高強(qiáng)管線鋼焊縫區(qū)氫損傷研究與展望

孫穎昊，程玉峰

(加拿大卡爾加里大學(xué)機(jī)械工程系 阿爾伯塔 卡爾加里 T2N 1N4)

0 引 言

管道是能源運(yùn)輸最高效、最安全的方式。隨著能源需求的持續(xù)增加，為滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展與民生需要，管道建設(shè)方興未艾。據(jù)美國(guó)能源部預(yù)測(cè)[1], 全球能源總需求從2003年到2030年將增長(zhǎng)71%，其中化石能源仍將占主要份額，管道建設(shè)會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng)。同時(shí)，管道在“綠色”能源，包括氫氣、生物氣體、超臨界二氧化碳運(yùn)輸以及氫氣/天然氣混輸方面，以其高效、經(jīng)濟(jì)、安全的特點(diǎn)，已經(jīng)得到普遍重視，管道甚至被認(rèn)為是達(dá)成全球凈零碳排放目標(biāo)的關(guān)鍵[2]。

管道在長(zhǎng)期服役過(guò)程中，其完整性會(huì)受到多種因素的影響，例如腐蝕、疲勞、機(jī)械損傷、材料與焊接失效、雜散電流、地質(zhì)災(zāi)害、第三方破壞等[3]。管道一旦失效，其后果往往十分嚴(yán)重，不僅造成能源損失，而且會(huì)破壞環(huán)境與生態(tài)，甚至導(dǎo)致人身傷亡事故[4]。

現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明，管道失效經(jīng)常發(fā)生在焊縫區(qū)。在保障焊接質(zhì)量的情況下，管道焊縫區(qū)失效的3個(gè)主要原因是機(jī)械斷裂、腐蝕與氫脆[5]。焊縫區(qū)的組織結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能與管線鋼基體存在較大差異，管道本體可以承受的應(yīng)力與應(yīng)變?cè)诤缚p區(qū)則可能會(huì)導(dǎo)致裂紋引發(fā)。涂層在焊縫區(qū)失效會(huì)產(chǎn)生腐蝕環(huán)境，焊接接頭不同區(qū)域的組織、結(jié)構(gòu)、性能的差異會(huì)使它們之間在腐蝕環(huán)境中產(chǎn)生電化學(xué)活性差以及微電偶效應(yīng)，導(dǎo)致局部區(qū)域(例如熱影響區(qū))優(yōu)先加速腐蝕[6]。此外，氫原子可通過(guò)焊接、腐蝕、氫分子解離吸附等因素進(jìn)入管線鋼，富集在焊縫區(qū)，產(chǎn)生各種氫損傷(Hydrogen damage)[7-8]。高強(qiáng)管線鋼(如X80、X100鋼)由于熱機(jī)械控制軋制工藝產(chǎn)生的硬化相，以及焊縫區(qū)獨(dú)特的顯微結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能，對(duì)氫損傷具有比低強(qiáng)鋼更高的敏感性[9-10]。因此，理解并控制高強(qiáng)鋼管道及其焊縫區(qū)的氫致失效，對(duì)于維護(hù)管道安全尤為重要。

本文綜述了高強(qiáng)管線鋼焊縫區(qū)氫損傷機(jī)理、特征和行為，介紹了影響焊縫區(qū)局部氫富集的冶金結(jié)構(gòu)，討論了影響氫損傷發(fā)生的因素，提出了控制焊縫區(qū)氫致失效的方法，并結(jié)合已有研究成果分析了進(jìn)一步針對(duì)高強(qiáng)管線鋼焊縫區(qū)氫損傷行為研究的前景與相關(guān)方向。

1 高強(qiáng)管線鋼及其焊接的金屬學(xué)基礎(chǔ)

1.1 高強(qiáng)管線鋼的冶金特征

高強(qiáng)管線鋼技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)是通過(guò)合金化處理與熱機(jī)械控制軋制工藝，獲得優(yōu)異的強(qiáng)度、韌性與焊接性能，而高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)則使焊縫區(qū)具有與管線鋼母材相匹配的機(jī)械性能[11]。

1.1.1 合金化處理

高強(qiáng)管線鋼的合金元素組分經(jīng)過(guò)適當(dāng)控制，可以滿足機(jī)械性能的要求。高強(qiáng)鋼的含碳(C)質(zhì)量分?jǐn)?shù)通?？刂圃?.1%以內(nèi)，錳(Mn)則少于2.0%，其他少量的元素還包括鈮(Nb)、釩(V)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、硼(B)等。適當(dāng)?shù)奶己靠杀３咒摰膹?qiáng)度和硬度，但碳含量過(guò)高則降低韌性和焊接性能；錳可促進(jìn)鋼的固溶強(qiáng)化，但過(guò)多的錳會(huì)增加氫脆敏感性[12]；元素鈮、釩、鈦能夠細(xì)化晶粒，增加鋼的強(qiáng)度[10]；元素鎳、鉻能促進(jìn)相變，產(chǎn)生晶粒細(xì)化的顯微結(jié)構(gòu)和較高的強(qiáng)度; 元素硼可以提高鋼的淬硬性，阻止較軟的鐵素體和珠光體的形成; 元素鉬則有利于產(chǎn)生針狀鐵素體而提高鋼的屈服強(qiáng)度。

合金化處理的主要目的是通過(guò)沉積硬化、晶粒細(xì)化、固溶強(qiáng)化等機(jī)制提高鋼的強(qiáng)度。固溶強(qiáng)化機(jī)制取決于合金元素的種類，而沉積硬化和晶粒細(xì)化機(jī)制則與合金元素與熱機(jī)械控制軋制工藝交互作用有關(guān)，合金元素與熱機(jī)械控制軋制工藝的不同組合能夠產(chǎn)生種類眾多的顯微組織，從而使管線鋼具有多種機(jī)械性能。

1.1.2 熱機(jī)械控制軋制與顯微結(jié)構(gòu)

熱機(jī)械控制軋制工藝(Thermomechanical controlled processing, TMCP)發(fā)展于1970年代，通過(guò)將鐵素體-珠光體的顯微結(jié)構(gòu)改變?yōu)獒槧铊F素體與貝氏體，以提高管線鋼強(qiáng)度、改善鋼的韌性[9]。TMCP能夠精確控制管線鋼的微觀組織結(jié)構(gòu)，達(dá)到相當(dāng)高的應(yīng)變強(qiáng)化水平；加速冷卻(Accelerated cooling, AcC)進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度和應(yīng)變強(qiáng)化能力；淬火與回火工藝可以獲得低脆性馬氏體結(jié)構(gòu)，在保持高強(qiáng)度的同時(shí)改善鋼的韌性和塑性，制備超高強(qiáng)度管線鋼[13]。熱處理在線加工(Hear-treatment on-line process, HOP)還可以產(chǎn)生細(xì)化的碳化物纖維和奧氏體/馬氏體島。表1列出了X80、X100及X120高強(qiáng)管線鋼在不同熱機(jī)械控制軋制工藝下產(chǎn)生的顯微組織結(jié)構(gòu)[10,14]。

圖1是X80、X100及X120高強(qiáng)管線鋼的金相組織[15-17]。X80鋼含有多邊形鐵素體和貝氏體，X100鋼以粒狀貝氏體和多邊鐵素體為主，X120鋼主要含有細(xì)化的板條貝氏體。

1.1.3 機(jī)械性能

圖2是X80、X100與X120高強(qiáng)管線鋼以及X70鋼的屈服強(qiáng)度(Yield strength)、拉伸強(qiáng)度(Ultimate tensile strength)、延伸率(Elongation)、屈強(qiáng)比(Yield/tensile ratio)、夏比沖擊功(Charpy V-notch, CVN)和落錘撕裂試驗(yàn)(DWTT)結(jié)果[13,15,18]。通常，隨著鋼的強(qiáng)度級(jí)別增加，其延伸率降低。

