煤制天然氣中氫對(duì)X80鋼螺旋焊管力學(xué)性能的影響

張一葦，顧超華，李炎華，花爭立，洪元儉，曾 勝

(1.浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所，杭州 310027；2.中國石油集團(tuán) 石油管工程技術(shù)研究院，西安 710065；3.浙江工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，杭州 310014)

0 引言

近年來，為了解決天然氣自給缺口，實(shí)現(xiàn)煤炭清潔利用，我國大力推動(dòng)煤制合成天然氣的發(fā)展。煤制氣比普通天然氣含氫量高，氫氣體積分?jǐn)?shù)一般在3vol%左右。但與傳統(tǒng)的天然氣輸送管道相同，煤制氣輸送管材一般仍采用高強(qiáng)度低合金鋼，這類鋼氫脆敏感性較高[1-2]，煤制氣中的氫被鋼材表面吸附，會(huì)對(duì)管材的力學(xué)性能產(chǎn)生劣化作用[3-5]。另外，國際上很多風(fēng)電制氫項(xiàng)目將制得的氫氣直接摻入天然氣管網(wǎng)輸送，這類摻氫天然氣同樣含有體積分?jǐn)?shù)較高的氫氣[6-8]，許多國家為研究氫對(duì)管線材料的力學(xué)性能劣化影響，對(duì)管線鋼開展了氫脆試驗(yàn)研究，其中以美國最為突出。

美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室為建立臨氫環(huán)境金屬材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫，對(duì)多種管線鋼在空氣和6.9 MPa純氫環(huán)境中進(jìn)行了拉伸試驗(yàn),結(jié)論表明，管線鋼在純氫與空氣中的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度變化不大，但斷后伸長率有所降低，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;另外，同樣對(duì)X52鋼電阻焊管、X65和X70鋼埋弧焊管的直焊縫在6.9 MPa純氫環(huán)境中進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，結(jié)論與母材類似，而焊縫處塑性劣化程度更加嚴(yán)重，但并未對(duì)X80鋼焊管進(jìn)行測試[9]。

臨氫環(huán)境中管道的“合于使用”評(píng)定是管道運(yùn)輸系統(tǒng)完整性管理的重要內(nèi)容，評(píng)定時(shí)常需要考慮管材的疲勞裂紋擴(kuò)展性能[10-12]。研究表明，氫分壓升高可能引起管線鋼疲勞裂紋擴(kuò)展速率加快[12-14]，影響的程度可能與加載頻率、應(yīng)力比和金屬組織有關(guān)。在1.7 MPa 和21 MPa氫氣環(huán)境下，X52,X100鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率分別提高了1到2個(gè)數(shù)量級(jí)[15]。在21 MPa的氫氣環(huán)境中，X60,X80鋼的疲勞擴(kuò)展速率提高了約20倍[16]。但有試驗(yàn)表明，氫分壓達(dá)到4 MPa后多種管線鋼的疲勞擴(kuò)展速率達(dá)到極限值而不再隨氫壓升高[17]。對(duì)于管線鋼的母材、環(huán)焊縫及熱影響區(qū)，研究表明，由于殘余應(yīng)力的作用，環(huán)焊縫處的疲勞擴(kuò)展速率最大[18]。

綜上所述，這些管線鋼氫脆試驗(yàn)研究中氣體介質(zhì)多為純氫，對(duì)材料的劣化作用與低含氫環(huán)境的煤制天然氣有所差別；研究管材多為母材或直縫焊管，我國在役天然氣管道常用的螺旋焊管焊縫相關(guān)研究數(shù)據(jù)很少；同時(shí)，各國管線鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能存在一定差異。因此，針對(duì)煤制天然氣中氫氣對(duì)國產(chǎn)X80鋼螺旋焊管力學(xué)性能的影響開展研究具有重要工程意義。

