1、1Frontier&Overview|前沿与综述2023 年 1 月第 42 卷 第 1 期网络出版时间：2022-11-24T10:36:49网络出版地址：http:/ 4，表 2，参 24）关键词：氢气管道；氢脆；氢致开裂；“阴极氢”；“气态氢”；掺氢输送中图分类号：TE832 文献标识码：A文章编号：1000-8241（2023）01-0001-08 DOI：10.6047/j.issn.1000-8241.2023.01.001Essence and gap analysis for hydrogen embrittlement of pipelines in high-pressur
2、e hydrogen environmentsCHENG YufengDepartment of Mechanical Engineering,University of Calgary,CanadaAbstract:Pipelines,especially the existing natural gas pipelines,are integral to the entire value chain of the full-scale hydrogen economy,contributing to accelerated energy transition.However,hydroge
3、n embrittlement potentially occurring on pipelines threatens the pipeline operating safety and constrains the development of hydrogen pipeline industry.In this work,the scientific meaning of hydrogen embrittlement was explained,along with the conditions,steps and mechanisms for hydrogen embrittlemen
4、t occurrence,while many confusions and misunderstandings were clarified and corrected.Particularly,the differences between hydrogen embrittlement in“aqueous”environments and the hydrogen embrittlement in“gaseous”environments were distinguished.Besides,the unique characteristics and the technical cha
5、llenges of hydrogen embrittlement of pipelines were summarized.Based on the latest research achievements and personal academic communication experience in high-pressure gaseous hydrogen embrittlement,the gaps existing in both scientific and technical aspects for hydrogen embrittlement of pipelines w
6、ere identified,so as to provide technical support to the safe operation of pipeline for hydrogen transport in blending form.(4 Figures,2 Tables,24 References)Key words:hydrogen pipelines,hydrogen embrittlement,hydrogen-induced cracking,“cathodic hydrogen”,“gaseous hydrogen”,hydrogen transport in ble
7、nding form利用现有天然气管道输送氢气是发展规模氢能经济与加速实现能源转型的重要战略，在北美、欧洲及亚洲，许多国家及地区的氢能战略和发展白皮书均明确地指出了这一点1-5。氢气（H2）与天然气（主要组分为 CH4，还含有其他碳氢化合物以及 N2、CO2、H2S、水蒸气等）相比，具有显著不同的物理化学性质6-7，使得用于天然气管道完整性管理的各种技术无法保障输氢管道的安全。目前，在影响天然气管道掺氢输送的各种技术挑战中，管材（即管线钢）与高压氢气环境在管道运行工况条件下的兼容性是最受关注的话题。如果该问题不能得到清楚了解与彻底解决，利用管道输氢则不具有可持续性；同时，氢气管道引文：程玉峰.