圖2 X80、X100及X120高強(qiáng)管線鋼以及X70鋼的主要機(jī)械性能[13,15,18]

雙相鋼具有較低的屈強(qiáng)比，這主要是硬化相與較軟的基體相之間的強(qiáng)度差別導(dǎo)致了應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)。管線鋼的拉伸性能與韌性之間不存在明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1.2 高強(qiáng)管線鋼的焊接金屬學(xué)特征

1.2.1 顯微組織結(jié)構(gòu)

管線鋼焊縫區(qū)的金相組織和顯微結(jié)構(gòu)是不均勻的，焊接過(guò)程中的溫度變化會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)內(nèi)的組分與結(jié)構(gòu)差異，從熔合線到母材之間的熱影響區(qū)可依次分為粗晶(Coarse grain)HAZ、細(xì)晶(Fine grain)HAZ、間臨界(Inter-critical)HAZ和次臨界(Sub-critical)HAZ[19], 管線鋼可在CGHAZ產(chǎn)生貝氏體，而在FGHAZ轉(zhuǎn)化為鐵素體，滲碳體、馬氏體和奧氏體均會(huì)出現(xiàn)在焊縫金屬。圖3是X80鋼焊接接頭不同區(qū)域的金相組織[20]，X80鋼母材包括典型的鐵素體(F)和貝氏體(B)，而HAZ顯現(xiàn)粗晶組織的鐵素體、貝氏體和部分滲碳體(C)，焊縫金屬的顯微結(jié)構(gòu)由針狀鐵素體(AF)和晶界鐵素體(GBF)組成。

圖3 X80管線鋼焊接接頭不同區(qū)域的金相組織[20]

1.2.2 化學(xué)組分

合金化處理是改善高強(qiáng)管線鋼機(jī)械性能的主要途徑之一，但不恰當(dāng)?shù)暮辖鹪貢?huì)降低鋼的焊接性能。例如，較高含量的錳、鎳元素會(huì)在焊縫區(qū)偏聚，鉬會(huì)增加HAZ的強(qiáng)度、降低其塑性，硼則降低焊接金屬的低溫韌性。此外，合金化處理還會(huì)影響多重焊接過(guò)程由于溫度升高而引起的二次相變過(guò)程。

1.2.3 機(jī)械性能

焊縫區(qū)組織結(jié)構(gòu)和成分的不均勻性導(dǎo)致從焊縫中心到母材的機(jī)械性能的差異。針狀鐵素體能夠改善管線鋼的韌性，減低開(kāi)裂敏感性。然而，CGHAZ由于經(jīng)歷高溫而使得局部奧氏體晶粒尺寸超過(guò)母材區(qū)的5倍，導(dǎo)致CGHAZ的斷裂韌性大大降低[21]。焊縫金屬、HAZ與母材之間的強(qiáng)度差異，特別是HAZ軟化，使得焊縫區(qū)具有不同的承壓能力[6]。熱影響區(qū)中奧氏體/馬氏體島的存在還會(huì)促進(jìn)解理裂紋的形成。

1.3 焊縫區(qū)應(yīng)力分布

管線鋼焊縫區(qū)往往存在焊接殘余應(yīng)力。在焊接過(guò)程中，焊縫金屬的加熱、膨脹會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力，而冷卻、收縮會(huì)產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力。因此，焊接殘余應(yīng)力可能是拉應(yīng)力，也可是壓應(yīng)力，其中，拉伸應(yīng)力能夠促進(jìn)裂紋引發(fā)與擴(kuò)展。焊縫區(qū)殘余應(yīng)力的分布與組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)組分、焊接工藝等有關(guān)，管道焊縫熱影響區(qū)通常具有比母材區(qū)更大的拉應(yīng)力[22]，而且，熱影響區(qū)的應(yīng)力往往也高于焊縫金屬的應(yīng)力水平。在管道徑向方向，沿焊縫中心線，最大拉應(yīng)力存在于焊縫厚度中心，焊縫區(qū)管道內(nèi)、外表面分別存在壓應(yīng)力與拉應(yīng)力[23]。當(dāng)同時(shí)考慮軸向、徑向與環(huán)向應(yīng)力時(shí)，最大的平衡von Mises應(yīng)力存在于焊縫區(qū)在管道的外表面，沿著焊縫厚度向管道內(nèi)表面移動(dòng)時(shí)，平衡應(yīng)力水平降低。與焊縫區(qū)金相結(jié)構(gòu)、化學(xué)組分一樣，應(yīng)力分布也顯著影響氫原子在焊縫區(qū)集聚以及裂紋引發(fā)。

2 管道焊縫區(qū)的氫滲透行為

進(jìn)入管道焊縫區(qū)的氫原子有多種來(lái)源，包括空氣中的濕氣、焊材材料、管線鋼基體、管道服役環(huán)境，如高壓氫氣或腐蝕反應(yīng)等，管道外加電流陰極保護(hù)在發(fā)生“過(guò)保護(hù)”時(shí)，也會(huì)發(fā)生陰極反應(yīng)析氫而產(chǎn)生氫原子進(jìn)入管線鋼與焊縫區(qū)。

2.1 氫滲透模型

氫滲透過(guò)程通常定義為吸附在金屬外表面的氫原子(Hads)進(jìn)入金屬，變?yōu)槲皆诮饘賰?nèi)表面的氫原子(Habs)，Habs在濃度梯度作用下擴(kuò)散到金屬另一側(cè)并離開(kāi)金屬到達(dá)其外表面的過(guò)程。電化學(xué)氫滲透試驗(yàn)測(cè)量氫原子通過(guò)金屬樣品的滲透電流密度是常用的研究氫滲透行為的方法[24]，如圖4所示[25]，外加陰極極化導(dǎo)致氫離子還原(酸性溶液)或水的還原(中性或堿性溶液)，產(chǎn)生吸附在金屬表面的氫原子Hads，部分氫原子發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)復(fù)合而生成氫分子，另一部分氫原子則進(jìn)入金屬內(nèi)部成為Habs。部分Habs集聚在金屬內(nèi)部缺陷處(或稱為氫陷阱)，另一部分Habs由于濃度梯度而擴(kuò)散到金屬樣品的另一側(cè)而離開(kāi)金屬，成為金屬外表面的Hads。Hads在陽(yáng)極極化下發(fā)生氧化，氧化電流密度與滲透出金屬的氫原子含量之間存在定量關(guān)系。電化學(xué)氫滲透測(cè)量結(jié)果可以運(yùn)用恒濃度模型或恒通量模型進(jìn)行擬合，確定各種電化學(xué)氫滲透參數(shù)，例如金屬內(nèi)表面氫原子濃度、氫原子擴(kuò)散系數(shù)、氫滲透通量、氫陷阱密度等[26]。

圖4 氫原子滲透過(guò)程及電化學(xué)氫滲透試驗(yàn)示意圖[25]

根據(jù)恒濃度模型，金屬內(nèi)表面氫原子濃度(Csub)在充氫開(kāi)始后保持恒定，其初始和邊界條件為[27]：

t=0:C=0 當(dāng) 0≤x≤L時(shí)

(1)

(2)

式中：t為時(shí)間，s；C為氫原子濃度，mol/m3;L為金屬樣品厚度,m。

恒通量模型假設(shè)充氫開(kāi)始后，氫原子滲透通量保持不變，其初始與邊界條件為[28]：

t=0:C=0當(dāng)0≤x≤L時(shí)

(3)

(4)

式中：j為氫原子滲透通量，mol/m2·s;D為氫原子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;C∞為最大氫原子濃度,mol/m3。

根據(jù)Fick 第二定律，恒濃度模型和恒通量模型確定的氫滲透電流暫態(tài)方程分別為：

(5)

(6)