本文參照GB/T 34542.2—2018《氫氣儲(chǔ)存輸送系統(tǒng) 第2部分：金屬材料與氫相容性試驗(yàn)方法》[19]，對(duì)國產(chǎn)X80鋼螺旋焊管的母材和螺旋焊縫，在總壓12 MPa、氫氣體積分?jǐn)?shù)分別為1vol%，2.2vol%和5vol%的模擬氣環(huán)境下進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)和疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，以獲得模擬氣環(huán)境中的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率、疲勞裂紋擴(kuò)展速率等力學(xué)性能參數(shù)。本研究可為我國煤制氣用輸送管道的設(shè)計(jì)制造、安全評(píng)價(jià)、氫氣含量選取及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用的X80鋼螺旋縫埋弧焊管(SAWH)為我國常用天然氣管道材料，取自西氣東輸三線管道，設(shè)計(jì)壓力12 MPa，管徑1219 mm，壁厚18.4 mm，在GB/T 34275—2017《壓力管道規(guī)范 長輸管道》的分級(jí)中屬于5級(jí)輸氣管道[20]。鋼管交貨狀態(tài)為熱機(jī)械軋制，其母材化學(xué)成分見表1，母材和螺旋焊縫處的金相組織形貌見圖1。

表1 X80管線鋼化學(xué)成分 wt%

(a)母材 (b)螺旋焊縫

圖1 材料金相組織形貌

母材組織主要由粒狀貝氏體組成。螺旋焊縫組織主要由針狀鐵素體、粒狀貝氏體和多邊形鐵素體組成。焊管的化學(xué)成分和力學(xué)性能符合GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》標(biāo)準(zhǔn)中的鋼管產(chǎn)品PSL2級(jí)規(guī)定[21]。

1.2 試驗(yàn)裝置

相比預(yù)充氫試驗(yàn)，高壓氫氣環(huán)境試驗(yàn)中氫的吸附、擴(kuò)散、傳輸和偏聚行為與管道的受力變形耦合在一起，能更為接近地再現(xiàn)真實(shí)臨氫環(huán)境中氫氣與構(gòu)件所受應(yīng)力、變形等實(shí)際相互作用關(guān)系，可同時(shí)滿足與真實(shí)工況的環(huán)境相似、應(yīng)力場相似和氫濃度場相似[22]。此外，X80鋼氫擴(kuò)散系數(shù)較奧氏體不銹鋼大，可達(dá)到10-6cm2/s。采用預(yù)充氫試驗(yàn)時(shí)，材料處于非臨氫環(huán)境中，外界氫濃度梯度低，預(yù)充氫的金屬內(nèi)部氫不斷向外擴(kuò)散，使內(nèi)部氫含量明顯降低，難以準(zhǔn)確測得真實(shí)氣體服役條件中的材料力學(xué)性能。因而本文選擇高壓氫氣環(huán)境試驗(yàn)來展開材料的力學(xué)性能研究。

采用帶高壓環(huán)境箱的INSTRON萬能試驗(yàn)機(jī)，其環(huán)境箱為自主研發(fā)，與含氫氣體具有良好相容性，搭載于100 kN閉環(huán)伺服液壓框架上，可以實(shí)現(xiàn)試樣在目標(biāo)氣體環(huán)境中力學(xué)性能的測量。

1.3 試樣尺寸及取樣

參照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[19,23-24]，從管道處取樣并制成用于慢應(yīng)變速率拉伸的圓棒試樣和用于疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的CT試樣，試樣尺寸如圖2所示，取樣方向和位置如圖3所示。對(duì)于拉伸圓棒試樣，母材處以橫向取樣試樣，焊縫處須垂直于管道焊縫且焊縫中心位于光滑試樣標(biāo)距段的正中位置；對(duì)于CT試樣，母材處的缺口方向與管道軸向平行；螺旋焊縫處的缺口方向平行于焊縫且缺口中心線位于焊縫中心。

