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  • 2019-03-19
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氢气长输管道的钢管材料在工作时会产生氢致失效现象,该现象受材料的组成元素、显微组织和带状组织等影响较大,本文讨论了输氢管道失效的原因及影响管道的主要因素,并分析了钢材的选用方向。

  摘要:氢气长输管道的钢管材料在工作时会产生氢致失效现象,该现象受材料的组成元素、显微组织和带状组织等影响较大,本文讨论了输氢管道失效的原因及影响管道的主要因素,并分析了钢材的选用方向。

  氢气会对长期处于高温高压状态下的管道产生氢损伤,进而增加管道材料方面的失效风险。因此,氢气长输管道对钢管的选材和处理工艺方面具有一定的要求。

  输氢管道失效通常由氢脆等四类问题引起

  在氢气长输管道中,氢分子易与金属反应使管道失效。管道的氢致失效主要包括氢脆、氢致开裂、氢鼓泡、脱碳及氢腐蚀四类。

  (1)氢脆现象易在低温下形成,需在外力作用下表现出来。氢脆氢溶于钢后,在钢分子间聚集形成的氢分子,造成了局部的应力集中,而当应力超过钢的强度极限时,则会在钢材的内部形成细小裂纹,使钢材易断裂。当温度低于95℃时,氢脆现象易发生,当温度在95~230℃之间时,氢脆现象随着升温而下降,最终到230℃以上时,氢脆现象消失,且钢材的强度越高越易引起氢脆。

  (2)氢致开裂在金属材料内部缺陷处形成,不需要外力即可表现出来。其是由于进入金属材料内部缺陷处的氢原子,聚集后产生内压,使金属内部形成裂纹且逐步扩散至局部,从而形成材料断裂等现象,整个过程完全由内压提供动力,而不需要施加应力即可发生。

  (3)氢鼓泡在金属内部微孔中形成,易发生在0~150℃温度下。该类现象是由于氢原子扩散到金属内部的微孔中后,聚集形成氢分子,在微孔内部形成内压使金属产生鼓包、甚至破裂的现象,其在0~150 ℃时较易发生。

  (4)脱碳是钢中碳元素和氢发生化学反应,易发生在高温环境下。钢中的碳易和渗透进入的氢原子,在高温下反应生产甲烷,使钢脱碳后韧性下降、机械强度遭受破坏,该类机理多在高温条件下发生。

  合金元素及内部显微和带状组织是主要影响因素

  目前业内普遍认为高压氢气对管道造成的损伤,主要受氢气的压力、纯度、环境温度、管道强度、变形速率和微观组织等因素影响,与钢材本身相关的主要为其本身的合金元素含量以及内部的显微和带状组织。

  (1)影响材料特性的合金元素主要有碳、锰、磷、硫和钙。碳是钢材的主要固溶强化元素,其作用是使钢在热轧状态下可以生成马氏体组织(高强度和硬度),其含量越高则钢管的氢致裂纹(HIC)敏感性越大;锰和磷是钢材的易偏析元素,在制造的过程中易在钢板中心产生偏析,生成对氢致裂纹(HIC)较敏感的低温转变硬显微组织带;硫元素易使渗入钢材中的氢原子在硫化物的尖端处聚集,形成的氢内压诱发氢致裂纹;而钙则具有较高的脱硫效果,可适当增加降低硫元素产生的氢致效果。

  (2)氢原子易在显微组织及夹杂物处聚集形成内压破坏内部结构。由于非金属夹杂物在钢材的加工过程中会被拉长,而其热膨胀系数大于周围的基体金属,冷却后会在其周围产生不规则空隙,是渗入钢材中氢原子的理想聚集地,进而造成氢致现象。因此,控制非金属夹杂物的形态、数量,以及降低偏析程度,即能减少氢原子聚集源,从而提高钢材的抗裂纹能力。

  (3)钢材中带状组织处同样较易偏析变形导致氢致作用,正火处理可提高抗氢致裂纹性能。在中、低强度的钢材中,位于铁素体相界面的珠光体条带较易产生偏析。而随着钢材强度的提高、合金元素的进一步增多,钢材中的低温转换组织硬带(锰、磷等元素的偏析带)也随之增多,为氢致裂纹(HIC)的扩展提供了更多的场所。一般情况下,管道或板材均会存在带状组织,但是经过正火处理,可显著降低带状组织级别,明显提高抗氢致裂纹(HIC)的性能。

  低强度的无缝钢管较为理想,但生产成本较高

  影响选材的因素主要有钢管的管型、钢级和热处理状态三类。

  (1)钢管管型易采用无缝钢管,减少氢脆的发生。若采用焊缝连接的钢管,由于其焊缝部分强度比两端要高,更易发生氢致失效现象。

  (2)低强度钢材的疲劳性能较高强度钢材更优越。一般的低强钢,如API SPEC 5L PSL2 X52型号及以下的钢材,在同样的高压下对氢脆较高级钢材不敏感,更适合作为氢气的输送管道材料,在目前已有的实例中,较多采用 ASTM A106 B级、ASTM A53 B级及API SPEC 5L X42和X52(PSL2级)钢管。

  (3)焊接钢管采用形变热处理工艺、无缝钢管采用淬火和回火组合工艺。形变热处理主要用于焊接钢管,该工艺处理后的产品可以获得更高的强度、塑性和韧性,适用于微量元素强化的无缝钢管和焊接钢管;而淬火和回火的组合工艺仅适用于无缝钢管的制造,目前该工艺的成本较高。

  结论

  氢气会对长期处于高温高压状态下的管道产生氢损伤,进而增加管道材料方面的失效风险;管道失效通常由氢脆、氢致失效、氢鼓包和脱碳四类问题引起;其中,合金元素及内部显微和带状组织是失效的主要影响因素;选用低强度的无缝钢管是较为理想的氢气管道材料,但目前该工艺的生产成本较高,可以以降低工艺成本为研发方向,作为输氢管道大规模商用的技术储备。


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