式中：It為暫態(tài)氫滲透電流，A；I∞為最大氫滲透電流，A；τ為無(wú)量綱時(shí)間(Dt/L2)。

氫滲透電流測(cè)量結(jié)果需要根據(jù)上述兩個(gè)模型進(jìn)行暫態(tài)電流擬合，以確定哪一個(gè)模型的模擬結(jié)果能夠更精確地與實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合，然后該模型被用于氫滲透參數(shù)的擬合。例如，Cheng研究X65管線鋼在一種近中性土壤溶液中的氫滲透行為，發(fā)現(xiàn)恒濃度模型的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)的暫態(tài)氫滲透電流非常吻合[26]。以恒濃度模型為基礎(chǔ)的電化學(xué)氫滲透參數(shù)可以運(yùn)用如下方程進(jìn)行擬合與計(jì)算：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：tL為氫滲透實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后暫態(tài)滲氫電流達(dá)到0.63I∞所需的時(shí)間，s;tb為暫態(tài)滲氫電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)之前的線性部分外推至It=0 所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，s;F為Faraday常數(shù)，96 485 C/mol;n為金屬原子化合價(jià);NT為氫陷阱密度，m-3;Dl為氫原子在金屬晶格點(diǎn)陣中的擴(kuò)散系數(shù),m2/s;JH為氫的滲透通量，mol/m2·s。

需要指出的是，上述模型及其擬合方程假設(shè)所有氫陷阱是彼此分離的，因此，它們不能用于評(píng)估具有一定幾何尺寸的氫陷阱(例如晶界)的氫滲透行為，而有限元方法可用于多晶模型，擬合確定氫原子的晶界擴(kuò)散、局部偏析以及點(diǎn)陣擴(kuò)散。

2.2 高強(qiáng)管線鋼焊縫區(qū)的氫滲透行為及影響因素

由于高強(qiáng)管線鋼焊縫區(qū)復(fù)雜的冶金組織結(jié)構(gòu)、缺陷以及應(yīng)力分布，該區(qū)域具有獨(dú)特的氫滲透行為，焊縫區(qū)中常見(jiàn)的非金屬夾雜物與位錯(cuò)、微裂紋等均可作為氫陷阱導(dǎo)致局部氫聚集，殘余應(yīng)力也可促進(jìn)局部氫滲透。

2.2.1 高強(qiáng)管線鋼焊縫區(qū)氫滲透參數(shù)

X80 管線鋼焊縫區(qū)中焊縫金屬、HAZ和X80鋼母材的電化學(xué)滲氫參數(shù)[20]見(jiàn)表2。

表2 X80 管線鋼焊縫區(qū)中焊縫金屬、HAZ和X80鋼母材的電化學(xué)滲氫參數(shù)[20]

焊縫金屬由于存在細(xì)小的針狀鐵素體晶粒，從而產(chǎn)生連續(xù)密集的晶界網(wǎng)絡(luò)，可作為氫滲透路徑，因此，焊縫金屬具有最高的氫滲透速率以及內(nèi)表面氫濃度。但在較高的焊接溫度下，焊縫金屬晶粒變得粗化，位錯(cuò)增生以及產(chǎn)生碳化物，焊縫的氫滲透速率會(huì)降低。X80管線鋼母材含有多邊形鐵素體，鐵素體晶界可以作為氫擴(kuò)散通道[29]，因此母材區(qū)具有最大的氫擴(kuò)散系數(shù)和較小的內(nèi)表面氫濃度。同時(shí)，X80鋼母材具有較低的氫陷阱密度。熱影響區(qū)中的滲碳體可以阻礙氫擴(kuò)散[30]，而且粗晶組織和結(jié)構(gòu)變異通常會(huì)發(fā)生在HAZ，使得HAZ具有最高的氫陷阱密度和最低的氫擴(kuò)散系數(shù)以及氫滲透速率。如果考慮到HAZ中的亞區(qū)域，CGHAZ比FGHAZ具有更高的位錯(cuò)密度，因此CGHAZ的氫擴(kuò)散系數(shù)更低。

2.2.2 冶金結(jié)構(gòu)對(duì)氫滲透的影響

奧氏體比鐵素體具有更低的氫溶解能以及獨(dú)特的面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)，其氫擴(kuò)散性較低，氫溶解度較高[31]。因此，奧氏體的存在會(huì)提高管線鋼內(nèi)表面氫濃度并降低氫擴(kuò)散系數(shù)。此外，相界面能夠有效捕獲原子氫，由于相界面和奧氏體的同時(shí)存在，奧氏體/馬氏體島可以顯著減緩氫原子滲透。貝氏體與同樣為體心立方(BCC)結(jié)構(gòu)的鐵素體相比，更容易形成(110)晶面，而(110)晶面的氫擴(kuò)散能壘(1.02 eV)大于(100)晶面的0.38 eV，因此鐵素體比貝氏體更容易吸收原子氫進(jìn)入鋼的內(nèi)表面。貝氏體中的碳化物可以減緩原子氫的擴(kuò)散，從而降低氫的滲透速率。焊縫金屬中一種常見(jiàn)的冶金結(jié)構(gòu)是被晶界鐵素體包圍的針狀鐵素體，它具有互鎖機(jī)制以及微小的晶粒尺寸，即便在塊狀晶界鐵素體存在時(shí)，也可以提供大量連續(xù)晶界作為氫擴(kuò)散通路從而增加氫滲透速率。

2.2.3 冶金缺陷對(duì)氫滲透的影響

冶金缺陷(包括位錯(cuò)、金屬空位和非金屬夾雜物等)具有較大的氫結(jié)合能，因此被認(rèn)為是典型的氫捕獲位點(diǎn)或氫陷阱，從而可以降低氫的擴(kuò)散。位錯(cuò)的影響與晶界類似，即可作為氫陷阱捕獲原子氫而降低氫的滲透，另一方面由于其較低的擴(kuò)散能壘而促進(jìn)原子氫沿著位錯(cuò)的擴(kuò)散[32]。此外，塑性變形階段產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)還可以作為氫的擴(kuò)散載體。運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)攜氫擴(kuò)散與其運(yùn)動(dòng)速度以及溫度有關(guān)，當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)臨界值時(shí)，氫原子會(huì)與位錯(cuò)脫離而使得位錯(cuò)失去攜氫能力，環(huán)境溫度過(guò)高也會(huì)造成類似影響，使得氫從位錯(cuò)脫離而擴(kuò)散到其他位置。非金屬夾雜物對(duì)氫滲透具有重要影響，含碳/氮夾雜物內(nèi)部空隙被填滿后，對(duì)于原子氫的溶解度相對(duì)較低，而減緩氫的滲透[30]。氫的吸附能在含碳/氮夾雜物與母材金屬的界面一般為負(fù)值，因此氫在該區(qū)域極易發(fā)生偏析，從而進(jìn)一步降低其滲透速率。含硫夾雜物(例如MnS)對(duì)原子氫具有極高的結(jié)合能，也極易發(fā)生氫的偏析。含氧夾雜物捕獲原子氫的能量(0.33 eV)略大于氫在晶格間擴(kuò)散的能量(0.17 eV)，在低溫下含氧夾雜物對(duì)氫滲透的減緩作用比其他夾雜物更低。然而，由于較大的脆性以及與母材金屬機(jī)械性能的差異，含氧夾雜物(例如Al-O與Si-O)容易成為氫致開(kāi)裂的萌生處[15]。

2.2.4 應(yīng)力對(duì)氫滲透的影響

應(yīng)力對(duì)管線鋼中氫滲透的影響已經(jīng)得到廣泛研究。一般認(rèn)為，彈性應(yīng)力可以導(dǎo)致晶格膨脹，使得原子間空間增大，并降低氫擴(kuò)散能壘，從而增加氫的滲透速率[33]。塑性應(yīng)力對(duì)氫滲透的影響可分為促進(jìn)和抑制2種，處于早期塑性階段時(shí)，位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)氫滲透的促進(jìn)作用占主導(dǎo)；隨著應(yīng)力進(jìn)一步增大，更多的位錯(cuò)產(chǎn)生并且捕獲原子氫，從而減緩其滲透過(guò)程。應(yīng)力對(duì)X80管線鋼焊縫區(qū)氫滲透參數(shù)的影響情況見(jiàn)表3[34]，在彈性應(yīng)力下，除氫陷阱密度外其他氫滲透參數(shù)均提高。當(dāng)應(yīng)力處于塑性時(shí)，位錯(cuò)增生成為原子氫捕獲位點(diǎn)，促進(jìn)氫聚集，使得滲透速率以及擴(kuò)散系數(shù)降低，內(nèi)表面氫濃度和氫陷阱密度顯著提高。