(a)光滑圓棒試樣 (b)緊湊拉伸試樣

圖2 試樣結(jié)構(gòu)尺寸示意

(a)母材 (b)螺旋焊縫

圖3 取樣方向示意

1.4 試驗(yàn)環(huán)境

美國Sandia實(shí)驗(yàn)室得到的試驗(yàn)結(jié)果表明，氮?dú)猸h(huán)境中X80管線鋼的力學(xué)性能和甲烷氣體環(huán)境基本一致[9,17]，韓國標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)研究院(KRISS)等多個(gè)研究機(jī)構(gòu)也采用氮?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚怏w作為模擬氣環(huán)境研究摻氫天然氣中氫氣對(duì)管線鋼力學(xué)性能的影響[3-4,25]。為降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)消除其他氣體雜質(zhì)影響，本試驗(yàn)同樣采用氮?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚怏w代替真實(shí)煤制天然氣環(huán)境，以研究煤制天然氣中氫氣對(duì)X80鋼螺旋焊管力學(xué)性能的影響?？紤]到煤制氣中含氫氣體積分?jǐn)?shù)的波動(dòng)和不同工況，設(shè)置如表2所示的試驗(yàn)環(huán)境。

表2 混合氣體試驗(yàn)環(huán)境

本試驗(yàn)用氮?dú)夂蜌錃饩鶠?9.999%的高純氣體，所有試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行，充入混合氣體后需保壓30 min再進(jìn)行試驗(yàn)。

1.5 試驗(yàn)參數(shù)

光滑圓棒的慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)采用位移控制，加載速率0.05 mm/min，應(yīng)變率2.91×10-5s-1。疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)采用載荷控制，采用力值比R=0.1的正弦加載波形。預(yù)制裂紋在空氣中進(jìn)行，預(yù)制裂紋頻率5 Hz，載荷從25 kN隨裂紋長度增加逐步降至19 kN，最終預(yù)制裂紋長度為3 mm左右，使得預(yù)制裂紋缺口尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK范圍在30～35 MPa·m1/2之間；加載載荷19 kN，頻率1 Hz，使裂紋總長度和試樣寬度之比a/W在0.27～0.28之間時(shí)停止試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 氫脆性能指標(biāo)

煤制氣中的氫氣經(jīng)過氣態(tài)輸運(yùn)、物理吸附、氫分子離解、化學(xué)吸附、擴(kuò)散和離解等過程，使X80鋼螺旋焊管發(fā)生高壓氫脆，從而劣化了焊管母材和螺旋焊縫的力學(xué)性能，具體可能包括其強(qiáng)度性能(如屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度)、塑性性能(如斷后伸長率和斷面收縮率)以及疲勞性能(如疲勞裂紋擴(kuò)展速率)。

為描述氫對(duì)X80鋼螺旋焊管的劣化程度，選擇標(biāo)準(zhǔn)和國際上常用的相對(duì)斷面收縮率(RRA)、相對(duì)斷后伸長率(RE)以及相對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率增值(ICG)的性能指標(biāo)來量化煤制天然氣環(huán)境中管線鋼的氫脆敏感程度，具體定義如下。

(1)

(2)

(3)

式中ESNG——含氫環(huán)境下斷后伸長率，%；

EN——參考環(huán)境下斷后伸長率，%；

RASNG——含氫環(huán)境下斷面收縮率，%；

RAN——參考環(huán)境下斷后收縮率，%；

在這些氫脆性能指標(biāo)中，RE和RRA表征了煤制氣中氫對(duì)螺旋焊管塑性性能的影響，ICG則表征了煤制氣對(duì)螺旋焊管疲勞性能的影響。其中，標(biāo)準(zhǔn)ANSI/CSA CHMC1對(duì)RRA提出要求，認(rèn)為RRA在90%以上時(shí)材料和氫相容性較好，可以不對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改，直接應(yīng)用于服役環(huán)境。

2.2 慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)

在參考環(huán)境和3種含氫環(huán)境下(氫氣分?jǐn)?shù)分別為0vol%,1vol%,2.2vol%和5vol%)對(duì)X80母材和螺旋焊縫進(jìn)行試驗(yàn)，各做2組平行試驗(yàn)，選取1組典型值分析，獲取慢拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和力學(xué)性能。由表3，4和圖4可以看出，氫氣的摻入并未明顯影響材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，但對(duì)于材料的塑性性能有一定影響。X80螺旋焊縫和母材處塑性性能劣化規(guī)律大致相同，前者斷后伸長率和斷面收縮率劣化更加嚴(yán)重，不過仍然能保證斷后伸長率達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求(不低于15.6%)[20]。分別用相對(duì)斷面收縮率(RRA)、相對(duì)斷后伸長率(RE)表征氫對(duì)X80母材和螺旋焊縫處塑性性能的劣化影響，結(jié)果如表5所示。

