表 1X70钢管线的化学成分
Table 1.Chemical composition of X70 steel pipeline
近年来随着全球经济迅速发展,能源消耗速度急剧攀升,可再生能源的开发和利用日益受到世界各国的重视。氢能被认为是一种具有发展前景的可持续能源,利用现有的天然气管网输送氢气以其经济与高效性受到国内外学者的关注[1],许多国家正在尝试或已经将一定比例的氢气混入现有的天然气管网中来实现运输[2-4]。目前,长距离输送天然气的管线材料主要为X70钢,其可以通过较小的壁厚承载较高的输送压力,这有利于降低成本。然而,在输送含氢天然气时必须考虑安全问题,暴露在含氢气体中的管线往往会发生氢脆和力学性能下降,这会造成安全事故和经济损失[5]。
以往研究中大多采用电化学预充氢试样分析氢对管线力学性能的影响[6-10],而近年的研究则认为在气态氢环境中进行试验更符合目前工程实际需求[11]。研究表明,氢在管线表面吸附、溶解和扩散,管线缺陷附近较高的氢压会对管线造成氢损伤[12-17],使管线的断裂方式从韧性断裂转变为脆性断裂[3,18-21],并且缺陷是导致其力学性能降低的主要影响因素[22]。目前天然气管道的最佳掺氢比仍不明晰,含氢量不同的环境对X70钢断裂韧性的影响研究仍然缺乏。因此,为了保证钢管线在设计寿命内安全服役,确定不同氢含量下X70钢的氢脆敏感程度,笔者采用气相原位充氢方法开展了不同氢气压力条件下X70钢管线的断裂韧性试验,并利用扫描电镜分析了断面形貌的变化,研究了不同氢气压力对X70钢管线断裂韧性的影响,这对确定氢在混合气体中的最佳含量,评估长期使用时氢气和天然气混合物与该管线的相容性,确保管道安全运行具有重要意义。
1. 试验
1.1 试验材料
试验材料选用国内某钢厂生产的API SPEC 5L X70钢管线,它是我国“西气东输”工程西一线钢管线的主要材料[23],其外径为1 016 mm,壁厚为17.5 mm,抗拉强度为670 MPa,屈服强度为555 MPa,断后伸长率为24%,其化学成分见表1。按GB/T 21143-2014标准[24],将试验材料加工成如图1所示的断裂韧性紧凑拉伸（CT）试样,试样宽度W为38.1 mm,厚度B为12.7 mm。在试验开始前用砂纸逐级打磨试样表面,以去除表面氧化层,用去离子水去除试样表面的铁屑,然后使用酒精、丙酮依次处理试样表面以去除油污,最后用冷风吹干,去除水渍。
采用自行设计的带有压力容器的Instron 8801伺服液压疲劳测试系统进行断裂韧性测试,压力容器可承受的最大压力为20 MPa。压力容器设置有进气连接口、压力表连接口、引伸计连接口、真空泵连接口及出气口。引伸计位于压力容器内部,通过引伸计连接口将引伸计信号线直接从压力容器中引出,采用特制方法密封。为保证真空度,所有接口均经过密封处理,上拉伸杆为静密封,下拉伸杆为动密封,均采用密封圈和真空脂密封。
1.2 测试方法
为了消除机加工的影响,在测试前,用循环载荷预制长3.8 mm的裂纹,使断裂韧性试验所得裂纹尖端到加载线的距离（即裂纹长度）和W的比值约为0.55。采用恒应力强度因子（ΔK）法在空气中预制裂纹,ΔK=30 MPa·m1/2,频率为10 Hz,应力比（R）为0.1。
所有断裂韧性试验均在原位氢气环境中进行,测试温度为（20±5）℃。在充入测试气体前使用真空泵对环境箱进行抽真空排除内部的空气,然后向内部充入氮气,再用真空泵将氮气抽出,重复3次,确保空气排放干净后再向环境箱内充入试验气体。试验气体由氮气和氢气组成,总压力为12 MPa,4种环境中的氢分压分别为0,0.60,0.96,1.20 MPa,其余用氮气补充,待压力稳定后开始断裂韧性测试。测试结束后,将试样沿裂纹扩展路径分割,通过扫描电子显微镜（SEM）观察其断面形貌。
断裂韧性试验揭示了单调加载期间J积分值与裂纹扩展长度Δa之间的关系,这是评估宏观裂纹扩展稳定性的有效方法。在本研究中,根据标准[24]中规定的程序进行测试,CT试样通过迭代间歇卸载循环单调加载,进而通过载荷（F）-位移曲线绘制J-Δa阻力曲线,每次循环的J积分值根据载荷-位移曲线下方的面积确定,将该计算中的位移定义为裂纹张开位移（SCOD）,该位移通过安装在机械缺口边缘的引伸计测量。断裂韧度J0则由J-Δa阻力曲线与0.2 mm偏移线的交点确定,其中钝化线方程见式（1）。第i个加卸载顺序对应的Ji积分值可按式（2）计算。
式中：
为J积分的弹性部分,
为J积分的塑性部分；E为弹性模量；ν为泊松比；K为应力强度因子。
根据标准[24]中的要求,从F-SCOD图中可以计算出平面应变断裂韧度KIC的条件值KQ,根据判据进行条件值的判定,各个环境中对应的KQ值按式（3）计算。