表3 不同應(yīng)力下X80管線鋼焊縫區(qū)電化學(xué)滲氫參數(shù)[34]

3 高強(qiáng)鋼管道焊縫區(qū)的氫擴(kuò)散與氫陷阱

原子氫在管線鋼中存在著擴(kuò)散和被捕獲2個(gè)過(guò)程，擴(kuò)散為氫原子在間隙位點(diǎn)之間的跳躍，而該過(guò)程會(huì)由于氫陷阱造成的捕獲效應(yīng)而減緩。典型的氫陷阱包括晶界、相界面、位錯(cuò)、溶質(zhì)原子、空位、非金屬夾雜物等。高強(qiáng)鋼焊縫區(qū)由于存在多種微觀結(jié)構(gòu)和缺陷，氫擴(kuò)散與捕獲行為比較復(fù)雜。

3.1 氫原子在管線鋼晶格點(diǎn)陣的擴(kuò)散

在BCC結(jié)構(gòu)(例如鐵素體)中，氫原子在四面體間隙(Tetrahedral sites, TS)的勢(shì)能比在八面體間隙(Octahedral sites, OS)低0.13 eV，所以氫會(huì)優(yōu)先占據(jù)四面體間隙[34]。在FCC結(jié)構(gòu)(例如奧氏體中)，八面體間隙是氫原子的優(yōu)先占據(jù)位點(diǎn)。在BCC結(jié)構(gòu)中，2個(gè)相鄰優(yōu)先占據(jù)位點(diǎn)之間的距離(1.1 ?)小于在FCC結(jié)構(gòu)中的距離(1.8 ?)，因此，氫原子在BCC結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散只需要較小的激活能，也使得氫在BCC中有更高的擴(kuò)散速率[35]。氫在BCC中的擴(kuò)散有2個(gè)可能路徑，一是沿著2個(gè)相鄰的TS位點(diǎn)，另一個(gè)是從一個(gè)TS位點(diǎn)經(jīng)過(guò)OS位點(diǎn)而到達(dá)相對(duì)的TS位點(diǎn)，其中沿著相鄰TS位點(diǎn)的擴(kuò)散能壘(0.088 eV)小于第二個(gè)路徑的擴(kuò)散能壘(0.12 eV)，因而前一個(gè)路徑為氫原子在BCC中擴(kuò)散的主要路徑。氫原子在FCC中的擴(kuò)散也有2個(gè)路徑，分別是沿著2個(gè)相鄰OS的直線擴(kuò)散與途經(jīng)TS的擴(kuò)散，由于后者所需能量小于前者，所以TS為氫原子在FCC中擴(kuò)散的主要路徑[34]。

3.2 管線鋼中可逆與不可逆氫陷阱

原子氫在鋼中不僅占據(jù)晶格間隙位點(diǎn)，也可以被勢(shì)能更深的氫陷阱捕獲。根據(jù)氫在聚集位點(diǎn)飽和前發(fā)生脫離的可能性，氫陷阱分為可逆氫陷阱(Reversible traps, R)和不可逆氫陷阱(Irreversible traps, IR)，可逆氫陷阱指氫在陷阱飽和前具有較大可能性脫離的位點(diǎn)，而幾乎沒(méi)有可能脫離的位點(diǎn)被稱為不可逆氫陷阱。在可逆與不可逆氫陷阱之間并無(wú)明確的界限，原子氫脫離的可能性可以根據(jù)結(jié)合能的大小來(lái)估計(jì)，一般以0.5～0.6 eV為判據(jù)估計(jì)氫陷阱的可逆性。典型的可逆氫陷阱包括刃型位錯(cuò)、螺旋位錯(cuò)、小角度晶界、滲碳體/鐵素體與奧氏體/鐵素體界面等[36]。不可逆氫陷阱包括混合位錯(cuò)、非金屬夾雜物、金屬原子空穴等[36]。大角度晶界既可能是可逆氫陷阱，也可能是不可逆氫陷阱。氫陷阱捕獲氫的機(jī)理有2種，分別為電場(chǎng)交互作用和力場(chǎng)交互作用。按照電場(chǎng)交互作用機(jī)理，金屬內(nèi)部的氫原子增加局部電荷密度，鋼中所有能夠降低電荷的位點(diǎn)都會(huì)捕獲氫原子，從而達(dá)到局部電中性。根據(jù)力場(chǎng)交互作用，應(yīng)力會(huì)在缺陷/位錯(cuò)/溶質(zhì)原子附近引發(fā)晶格畸變，從而增加容納氫原子的自由空間，加速氫的捕獲。

3.3 管線鋼焊縫區(qū)氫擴(kuò)散與氫陷阱

焊接過(guò)程中的溫度變化及其導(dǎo)致的相變使得焊縫區(qū)的氫擴(kuò)散與捕獲行為非常獨(dú)特。在焊后冷卻過(guò)程中，焊縫金屬和熱影響區(qū)的過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體、貝氏體等組織，熔融金屬中原本均勻分布的氫原子會(huì)出現(xiàn)局部富集現(xiàn)象，即氫原子從溶解度相對(duì)較低的鐵素體、貝氏體等組織擴(kuò)散至溶解度較大的殘余奧氏體中[31]。該現(xiàn)象與奧氏體較低的氫擴(kuò)散系數(shù)共同作用，使得殘余奧氏體成為典型的氫陷阱，最終形成富含氫的過(guò)飽和奧氏體。針狀鐵素體作為高強(qiáng)管線鋼焊縫區(qū)常見(jiàn)的一種組織，具有隨機(jī)的取向分布以及較高的晶界密度和位錯(cuò)密度，而晶界和位錯(cuò)都是典型的氫陷阱，導(dǎo)致針狀鐵素體相較其他的微觀組織具有更高的氫捕獲效率。焊縫金屬中的第二相組織(例如奧氏體/馬氏體島和滲碳體)也會(huì)減緩氫的擴(kuò)散，奧氏體/鐵素體以及滲碳體/鐵素體相界面與原子氫具有較高的結(jié)合能而可以顯著且高效地捕獲氫原子，使得它們成為有效的氫陷阱。連續(xù)的微觀組織(例如晶界網(wǎng)絡(luò))可促進(jìn)氫的滲透，這是由于連續(xù)晶界作為氫擴(kuò)散通道，只需要克服較低的能壘。晶界對(duì)于原子氫擴(kuò)散與捕獲的影響與其角度有關(guān)[37]。晶界角度較低時(shí)(<15°)，氫的點(diǎn)陣擴(kuò)散作為擴(kuò)散過(guò)程的控制步驟；隨著晶界角度的增大(>15°)，氫的晶界擴(kuò)散成為主要影響因素。

焊縫區(qū)氫擴(kuò)散與捕獲現(xiàn)象可以通過(guò)顯微氫打印技術(shù)(Hydrogen microprint technique, HMT)直接觀測(cè)。結(jié)果表明，在管線鋼母材上，氫優(yōu)先捕獲在等軸鐵素體晶界以及珠光體中碳化物/鐵素體界面，熱影響區(qū)中的捕獲位點(diǎn)主要位于貝氏體內(nèi)鐵素體和碳化物的針尖狀/版條狀界面，而焊縫金屬的氫陷阱則集中于隨機(jī)取向的針狀鐵素體晶界，以及奧氏體/馬氏體島周圍。