表3 母材的慢拉伸力學(xué)性能

表4 螺旋焊縫的慢拉伸拉伸力學(xué)性能

(a)母材

(b)螺旋焊縫

表5 氫氣對(duì)材料塑性性能影響

可見，塑性性能劣化水平和氫氣體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，氫氣含量越高劣化越嚴(yán)重。且煤制氣中氫對(duì)螺旋焊縫處塑性性能的劣化相比母材更加嚴(yán)重，5vol%H2環(huán)境中相對(duì)斷后伸長率89.92%，相對(duì)斷面收縮率93.80%，均為氫脆性能指標(biāo)中的最低值。另外，母材和螺旋焊縫的相對(duì)斷面收縮率均未低于90%，滿足ANSI/CSA CHMC1對(duì)于材料氫氣相容性的判斷標(biāo)準(zhǔn)，可認(rèn)為國產(chǎn)X80管線鋼較適合在氫氣分?jǐn)?shù)5vol%以下環(huán)境使用。

為進(jìn)一步研究煤制天然氣對(duì)慢應(yīng)變速率拉伸性能的影響，使用鎢燈絲掃描電子顯微鏡(SEM) Hitachi-S3700N中拍攝X80管線鋼的拉伸試樣的斷口形貌。

圖5分別為母材和螺旋焊縫試樣在氫氣含量0vol%和5vol%H2環(huán)境中拉伸試樣的斷口形貌。

(a)母材(0vol%H2環(huán)境)

(b)母材(5vol%H2環(huán)境)

(c)螺旋焊縫(0vol%H2環(huán)境)

(d)螺旋焊縫(5vol%H2環(huán)境)

可以看出，兩種環(huán)境中試樣在斷裂前都發(fā)生了明顯的頸縮，整個(gè)斷口呈現(xiàn)出清晰的韌性杯錐狀斷口特征，包括纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三部分，其中5vol%H2環(huán)境中的試樣放射區(qū)面積較大，可以看出H2環(huán)境中材料塑性較差。放大后發(fā)現(xiàn)，0vol%H2環(huán)境中的斷口顯微形貌表現(xiàn)為等軸韌窩，并且在大韌窩中還分布著許多小韌窩，微孔深度較深，分布也很均勻；5vol%H2環(huán)境中韌窩的尺寸較小且不均勻，放射區(qū)邊緣部位表現(xiàn)為具有如微孔和河流花樣混合的準(zhǔn)解理特征形貌。螺旋焊縫試樣盡管與母材相比韌窩較小，但其在5vol%H2環(huán)境中同樣有與母材相似的準(zhǔn)解理特征形貌。

2.3 疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)

在參考環(huán)境和3種含氫環(huán)境下(氫氣分?jǐn)?shù)分別為1vol%,2.2vol%和5vol%)對(duì)X80母材和螺旋焊縫進(jìn)行試驗(yàn)，各做2組平行試驗(yàn)，選取1組典型值進(jìn)行分析。應(yīng)力強(qiáng)度因子在35～75 MPa·m1/2范圍內(nèi)的疲勞裂紋擴(kuò)展曲線如圖6所示。

(a)母材

(b)螺旋焊縫

可以看出，母材和螺旋焊縫在氫氣分?jǐn)?shù)僅1vol%的環(huán)境下，疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯增加，隨氫氣體積分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加，疲勞裂紋擴(kuò)展速率少量增加，可用相對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率增值ICG表征氫對(duì)X80母材和螺旋焊縫處疲勞性能的劣化影響。選取應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK=40,60 MPa·m1/2，繪制不同氫氣體積分?jǐn)?shù)下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dn和相對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率增值ICG，見圖7。

