摘要：氫氣長輸管道的鋼管材料在工作時會產生氫致失效現象，該現象受材料的組成元素、顯微組織和帶狀組織等影響較大，本文討論了輸氫管道失效的原因及影響管道的主要因素，并分析了鋼材的選用方向。

　　氫氣會對長期處于高溫高壓狀態下的管道產生氫損傷，進而增加管道材料方面的失效風險。因此，氫氣長輸管道對鋼管的選材和處理工藝方面具有一定的要求。

　　輸氫管道失效通常由氫脆等四類問題引起

　　在氫氣長輸管道中，氫分子易與金屬反應使管道失效。管道的氫致失效主要包括氫脆、氫致開裂、氫鼓泡、脫碳及氫腐蝕四類。

　　(1)氫脆現象易在低溫下形成，需在外力作用下表現出來。氫脆氫溶于鋼后，在鋼分子間聚集形成的氫分子，造成了局部的應力集中，而當應力超過鋼的強度極限時，則會在鋼材的內部形成細小裂紋，使鋼材易斷裂。當溫度低于95℃時，氫脆現象易發生，當溫度在95~230℃之間時，氫脆現象隨著升溫而下降，最終到230℃以上時，氫脆現象消失，且鋼材的強度越高越易引起氫脆。

　　(2)氫致開裂在金屬材料內部缺陷處形成，不需要外力即可表現出來。其是由于進入金屬材料內部缺陷處的氫原子，聚集后產生內壓，使金屬內部形成裂紋且逐步擴散至局部，從而形成材料斷裂等現象，整個過程完全由內壓提供動力，而不需要施加應力即可發生。

　　(3)氫鼓泡在金屬內部微孔中形成，易發生在0~150℃溫度下。該類現象是由于氫原子擴散到金屬內部的微孔中后，聚集形成氫分子，在微孔內部形成內壓使金屬產生鼓包、甚至破裂的現象，其在0～150 ℃時較易發生。

　　(4)脫碳是鋼中碳元素和氫發生化學反應，易發生在高溫環境下。鋼中的碳易和滲透進入的氫原子，在高溫下反應生產甲烷，使鋼脫碳后韌性下降、機械強度遭受破壞，該類機理多在高溫條件下發生。

　　合金元素及內部顯微和帶狀組織是主要影響因素

　　目前業內普遍認為高壓氫氣對管道造成的損傷，主要受氫氣的壓力、純度、環境溫度、管道強度、變形速率和微觀組織等因素影響，與鋼材本身相關的主要為其本身的合金元素含量以及內部的顯微和帶狀組織。

　　(1)影響材料特性的合金元素主要有碳、錳、磷、硫和鈣。碳是鋼材的主要固溶強化元素，其作用是使鋼在熱軋狀態下可以生成馬氏體組織(高強度和硬度)，其含量越高則鋼管的氫致裂紋(HIC)敏感性越大;錳和磷是鋼材的易偏析元素，在制造的過程中易在鋼板中心產生偏析，生成對氫致裂紋(HIC)較敏感的低溫轉變硬顯微組織帶;硫元素易使滲入鋼材中的氫原子在硫化物的尖端處聚集，形成的氫內壓誘發氫致裂紋;而鈣則具有較高的脫硫效果，可適當增加降低硫元素產生的氫致效果。

　　(2)氫原子易在顯微組織及夾雜物處聚集形成內壓破壞內部結構。由于非金屬夾雜物在鋼材的加工過程中會被拉長，而其熱膨脹系數大于周圍的基體金屬，冷卻后會在其周圍產生不規則空隙，是滲入鋼材中氫原子的理想聚集地，進而造成氫致現象。因此，控制非金屬夾雜物的形態、數量，以及降低偏析程度，即能減少氫原子聚集源，從而提高鋼材的抗裂紋能力。

　　(3)鋼材中帶狀組織處同樣較易偏析變形導致氫致作用，正火處理可提高抗氫致裂紋性能。在中、低強度的鋼材中，位于鐵素體相界面的珠光體條帶較易產生偏析。而隨著鋼材強度的提高、合金元素的進一步增多，鋼材中的低溫轉換組織硬帶(錳、磷等元素的偏析帶)也隨之增多，為氫致裂紋(HIC)的擴展提供了更多的場所。一般情況下，管道或板材均會存在帶狀組織，但是經過正火處理，可顯著降低帶狀組織級別，明顯提高抗氫致裂紋(HIC)的性能。

　　低強度的無縫鋼管較為理想，但生產成本較高

　　影響選材的因素主要有鋼管的管型、鋼級和熱處理狀態三類。

　　(1)鋼管管型易采用無縫鋼管，減少氫脆的發生。若采用焊縫連接的鋼管，由于其焊縫部分強度比兩端要高，更易發生氫致失效現象。

　　(2)低強度鋼材的疲勞性能較高強度鋼材更優越。一般的低強鋼，如API SPEC 5L PSL2 X52型號及以下的鋼材，在同樣的高壓下對氫脆較高級鋼材不敏感，更適合作為氫氣的輸送管道材料，在目前已有的實例中，較多采用 ASTM A106 B級、ASTM A53 B級及API SPEC 5L X42和X52(PSL2級)鋼管。

　　(3)焊接鋼管采用形變熱處理工藝、無縫鋼管采用淬火和回火組合工藝。形變熱處理主要用于焊接鋼管，該工藝處理后的產品可以獲得更高的強度、塑性和韌性，適用于微量元素強化的無縫鋼管和焊接鋼管;而淬火和回火的組合工藝僅適用于無縫鋼管的制造，目前該工藝的成本較高。

　　結論

　　氫氣會對長期處于高溫高壓狀態下的管道產生氫損傷，進而增加管道材料方面的失效風險;管道失效通常由氫脆、氫致失效、氫鼓包和脫碳四類問題引起;其中，合金元素及內部顯微和帶狀組織是失效的主要影響因素;選用低強度的無縫鋼管是較為理想的氫氣管道材料，但目前該工藝的生產成本較高，可以以降低工藝成本為研發方向，作為輸氫管道大規模商用的技術儲備。