焊縫區(qū)顯微組織對(duì)氫擴(kuò)散和捕獲的影響也可通過(guò)電子背散射衍射(Electron back scatter diffraction, EBSD)，透射電鏡(Transmission electron microscope, TEM)和電化學(xué)滲氫實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。X80鋼熱影響區(qū)的研究結(jié)果表明，大角度晶界占比、位錯(cuò)密度等均可以影響氫的滲透行為，其中ICHAZ區(qū)在較低的峰值溫度下未完全奧氏體化，室溫下的組織以粗大鐵素體和粒狀貝氏體為主，氫的擴(kuò)散系數(shù)隨著大角度晶界占比和位錯(cuò)密度的降低而增加。對(duì)于完全奧氏體化的FGHAZ，室溫下組織主要為塊狀鐵素體、多邊形鐵素體以及粒狀貝氏體，大角度晶界占比增至81%，但是晶界平直程度增加并且位錯(cuò)密度大幅度降低，因而氫的擴(kuò)散系數(shù)仍然大于基體金屬。隨著溫度峰值增加，CGHAZ的冷卻組織為貝氏體化的鐵素體，位錯(cuò)密度稍高于其他HAZ亞區(qū)，但晶界平直度進(jìn)一步增加，而且，隨著奧氏體的顯著增大，大角度晶界占比急劇降低(僅為46%)，所以氫的擴(kuò)散系數(shù)在CGHAZ達(dá)到極大值。此外，管線鋼中的缺陷，例如位錯(cuò)、晶界、析出物以及奧氏體/馬氏體島均為可逆氫陷阱，而非金屬夾雜物多為不可逆氫陷阱，由于夾雜物與母材之間存在機(jī)械性能不均勻性，其在氫致開(kāi)裂過(guò)程中起到重要作用。

不同級(jí)別管線鋼之間存在著強(qiáng)度和顯微結(jié)構(gòu)的顯著差異，它們的焊縫區(qū)的氫滲透行為也明顯不同。圖5為X52管線鋼焊縫區(qū)金相組織，由圖5可知X52鋼母材為多邊形鐵素體及少量珠光體團(tuán)簇，焊縫區(qū)主要為晶界平直度降低但細(xì)化不明顯的多邊形鐵素體、些許碳化物顆粒和少量針狀鐵素體，珠光體團(tuán)簇明顯減少[38]。降低的晶界平直度以及分散的碳化物顆粒使得氫的擴(kuò)散受到限制，所以高強(qiáng)鋼與低強(qiáng)鋼焊縫區(qū)的擴(kuò)散系數(shù)通常都小于基體金屬[33]。同時(shí)，低強(qiáng)鋼焊縫金屬中占比相對(duì)較低的針狀鐵素體使得氫原子在連結(jié)密集的晶界網(wǎng)絡(luò)中擴(kuò)散降低。因此，低強(qiáng)鋼焊縫的氫滲透速率一般低于基體金屬，而高強(qiáng)鋼焊縫金屬(如圖3(c)所示)通常具有高于基體的氫滲透速率[34]。

圖5 X52管線鋼焊縫區(qū)金相組織[38]

4 高強(qiáng)鋼管道焊縫區(qū)氫損傷

氫原子進(jìn)入碳鋼(包括管線鋼)后能夠引發(fā)多種形式的氫損傷，例如氫脆(Hydrogen embrittlement, HE)、氫鼓泡(Hydrogen blistering, HB)和氫致開(kāi)裂(Hydrogen induced cracking, HIC)等，高強(qiáng)管線鋼焊縫區(qū)通常具有較高的氫致失效敏感性。

4.1 管線鋼氫損傷的主要形式與機(jī)理

Johnson在1875年首次提出金屬氫脆的概念[39]，在過(guò)去的100多年里，人們?nèi)晕茨軐?duì)氫脆機(jī)理形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。一般認(rèn)為，氫脆始于原子氫在氫陷阱周圍的聚集和偏析，對(duì)金屬基體內(nèi)部的原子鍵合力或者位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。氫脆在宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)性能退化(如韌性降低、脆性增加)以及斷裂形式變化(從韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詼?zhǔn)解理型或沿晶型斷裂)。例如，淬火低碳鋼在充氫后于彈性變形階段可突然發(fā)生脆性斷裂，且斷口形貌顯示明顯的沿晶特征；臨界退火樣品的屈服強(qiáng)度未發(fā)生明顯變化，但延伸率明顯降低。氫脆敏感性一般會(huì)隨著慢應(yīng)變速率拉伸實(shí)驗(yàn)(Slow strain rate tensile, SSRT)中應(yīng)變速率的降低而增加，然而在高壓氫氣(13.8 MPa)環(huán)境中，應(yīng)變速率對(duì)管線鋼的力學(xué)性能影響不大[40]。還有研究指出，在較高的應(yīng)變速率下，X80管線鋼充氫后并未出現(xiàn)明顯的氫脆現(xiàn)象，然而預(yù)應(yīng)變后再充氫則出現(xiàn)了延伸率的顯著降低，意味著原子氫與位錯(cuò)的交互作用在氫脆中起到重要作用。宏觀力學(xué)性能測(cè)試表明，充氫對(duì)高強(qiáng)管線鋼(例如X80鋼)的彈性變形行為和屈服強(qiáng)度影響不大，然而微納尺度的力學(xué)測(cè)試(例如納米壓痕以及微懸臂彎曲實(shí)驗(yàn))發(fā)現(xiàn)，高含量的原子氫可以通過(guò)限制位錯(cuò)以及晶格內(nèi)部金屬原子的運(yùn)動(dòng)，使得微彈性模量和顯微硬度有所提升從而發(fā)生脆化，這種情況在電化學(xué)充氫所導(dǎo)致的氫濃度梯度較大的情況下尤其明顯。Wasim和Djukic認(rèn)為原子氫所導(dǎo)致的微裂紋、孔洞以及鼓泡會(huì)使鐵原子結(jié)合能降低。隨著管線鋼強(qiáng)度的提高，氫脆敏感性顯著增加。

氫脆主要指原子氫引發(fā)鋼的機(jī)械性能改變，而氫致開(kāi)裂是一種著重于裂紋萌生和發(fā)展的氫致失效形式。與氫脆類似，含有較高缺陷/位錯(cuò)密度以及硬化相的金屬(例如高強(qiáng)管線鋼)具有更高的氫致開(kāi)裂敏感性。氫致開(kāi)裂過(guò)程始于原子氫在管線鋼內(nèi)被氫陷阱捕獲并發(fā)生聚集，通過(guò)內(nèi)壓升高(氫原子結(jié)合生成氫分子而產(chǎn)生壓力)、鐵原子發(fā)生解離作用以及促進(jìn)鋼的局部塑性等機(jī)理導(dǎo)致裂紋形核，微裂紋在其尖端的應(yīng)力集中和氫的協(xié)同作用下擴(kuò)展，最終導(dǎo)致氫致開(kāi)裂。誘發(fā)氫致開(kāi)裂的臨界最小應(yīng)力一般隨著氫含量的升高而降低。管線鋼的氫致開(kāi)裂敏感性與多種因素有關(guān)，包括合金成分、微觀組織、夾雜物和服役環(huán)境等，Cheng提出管線鋼內(nèi)部，尤其在微裂紋尖端存在的應(yīng)力、原子氫和陽(yáng)極溶解反應(yīng)的交互作用，可以進(jìn)一步加速氫致裂紋的擴(kuò)展[41]。除原子氫之外，氫分子也可能直接引發(fā)氫致失效。原子氫進(jìn)入管線鋼后，如果在擴(kuò)散過(guò)程中被不可逆氫陷阱(例如金屬原子空穴)捕獲，則會(huì)出現(xiàn)明顯的局部聚集并且結(jié)合生成氣態(tài)氫分子，由于氫分子無(wú)法在鋼中擴(kuò)散，其含量會(huì)隨著時(shí)間而增加，最終可產(chǎn)生高達(dá)數(shù)十萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的局部超壓，導(dǎo)致管線鋼變形與失效。