(a)

(b)

由圖7可看出，對(duì)于ΔK=40,60 MPa·m1/2，只要試驗(yàn)環(huán)境含有少量氫氣就會(huì)造成嚴(yán)重的疲勞性能劣化，以母材為例，氫氣分?jǐn)?shù)1vol%時(shí)疲勞裂紋擴(kuò)展速率是0vol%參考環(huán)境時(shí)的7倍左右，同時(shí)隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)增加劣化程度會(huì)略微提高，氫氣分?jǐn)?shù)5vol%時(shí)疲勞裂紋擴(kuò)展速率是0vol%參考環(huán)境時(shí)的15倍左右，劣化指標(biāo)ICG均高于80%且最高達(dá)到94%。另外，無論是從絕對(duì)數(shù)值的疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dn或是相對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率增值指標(biāo)ICG來看，螺旋焊縫在氫氣中的疲勞性能都要好于母材。這可能是由于母材中只有粒狀貝氏體組織，而螺旋焊縫中含有針狀鐵素體和粒狀貝氏體組織，并形成彌散混合，鐵素體邊界是氫的強(qiáng)陷阱，能夠降低氫擴(kuò)散系數(shù)導(dǎo)致氫脆敏感性降低。另外，針狀鐵素體晶粒細(xì)小，相鄰針狀鐵素體之間的方位差為大傾角，晶內(nèi)分布的位錯(cuò)密度高，能夠有效地阻止裂紋擴(kuò)展[3,26]。

由于應(yīng)力強(qiáng)度因子在35～75 MPa·m1/2范圍時(shí)，疲勞裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系曲線在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下近似為線性，所以可以使用Paris公式進(jìn)行擬合。擬合結(jié)果如表6所示。

(4)

C，m——材料常數(shù)；

ΔK——應(yīng)力強(qiáng)度因子，MPa·m1/2。

表6 Paris模型擬合結(jié)果

回歸直線對(duì)于試驗(yàn)值的擬合程度用可決系數(shù)R2度量，R2的值越接近1，說明回歸直線對(duì)觀測值的擬合程度越好。由此可見,Paris模型可以很好地描述應(yīng)力強(qiáng)度因子在35～75 MPa·m1/2范圍內(nèi),X80管線鋼母材和螺旋焊縫在煤制天然氣環(huán)境中疲勞裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系?？苫谠囼?yàn)中得到的Paris模型參數(shù)，在已知初始裂紋和斷裂韌度的基礎(chǔ)上求解管道的設(shè)計(jì)疲勞壽命，但準(zhǔn)確的計(jì)算還需基于管道工況對(duì)Paris模型進(jìn)行修正[4]。

3 結(jié)論

(1)慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)表明，室溫下煤制天然氣中氫對(duì)X80鋼螺旋焊管的母材和螺旋焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度基本沒有影響，在一定程度上，降低了材料的斷后伸長率和斷面收縮率，但總體上影響不顯著，相較母材，煤制天然氣中氫對(duì)螺旋焊縫的塑性影響較大。參照ANSI/CSA CHMC1對(duì)材料氫氣相容性的判斷標(biāo)準(zhǔn)，仍可認(rèn)為國產(chǎn)X80管線鋼較適合在含5vol%以下氫氣環(huán)境使用。

(2)疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)表明，室溫下煤制天然氣中氫明顯增加了X80鋼螺旋焊管的母材和螺旋焊縫金屬的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，使其較0vol%的參考環(huán)境增加了7倍左右，劣化指標(biāo)ICG均達(dá)到80%以上，且隨氫氣摻入比例的增加，疲勞裂紋擴(kuò)展速率仍然有少量增加。Paris模型可以很好地描述X80管線鋼母材和螺旋焊縫在煤制天然氣環(huán)境中疲勞裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系。

(3)室溫下煤制天然氣中氫對(duì)X80管線鋼螺旋焊縫塑性性能的劣化影響略大于母材，但對(duì)母材疲勞性能的劣化影響比螺旋焊縫小，其原因可能是母材和焊縫金屬具有不同的金相組織。