式中：FQ为F-SCOD曲线弹性阶段平均斜率95%的直线与曲线交点对应的F值；B为试样厚度；W为试样宽度；g（a0/W）为应力强度因子系数。
2. 结果与讨论
2.1 氢气压力对断裂韧性的影响
由图2（a）可见：与无氢环境相比,在含氢环境中F值显著降低,无氢时F值在加载过程中较为稳定,F在到达最大值后的8个循环内缓慢降低,但是在含氢环境中,特别是在1.2 MPa氢分压下,F在达到最大值后迅速下降,表明裂纹快速扩展；在氢气环境中F-SCOD曲线整体位于无氢环境的下方,随着氢气压力的升高,F-SCOD曲线弹性阶段向塑性阶段的转变点逐渐降低,F-SCOD曲线的峰值点也逐渐降低,在塑性阶段,F值随着氢气压力的增加而降低,这表明氢引起的连续裂纹扩展导致X70钢试样载荷降低[25]。
由图2（b）可见：在加载/卸载循环过程中裂纹逐渐扩展,J积分值随裂纹长度的增加而增加,但增长幅度逐渐降低；与无氢环境相比,随着氢气压力的升高,J-Δa阻力曲线的斜率逐渐减小。在不同氢气压力环境中J-Δa阻力曲线和偏移线的交点,即断裂韧性J0,其随氢气压力的升高逐渐降低,在无氢环境中,J0为660 kJ·m-2,当氢气压力为0.60 MPa时,J0为505 kJ·m-2,当氢气压力升高至0.96 MPa和1.20 MPa时,J0分别降低至427 kJ·m-2和415 kJ·m-2。这表明氢气压力影响X70钢试样在断裂过程中的能量吸收,氢气压力越高,吸收的能量越少。
表2为在不同氢气压力下X70钢管线的断裂韧性测试结果和脆化指数I（J）。其中,Fmax为试验过程中的最大加载力。由表2可见,根据标准[24]中的规定,所有试样的Fmax/FQ都大于1.1,表明本试验未满足标准中线弹性的试验条件,所以KQ值不能作为平面应变断裂韧度KIC；另外,随着氢气压力的不断升高,J0值和KQ值均不断降低,但J0值降低幅度减缓；KQ值在0.6 MPa和0.96 MPa氢气压力下降低幅度不大,当氢气压力增至1.2 MPa时,KQ值发生较大幅度的下降。为了量化氢对X70钢管线断裂韧性的影响,引入以J0为标准的脆化指数I（J）,其计算公式见式（4）。I（J）表示与无氢环境相比断裂韧性在氢气环境中的降低程度,其值越大说明氢气导致的脆化效果越明显。
式中：JIC为无氢环境中的断裂韧性；JIH为含氢环境中的断裂韧性。
表 2在不同氢气压力下X70钢管线的断裂韧性测试结果和脆化指数
Table 2.Fracture toughness test results and embrittlement index of X70 steel pipeline at different hydrogen pressures
由表2还可见,氢气会导致X70钢管线的断裂韧性损失,并且随着氢气压力的升高,I（J）逐渐增大,即断裂韧性损失越多。这是因为氢原子在裂纹尖端累积复合成为氢分子,随着氢含量的不断增大,该处氢气压力不断升高而产生较高的局部高压,高压促进了裂纹的扩展,导致X70钢管线发生严重的脆化[26],并且随着外部环境氢气压力的增大,这种脆化现象逐渐加重。
2.2 氢气压力对断面形貌的影响
由图3可见：试样断裂表面可分为三个区域,即预制裂纹区、伸张区和裂纹扩展区,在图中以浅色虚线分隔开,断面形貌较为平滑的是预制裂纹区,伸张区在预制裂纹后形成,而断面形貌较为粗糙的区域是裂纹扩展区。在无氢环境中,裂纹扩展区主要呈韧窝状的韧性断裂特征；当氢气压力为0.6 MPa时,试样断面的裂纹扩展区被大量韧窝覆盖,但出现了少量解理面,与无氢环境相比,伸张区宽度有所减小；当氢气压力升高至0.96 MPa时,裂纹扩展区韧窝数量明显减少,伸张区长度变短,出现长约为400 μm的裂纹；当氢气压力达到1.2 MPa时,未观察到伸张区,裂纹扩展区出现了具有脆性特征的准解理断裂形貌,并出现大裂纹和一些孔洞,与0.96 MPa氢气压力条件相比,裂纹深度和长度均增加,韧窝很难被发现,只能在一些微小区域可见少量韧窝。综上所述,随着氢气压力的增加,X70钢管线断面形式从韧性断裂逐渐转变为脆性断裂,氢气导致X70钢管线发生氢脆现象,并且随氢气压力的升高,氢脆现象越明显。
3. 结论
（1）在无氢环境中,X70钢管线的J0值为660 kJ·m-2,当氢气压力为0.6 MPa时J0值为505 kJ·m-2,随着氢气压力不断提升至0.96 MPa和1.20 MPa,J0值分别降低至427 kJ·m-2和415 kJ·m-2。
（2）在0.60,0.96,1.20 MPa氢气压力下X70钢管线的J0值较无氢环境中分别下降了23.4%、35.3%和37.1%,KQ值较无氢环境中分别下降了0.9%、4.2%和27.5%。
（3）随着氢气压力的升高,X70钢管线断面形式从韧性断裂逐渐转变为脆性断裂。
文章来源——材料与测试网