目前已有多種機(jī)理用于解釋氫損傷現(xiàn)象，包括氫致內(nèi)壓(Hydrogen internal pressure, HIP)、氫促進(jìn)局部塑性(Hydrogen enhanced localized plasticity, HELP)、氫促進(jìn)解理(Hydrogen enhanced decohesion, HEDE)、吸附誘發(fā)位錯(cuò)發(fā)射(Adsorption induced dislocation emission, AIDE)以及氫輔助微孔連結(jié)(Hydrogen assisted micro-void coalescence, HAMC)等，各種機(jī)理通常會(huì)有其局限性，甚至出現(xiàn)相互間矛盾之處。HIP機(jī)理認(rèn)為，氫原子結(jié)合導(dǎo)致的局部壓力超過(guò)屈服應(yīng)力而發(fā)生鋼的變形，可以較好地解釋低強(qiáng)鋼氫鼓泡現(xiàn)象。也有研究用HIP解釋HIC現(xiàn)象，即當(dāng)局部?jī)?nèi)壓超過(guò)臨界應(yīng)力時(shí)導(dǎo)致裂紋形核，裂紋尖端應(yīng)力集中使得新的原子氫被捕獲并局部結(jié)合產(chǎn)生新的氫分子，進(jìn)一步發(fā)展裂紋，最終導(dǎo)致HIC。目前主要的HIC機(jī)理有HEDE與HELP兩種[7]。HEDE機(jī)理認(rèn)為，局部的氫原子聚集導(dǎo)致鋼中鐵原子鍵合強(qiáng)度降低，使得外加拉應(yīng)力超過(guò)原子間結(jié)合力，而引發(fā)亞臨界裂紋，在裂紋尖端聚集的氫原子可促進(jìn)裂紋的進(jìn)一步發(fā)展，最終導(dǎo)致HIC。HELP是唯一存在直接實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持的機(jī)理，因而得到廣泛接受，HELP機(jī)理認(rèn)為氫原子聚集在位錯(cuò)處形核，降低運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)之間的界面彈性能，使得局部塑性畸變?cè)谙鄬?duì)較低的應(yīng)力水平下發(fā)生，促進(jìn)塑性變形和裂紋發(fā)展。Djukic等指出，HEDE與HELP的交互作用能更有效地解釋氫致開(kāi)裂[42]，在處于較低應(yīng)力以及氫濃度環(huán)境條件下，HIC機(jī)制為HELP誘發(fā)HEDE；隨著應(yīng)力水平以及氫濃度的增加，HEDE將成為主導(dǎo)機(jī)理。氫脆機(jī)理的直接驗(yàn)證存在一定難度，宏觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原子氫與位錯(cuò)的交互作用是氫脆的重要根源，氫原子可以降低位錯(cuò)形核激活能，使得金屬在外應(yīng)力作用下產(chǎn)生更多滑移體系，通過(guò)影響位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致局部位錯(cuò)聚集，從而使金屬發(fā)生脆化。

4.2 高強(qiáng)管線鋼焊縫區(qū)氫損傷及其影響因素

焊縫區(qū)，包括管道焊縫，常見(jiàn)的失效形式是氫原子進(jìn)入金屬后，被氫陷阱捕捉并產(chǎn)生局部聚集，原子氫通過(guò)HEDE、HELP等機(jī)理以及局部應(yīng)力的協(xié)同作用引發(fā)裂紋，促進(jìn)其擴(kuò)展，最終導(dǎo)致焊縫區(qū)開(kāi)裂。該過(guò)程受到多種因素的影響，例如微觀組織、氫原子濃度和應(yīng)力水平。為了匹配母材的強(qiáng)度，高強(qiáng)管線鋼焊縫區(qū)中常見(jiàn)的金相組織為針狀鐵素體、分布在其周圍的晶界鐵素體、貝氏體化鐵素體以及奧氏體/馬氏體島等。在焊接過(guò)程中，由于焊池液體具有極高的氫溶解度，很容易吸收熔融態(tài)下焊材中的氫以及環(huán)境水蒸汽分解產(chǎn)生的氫。而且，在服役環(huán)境中由于腐蝕等產(chǎn)生的氫會(huì)進(jìn)一步提升焊縫區(qū)的氫含量。在焊接殘余應(yīng)力的協(xié)同作用下，焊縫區(qū)通常會(huì)有較高的氫致失效敏感性，這種情況在高強(qiáng)鋼焊縫區(qū)尤其明顯。圖6顯示管道焊縫區(qū)發(fā)生氫致失效的各種潛在的影響因素及其影響機(jī)制[43]。

圖6 管線鋼焊縫區(qū)氫致失效的潛在影響因素及其影響機(jī)制[43]

4.2.1 焊縫區(qū)氫損傷機(jī)理

如前所述，焊接環(huán)境中的水蒸氣能夠在高溫下分解生成原子氫，腐蝕反應(yīng)的陰極過(guò)程能夠生成氫原子，焊材以及管線鋼本身含有的氫，均能夠在焊接過(guò)程中進(jìn)入熔融態(tài)焊池而留在焊縫區(qū)。高強(qiáng)管線鋼焊縫區(qū)多以鐵素體組織為，例如AF、GBF等，而鐵素體大多形成(100)晶面，其吸收原子氫的能壘(0.38 eV)遠(yuǎn)低于高強(qiáng)鋼母材中貝氏體相的(110)晶面(1.02 eV)，而且，AF的細(xì)密晶界網(wǎng)絡(luò)特征使其對(duì)于氫具有更高的滲透率。Xue和Cheng指出[33]，X80鋼焊縫區(qū)中夾雜物(如Si/Al-O夾雜物)是一種不可逆氫陷阱，可以高效捕獲擴(kuò)散的氫原子，由于Si/Al-O夾雜物較高的硬度，它們通常導(dǎo)致明顯的局部晶格畸變和應(yīng)力集中，通過(guò)力場(chǎng)交互進(jìn)一步加速氫的捕獲。大量聚集的氫原子結(jié)合產(chǎn)生氫分子并且在其周圍形成力場(chǎng)，與此同時(shí)，氫原子通過(guò)降低鐵原子間結(jié)合力減小界面解離能，最終導(dǎo)致亞臨界裂紋的萌生、堆積和發(fā)展，引發(fā)氫致開(kāi)裂。此外，X100鋼焊縫區(qū)Al/Ca/Si-O夾雜物可以作為氫致開(kāi)裂的萌生位點(diǎn)以及發(fā)展路徑，其開(kāi)裂行為具有典型的階梯狀特征，主要表現(xiàn)為穿晶裂紋，伴隨著部分沿晶裂紋。在腐蝕環(huán)境中，隨著管線鋼焊縫區(qū)氫原子的聚集，應(yīng)力-氫-陽(yáng)極溶解的交互作用[41]還可以進(jìn)一步加速氫致開(kāi)裂的萌生與發(fā)展。

焊縫區(qū)中的熱影響區(qū)會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的氫致失效行為。進(jìn)入焊縫區(qū)的原子氫往往會(huì)局部富集在熱影響區(qū)，這是因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中，焊縫金屬和熱影響區(qū)都會(huì)經(jīng)歷奧氏體轉(zhuǎn)變，冷卻后的焊縫金屬通常為鐵素體組織，而熱影響區(qū)則包含多種組織，例如貝氏體、鐵素體、馬氏體和殘余奧氏體等，冷卻速度的不均勻性以及相變溫度的不同使得熱影響區(qū)奧氏體向貝氏體、馬氏體等組織的轉(zhuǎn)變滯后于焊縫金屬奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變，即焊縫金屬的冷卻組織鐵素體和熱影響區(qū)的奧氏體存在著部分重合。原子氫會(huì)從溶解度低但擴(kuò)散較快的鐵素體擴(kuò)散到溶解度高且擴(kuò)散較慢的熱影響區(qū)奧氏體，形成氫的過(guò)飽和組織，提高熱影響區(qū)的氫致失效敏感性。熱影響區(qū)的氫致開(kāi)裂以沿晶裂紋-準(zhǔn)解理裂紋-微孔連結(jié)為主，原子氫局部聚集達(dá)到臨界濃度后，沿晶裂紋得以萌生，隨著裂紋尖端應(yīng)力集中增加，準(zhǔn)解理裂紋和微孔連結(jié)依次得到發(fā)展，從而促進(jìn)氫致開(kāi)裂生長(zhǎng)。也有研究發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)的氫致失效以HIP機(jī)理為主，通過(guò)原子氫與氫氣鼓泡/管線鋼界面應(yīng)力的交互作用促進(jìn)裂紋發(fā)展[44]。

