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掺氢天然气环境下管道钢氢脆行为研究

进展

摘要：近年来，我国大力发展氢能，但其运输、贮存费用过高已成为制约我

国发展的一个重要问题。利用现有的天然气管线输送氢是实现大规模、经济、高

效的氢运输的最好途径。但是，氢气的加入会引起管线钢的氢脆性，对输氢管线

的安全运行构成了极大的威胁。为了促进国内掺氢天然气管线的发展，对国内外

有关氢脆的研究进行了总结，总结了温度、压力、氢比等因素对管线钢氢脆性能

的影响，并对其强度、微观组织、氢陷阱等性能与管线钢氢脆性能的关系进行了

总结。研究结果表明：在掺氢气管线中，不同工况对管线钢氢脆性能的影响是目

前急需解决的主要问题；研究了掺氢气管线安全运行温度、压力、掺氢比等关键

技术指标；在各种使用情况下，对掺氢气管线进行安全评估，并完善其与现有管

线的兼容性评估；制定含氢气管线的设计规范及有关标准；对各种防氢脆进行了

评估，如气体抑制剂、阻氢涂料。

关键词：规模；氢脆性；微观组织

随着全球能源需求量不断增长，气候问题日趋严峻，清洁低碳能源的发展在

世界范围内受到广泛重视。国家发展和改革委员会制订的《能源技术革命创新行

动计划》明确指出要大力发展氢气的储运、利用技术。在现有氢能储运技术中，

在现有的天然气管道中，采用掺氢方式进行氢气运输是最经济的。美国，日本，

以及其他32个国家，共实施了192个含氢气的工程。针对我国目前存在的掺氢

气管线运输瓶颈问题，中国正在积极开展中低压、高压纯氢与掺氢天然气管道及

其应用安全技术研究，力图加快氢能管道发展，助力实现“双碳”目标。

在氢气管道输送关键技术中，管材评价是研究基础，是开展天然气管道掺氢

输送相容性评价的关键。管线钢在临氢环境中可能发生性能劣化甚至失效，此为

利用钢制管道输送氢气的一个重大限制因素。管道中的氢气分子与钢材表面碰撞

并吸附于钢材表面，随后以原子形式渗入钢材，使管线钢发生氢脆、氢致开裂、

氢鼓泡等氢损伤现象。通常，氢脆将导致材料韧性、塑性、疲劳强度显著下降，

并使材料的断裂行为从韧性断裂转变为脆性断裂，加剧管道失效的突发性。在物

质中扩散的氢原子会被氢陷阱所俘获，从而引起氢原子的局部富集，从而引起裂

纹的形核、扩展，最终引起氢致裂纹。

一、天然气掺氢系统氢脆研究现状

（一）储存装置

1.常用材料

由于蓄能管束长期处于高压、常温、高氢浓度的环境中，容易产生氢脆。将

被压缩的氢气和由管线下游分离出来的氢气一起储存在一个储氢罐中，由于两者

材质相似，本文以后者为例进行综述。Cr-Mo钢、6061铝合金等是制造氢气容器

的常用材料，ASTMA5194130X是常用的Cr-Mo钢。奥氏体不锈钢耐氢脆性良好，

在高压氢系统中也是常见的压力容器材料。

2.Cr-Mo钢做储氢容器时的氢脆特点

氢脆对4130X钢的疲劳特性的影响是45MPa氢气中裂纹扩展速度的10~15倍。

当高纯氢压力92MPa时，4130X比大气条件下的裂纹扩展速度快了30~50倍。

氢脆对Cr-Mo钢的拉伸性能有一定的影响，因为氢的存在会使Cr-Mo钢的拉

伸性能下降，特别是在应力集中的情况下。用92MPa的氢气环境对4130X钢进行

了氢脆试验，发现4130X钢在氢气作用下，截面收缩率明显下降。

氢脆对断裂断裂的作用随氢压的增加而增加。在压缩氢压力为45、70MPa时，

4130X的断裂临界应力强度系数比在大气中降低了58.4%，在大气中降低了74.4%。

3.奥氏体不锈钢做储氢容器时的氢脆特点

采用奥氏体不锈钢的方法，能适应复杂形状和体积较大的零件，如低温、高

压储氢罐等。影响钎料氢脆的主要原因有内部因素如马氏体、化学成分、强度等，

以及温度等。

（1）马氏体奥氏体不锈钢在低温下发生了马氏体转变。研究发现，与奥氏

体相比，马氏体具有较高的氢脆性，马氏体会的存在提高了氢脆性的可能性。

（2）在贮氢材料中加入一定的化学成分可以改善其耐氢脆性。研究表明，

30%至45%的镍当量时，产生氢脆的风险较小。ThorstenMichler等研究表明，Ni

含量从9.07%提高至11.3%时，而相对截面的收缩率则会增加0.64。与Ni的性质

相似，加入其它稳定的元素可以提高奥氏体的抗氢脆性。

（3）强度随强度的增大而降低，氢致裂纹临界应力系数降低，而耐氢脆性

降低。