)鋼的塑性損失增大，且內(nèi)部出現(xiàn)明顯裂紋，氫脆現(xiàn)象加劇，失效風(fēng)險(xiǎn)增大。

對(duì)比圖7中位移速率為1.01×10-5mm/s、不同環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)得到的X80管線(xiàn)鋼母材試樣的斷口形貌可以得到，在氫氣+氣相緩蝕劑環(huán)境下放大200倍的試樣斷口形貌中裂紋消失，斷面特征主要以韌窩為主，如圖7e所示。進(jìn)一步觀(guān)察放大1 000倍的試樣斷口形貌發(fā)現(xiàn)，大韌窩的數(shù)量、半徑及深度均大于純氫環(huán)境中的值，但小于空氣環(huán)境中的值，如圖7f所示，其斷裂形式為韌性斷裂。而在氫氣+100 mL環(huán)己胺環(huán)境下放大200倍的試樣斷口形貌中仍然存在細(xì)小的裂紋，斷面特征同樣以韌窩為主，如圖7g所示。進(jìn)一步觀(guān)察放大1 000倍的試樣斷口形貌發(fā)現(xiàn)，大韌窩的數(shù)量、半徑及深度均大于純氫環(huán)境中的值，但小于氫氣+氣相緩蝕劑環(huán)境中的值，如圖7h所示，其斷裂形式為韌性斷裂。上述現(xiàn)象說(shuō)明，氣相緩蝕劑與環(huán)己胺均有降低在純氫環(huán)境下X80管線(xiàn)鋼塑性損失、減輕X80鋼氫損傷程度、抑制氫脆的作用，但氣相緩蝕劑對(duì)X80管線(xiàn)鋼氫損傷的影響程度更大，抑制氫脆作用更強(qiáng)。

4 結(jié) 論

(1)高壓氣相預(yù)充氫+高壓氣相動(dòng)態(tài)充氫是目前最能反映管材實(shí)際服役工況的氫環(huán)境相容試驗(yàn)方法。

(2)氫會(huì)使管線(xiàn)鋼的屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度略微增加，在1.01×10-4和1.01×10-5mm/s這2種位移速率的純氫環(huán)境下分別增大了7.23%和3.77%，斷后伸長(zhǎng)率分別減小了6.04%和14.88%；且位移速率對(duì)X80管線(xiàn)鋼氫損傷程度影響較大，位移速率從1.01×10-4mm/s降低到1.01×10-5mm/s對(duì)X80管線(xiàn)鋼氫損傷影響程度為59.40%，隨著位移速率的減小，管線(xiàn)鋼氫損傷程度增加。

(3)氫會(huì)降低管線(xiàn)鋼的斷裂韌度，在純氫環(huán)境中的試樣斷口存在頸縮現(xiàn)象，但相對(duì)于空氣環(huán)境收縮面積較小、斷口面積較大，產(chǎn)生一定的塑性損失，且斷口形貌特征為典型的脆性斷裂特征。同時(shí)隨著位移速率的減小，管線(xiàn)鋼的塑性損失增大，且內(nèi)部出現(xiàn)明顯裂紋。

(4)氣相緩蝕劑和環(huán)己胺對(duì)X80管線(xiàn)鋼氫損傷均有抑制作用，且氣相緩蝕劑對(duì)其影響程度較大，環(huán)己胺的影響程度較小。在抑制管線(xiàn)鋼氫損傷的措施中，可以考慮采用氣相緩蝕劑作為氫損傷的抑制劑。