4.2.2 氫濃度的影響

焊縫區(qū)原子氫濃度難以定量確定，氫濃度對(duì)氫致失效的影響一般通過(guò)定量充氫方法(電化學(xué)或高壓氫氣)進(jìn)行研究。高強(qiáng)管線鋼(例如X80、X100鋼)焊縫區(qū)在空氣/氮?dú)猸h(huán)境中，主要為延性微孔連結(jié)，而在高壓氫氣環(huán)境中，裂紋表現(xiàn)為穿晶斷裂，并且伴隨著微觀局部塑性特征[45]，符合HELP機(jī)理。隨著氫壓環(huán)境的引入，焊縫區(qū)出現(xiàn)了更加明顯的解理斷裂特征。X80鋼焊縫在氫壓環(huán)境中出現(xiàn)明顯的二次裂紋，意味著原子氫的存在不僅使焊縫區(qū)脆性增加，并且引發(fā)了氫致開(kāi)裂。有研究指出，含氫金屬中的裂紋更容易持續(xù)發(fā)展，并且會(huì)伴隨金屬機(jī)械性能的顯著降低，這表明焊縫中殘余氫的存在會(huì)使材料脆化并誘發(fā)裂紋，從而提高氫致失效敏感性。不同氫壓下的高強(qiáng)鋼疲勞裂紋擴(kuò)展速度測(cè)試表明，從無(wú)氫環(huán)境(12 MPa N2)引入極低的氫分壓(0.2 MPa H2)后，裂紋擴(kuò)展速度出現(xiàn)一個(gè)數(shù)量級(jí)的急劇上升，即使焊縫區(qū)中只存在少量的殘余氫，也會(huì)引起開(kāi)裂傾向的顯著增大。

4.2.3 微觀組織的影響

均勻分布且存在較少缺陷的組織結(jié)構(gòu)通常具有較強(qiáng)的抗氫致開(kāi)裂性能，由于焊縫區(qū)微觀組織的不均勻分布，一般具有復(fù)雜的氫損傷行為。高強(qiáng)鋼及焊縫一般經(jīng)過(guò)脫硫處理，所以含硫夾雜物的影響相對(duì)不重要，而Al/Ca/Si-O等夾雜物是氫致開(kāi)裂發(fā)生的優(yōu)先位點(diǎn)。除夾雜物外，碳化物富集帶也可以作為氫致開(kāi)裂的萌生位點(diǎn)。經(jīng)過(guò)均勻淬火與回火處理的細(xì)化貝氏體與馬氏體也表現(xiàn)出良好的抗開(kāi)裂能力，然而，含有偏析貝氏體/馬氏體的組織易引起氫致開(kāi)裂，這意味著微觀組織分布不均勻的區(qū)域具有較高的氫致開(kāi)裂敏感性。高強(qiáng)鋼焊縫金屬通常含有均勻的細(xì)小針狀鐵素體，這些AF組織可以既提高抗氫致開(kāi)裂能力，又改善機(jī)械性能。雖然AF具有比較高的位錯(cuò)密度和隨機(jī)取向的大角度晶界，可以提高氫捕獲效率，因此易于引發(fā)微小的亞臨界裂紋，但均勻分布的氫陷阱能夠避免氫的局部聚集，試驗(yàn)證明，在不考慮殘余應(yīng)力的影響時(shí)，含氫環(huán)境中的X100鋼焊縫金屬裂紋發(fā)展速度低于X100鋼母材[46]。

4.2.4 殘余應(yīng)力的影響

在熔融金屬降溫、凝固后受到幾何因素約束而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力能夠顯著影響焊縫區(qū)氫致失效。殘余應(yīng)力的存在使得在裂紋尖端、組織不均勻處和相界面等出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，伴隨著原子氫造成的金屬原子間結(jié)合力降低或局部塑性變形，焊縫區(qū)的氫致失效敏感性增加。研究表明，在存在焊接殘余應(yīng)力時(shí)，即便是高強(qiáng)鋼焊縫金屬含有抗HIC的AF組織，焊縫金屬仍具有較高的氫致開(kāi)裂敏感性[46]。焊縫區(qū)誘發(fā)氫致開(kāi)裂的臨界氫濃度Hcr和殘余應(yīng)力σres之間存在如下關(guān)系[47]：

Hcr=A×10(-B×σres)

(12)

式中A, B為常數(shù)。Nevasmaa綜述了殘余應(yīng)力與臨界氫濃度之間的關(guān)系，如圖7(a)所示[47]，當(dāng)殘余應(yīng)力超過(guò)550 MPa后，HIC發(fā)生所需的臨界氫濃度迅速下降。此外，他還總結(jié)了焊縫區(qū)其他常見(jiàn)因素(例如碳當(dāng)量和硬度)對(duì)于臨界氫濃度的影響，如圖7(b),7(c)所示，隨著碳當(dāng)量以及最大硬度的增加，誘發(fā)開(kāi)裂所需的氫濃度明顯下降。

圖7 焊縫區(qū)氫致開(kāi)裂臨界氫濃度的影響因素[47]

5 管道焊縫區(qū)氫致失效控制

5.1 殘余應(yīng)力控制

殘余應(yīng)力的控制方法分為兩類：焊接過(guò)程中的控制以及焊后熱處理。對(duì)于焊縫區(qū)殘余應(yīng)力的控制可分為2步：1)減小焊縫區(qū)表面的殘余應(yīng)力;2)減小焊縫靠近表面區(qū)域的全厚度殘余應(yīng)力。其中1)可預(yù)防裂紋萌生，2)可以減緩裂紋擴(kuò)展。多重焊接工序優(yōu)化可顯著降低殘余應(yīng)力，例如四重焊接工藝的焊縫區(qū)表面與全厚度殘余應(yīng)力均顯著降低。此外，焊道間溫度和焊縫填料的合理搭配也可有效降低殘余應(yīng)力水平，低相變溫度填料在較低焊道間溫度條件下比高焊道間溫度產(chǎn)生更高的殘余應(yīng)力。焊接過(guò)程中或焊后的機(jī)械矯直(Mechanical straightening)可降低殘余應(yīng)力，然而該方法對(duì)施加應(yīng)力水平要求較高。也可以使用靜態(tài)熱張力(Static thermo tension)，即通過(guò)在焊接過(guò)程中引入溫度梯度從而降低焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

焊后處理是控制殘余應(yīng)力最重要方法之一，例如焊接后管線鋼內(nèi)表面的加速冷卻可以有效地將拉伸殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槲：^低的壓縮殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的局部釋放往往會(huì)造成其他區(qū)域的殘余應(yīng)力水平升高，因此需要謹(jǐn)慎選擇焊后熱處理程序。如果遵循適當(dāng)?shù)某绦?，局部熱處理在控制殘余?yīng)力上可以達(dá)到較好的效果。

5.2 敏感冶金組織控制

研究表明，當(dāng)氫原子濃度較低時(shí)(<5 mL/100 g)，焊縫區(qū)微觀組織顯著影響HIC敏感性；隨著氫濃度的增加(>10 mL/100 g)，機(jī)械性能的影響則占據(jù)主導(dǎo)地位。焊接過(guò)程化學(xué)環(huán)境可以直接影響焊縫區(qū)微觀組織，例如，適當(dāng)?shù)腗o/Ni元素可以促進(jìn)AF的形成并且抑制GBF的產(chǎn)生，使用堿性焊劑更容易獲得較大占比的AF。經(jīng)過(guò)高溫干燥的焊頭可以有效降低HIC敏感性，較低的焊頭移動(dòng)速度和較高的輸入熱量可以降低冷卻速度，從而有效抑制敏感組織的生成。焊前/焊后熱處理也可以通過(guò)降低焊接過(guò)程中的溫度梯度而降低敏感組織的含量。

5.3 可擴(kuò)散氫的控制

焊縫區(qū)可擴(kuò)散氫是導(dǎo)致氫損傷的最關(guān)鍵影響因素，減少焊縫中的氫原子濃度比其他方法可以更顯著地降低氫致失效敏感性。焊接氣氛中的水蒸氣以及焊頭材料均可以提供原子氫的來(lái)源，熔融態(tài)的焊池具有高的氫溶解性。因此，對(duì)焊頭的循環(huán)干燥以及化學(xué)成分改進(jìn)可以有效降低焊接過(guò)程中引入氫原子。然而，焊頭一般都具有吸濕性，在工業(yè)環(huán)境中通常難以控制焊接過(guò)程引入的原子氫。通過(guò)增加輸入熱量可以使得焊縫冷卻速度降低，從而給被吸收的原子氫預(yù)留更長(zhǎng)的釋放時(shí)間，而降低氫濃度。然而過(guò)高的輸入熱量往往伴隨機(jī)械性能的降低，所以工業(yè)中通常使用預(yù)熱來(lái)降低焊接的溫度梯度。而且，較高的預(yù)熱溫度也會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。焊后熱處理既可以降低殘余應(yīng)力，也會(huì)釋放氫原子而降低焊縫區(qū)氫濃度。研究表明，相比單純預(yù)熱，預(yù)熱/焊后熱處理相結(jié)合的方式可以降低50%氫濃度。由于高強(qiáng)鋼焊縫通常具有較高的氫滲透率，因而減緩環(huán)境中氫的吸收過(guò)程是另一種有效控制氫含量的方法。施覆保護(hù)性涂層也可以抑制氫吸收，而顯著減緩環(huán)境中氫的進(jìn)入。

6 高強(qiáng)鋼焊縫區(qū)氫致失效問(wèn)題進(jìn)一步研究展望

人們對(duì)金屬焊縫，包括高強(qiáng)管線鋼焊縫區(qū)的氫致失效行為的研究已經(jīng)開(kāi)展了數(shù)十年，冶金微觀組織特征、應(yīng)力分布、氫原子擴(kuò)散及局部捕獲聚集以及各種因素交互作用對(duì)氫致失效的影響等均獲得了大量的研究成果，提出了多種模型、機(jī)制、理論用于解釋這一重大工程問(wèn)題，極大豐富了我們對(duì)該現(xiàn)象的科學(xué)認(rèn)識(shí)和了解。另一方面，也可以看到，目前的研究中，即使針對(duì)同一體系中的氫致失效問(wèn)題，許多結(jié)果和解釋都存在著相互矛盾的現(xiàn)象，而且由于研究手段的限制以及高強(qiáng)管線鋼作為一種近十年中才廣泛使用的工程材料，人們對(duì)高強(qiáng)鋼焊縫區(qū)氫致失效的理解仍然有限。

目前，有關(guān)氫源的研究主要著重在管道服役過(guò)程中進(jìn)入管線鋼的原子氫，包括腐蝕反應(yīng)以及高壓氫氣，主要的模擬氫滲透行為的研究手段包括電化學(xué)滲氫和高壓氣體滲氫。由于施工(如焊接)、材料制備(如熱處理)等引入的氫源則極少研究或籠統(tǒng)地認(rèn)為氫源不影響焊縫區(qū)的氫致失效行為。實(shí)際上，焊接過(guò)程引入氫與焊接導(dǎo)致的金屬相變的時(shí)效性對(duì)氫滲透和氫致失效均存在顯著影響。另外，各種典型的微觀結(jié)構(gòu)與金相組織對(duì)于氫滲透過(guò)程的定量化研究也較為匱乏。雖然有限元方法(Finite element method, FEM)可用來(lái)模擬焊縫區(qū)中氫的分布，但FEM模型建立大都基于滲氫試驗(yàn)獲得的參數(shù)，應(yīng)用多種影響因素(例如應(yīng)力、位錯(cuò)等)的修正進(jìn)行模擬，對(duì)于各種顯微組織與應(yīng)力和氫滲透之間的交互作用缺乏機(jī)制的理解。

計(jì)算模擬是從微觀尺度研究確定氫滲透-擴(kuò)散-局部捕獲-氫致失效行為的重要方法，例如，通過(guò)顯微金相組織結(jié)構(gòu)重構(gòu)的方法，使用FEM表征雙相組織中氫滲透行為，為焊縫區(qū)的氫滲透研究提供了新的思路。利用FEM軟件平臺(tái)，重構(gòu)焊縫區(qū)的各種金相組織，分別考慮各個(gè)組織的機(jī)械性能和氫擴(kuò)散-捕獲行為，最終獲得焊縫區(qū)的宏觀氫分布。隨著現(xiàn)代計(jì)算能力的提升，全始算分子動(dòng)力學(xué)(Ab Initio molecular dynamics, AIMD)開(kāi)始應(yīng)用于氫滲透研究中，但AIMD方法多用于規(guī)則分布的晶格組織，在保持運(yùn)算效率的前提下將管線鋼焊縫區(qū)常見(jiàn)的各種冶金缺陷考慮進(jìn)去，還需深入研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證氫致失效機(jī)理相對(duì)困難，密度泛函理論(Density functional theory, DFT)計(jì)算的廣泛應(yīng)用為失效機(jī)理的論證提供了新的思路，可以避免復(fù)雜的試驗(yàn)。除上述研究方法外，顯微氫打印技術(shù)(HMT)可以直接驗(yàn)證氫的二維分布情況，熱脫吸光譜(Thermal desorption spectroscopy, TDS)可以表征焊縫區(qū)內(nèi)不同氫陷阱中的氫含量。值得一提的是，雖然上述研究方法多基于實(shí)驗(yàn)室條件進(jìn)行，但HMT方法可以被用于原位觀察氫分布，為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試提供了可行性。

氫損傷試驗(yàn)主要在氫環(huán)境中或樣品充氫后進(jìn)行，表征金屬樣品在含氫條件下的機(jī)械性能、電化學(xué)活性、氫致開(kāi)裂敏感性等，研究方法包括疲勞開(kāi)裂(Fatigue cracking growth, FCG)、慢應(yīng)變速率拉伸測(cè)試(Slow strain rate tensile testing, SSRT)、氫致開(kāi)裂敏感性測(cè)試(NACE TM0284—2011)等。AIMD可用于金屬中氫損傷的模擬，然而研究難點(diǎn)仍在于如何在模型中引入焊縫區(qū)常見(jiàn)的不規(guī)則捕氫位點(diǎn)。目前大量針對(duì)焊縫區(qū)氫致失效的試驗(yàn)采用在焊縫金屬、熱影響區(qū)和基體金屬制備的宏觀樣品，然而熱影響區(qū)的各個(gè)亞區(qū)(例如CGHAZ、FGHAZ、ICHAZ)存在著不同的顯微結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力分布，以及各自不同的氫滲透和失效行為。由于熱影響區(qū)尺寸的限制，類似研究大都是通過(guò)熱模擬技術(shù)制備試樣，其試驗(yàn)結(jié)果是否與管線鋼焊接接頭的熱影響區(qū)可進(jìn)行類比，仍然有待考證。此外，由于原子尺度試驗(yàn)的困難性，對(duì)于氫致失效機(jī)理的確定是有爭(zhēng)議的，具有更高空間分辨率的試驗(yàn)技術(shù)，例如原子力顯微鏡(Atomic force microscopy, AFM)、低能電子衍射(Low energy electron diffraction, LEED)等，逐漸應(yīng)用于相關(guān)研究中。