8、高压氢气管道氢脆问题明晰J.油气储运，2023，42（1）：1-8.CHENG Yufeng.Essence and gap analysis for hydrogen embrittlement of pipelines in high-pressure hydrogen environmentsJ.Oil&Gas Storage and Transportation,2023,42(1):1-前沿与综述|Frontier&Overview2023 年 1 月第 42 卷 第 1 期一旦失效发生开裂，后果将是非常严重的。管道在高压氢气环境中的安全与可靠性绕不开管线钢的氢脆现象（或称失效机制）
9、。在过去一年中，输氢管道氢脆是一个国际性的热门话题。2022 年受邀在中国、加拿大、美国、英国、比利时、斯洛伐克、阿联酋等进行了 18 场针对该主题的专题报告，在与数十个国家的学者、专家交流中发现，目前行业内对“管道氢脆”普遍存在着概念不清、认识不到位、研究测试方法不合理、对其发生条件不了解等诸多问题，有些报告或论文的结果相互矛盾，一些内容或观点甚至是错误的。结合最新技术进展、文献调研以及亲身的学术交流经验，力图对管道氢脆给出全面、清晰、正确的认识，详细阐述了管线钢氢脆发生的具体步骤，剖析了“气态环境氢脆”与“液态环境氢脆”的本质区别，厘清了管道氢脆的独特性与技术挑战，明确指出在管道氢脆领域存
10、在的急需解决的技术难题，并探讨了保障天然气管道掺氢输送安全的技术发展路径。1什么是氢脆？氢脆是描述氢原子与金属相互作用而导致金属失效现象的总称，氢脆这个名称（或现象）涵盖多种金属失效模式。需要注意的是，“氢脆”中的氢指的是氢原子，而非氢分子。金属氢脆的最重要的失效模式是氢致开裂（Hydrogen-induced Cracking，HIC）8。当氢原子进入金属并发生局部富集，使得该处的氢原子浓度超过某一临界值，在外加应力（甚至无外加应力）作用下，引发裂纹并扩展，导致金属断裂。HIC 可以发生于金属表面，也可以发生在金属内部。由于裂纹扩展速率快，HIC 往往在被发现之前就引起了金属结构的断裂，因此
11、危害性极大，这也就是为什么往往将氢脆直接理解为 HIC 的主要原因。金 属 氢 脆 导 致 的 第 2 种 失 效 模 式 是 氢 鼓 泡（Hydrogen Blistering）9。进入金属的氢原子在局部位置聚集后，可以复合成为气态 H2分子，增大局部压力。随着大量的 H2分子气泡产生，局部压力显著升高。当 H2分子气泡聚集在金属内侧表面，且金属的强度较低、韧性较高时，金属外表面会产生鼓泡。需要指出的是，如果 H2分子气泡产生于金属内部或金属具有较高的强度与较低的韧性，则 H2气泡也会引发裂纹，导致金属发生 HIC。氢脆的第 3 种失效模式是金属机械性能下降，明显表现在应力-应变曲线测量结果
12、中的延伸率降低，断裂韧性下降10。由于些微的氢原子含量即可导致金属韧性下降与塑性降低，而 HIC、氢鼓泡的发生需要氢原子浓度达到某一临界值，因此，金属机械性能下降是最普遍的氢脆失效模式。2管道氢致开裂过程与机理 管道氢致开裂发生过程包括 6 个步骤（图 1）11，分别为氢原子产生、氢原子吸附在管线钢外表面、氢原子被吸收进入管线钢内表面、氢原子在钢中晶格点阵中扩散、氢原子的局部聚集以及氢致裂纹的引发。2.1氢原子产生氢原子产生的来源多种多样，如电镀、热处理、酸洗、焊接、腐蚀、高压氢气储运等均能够产生氢原子，从而导致氢脆发生。对于输氢管道内部环境而言，氢原子的产生来自于 H2分子的解离。H2分子发
13、生解离有两种可能的机制，即自发解离与吸附解离。研究证明，在管道运行条件下，H2分子自发解离反应生成氢原子的 Gibbs 自由能变化是正值，在热力学上是不可能发生的12。然而，H2分子在管线钢特定位点发生吸附解离的 Gibbs 自由能变化是负值，也就是说，在管道运行的温度、压力、掺氢比等条件下，H2分子可以通过吸附解离生成氢原子12。这一研究成果针对输氢管道在正常运行条件下是否能够产生氢原子从而导致管道氢脆的问题，给出了明确的答案。2.2氢原子在管线钢外表面的吸附氢原子产生后，在管线钢表面的吸附不是随意发生的，关于这一点，目前的研究论文与学术报告基本上均未给出明确的说明。管线钢晶体结构包括多种不
14、同图 1管道氢致开裂发生过程的 6 个步骤示意图Fig.1Schematic diagram of the six steps for hydrogen-induced cracking of Frontier&Overview|前沿与综述位向的晶面，而不同晶面上的氢原子吸附能存在显著的差异。在不考虑晶界、位错露头点等金属缺陷的情况下，一般来说，低指数晶面，如 Fe（100）晶面，具有较低的表面能和氢吸附能，氢原子会发生优先吸附，而高指数晶面发生氢原子吸附所需要克服的能垒较高。在同一晶面上的不同位置，氢原子的吸附也具有些微的差异，这决定了氢原子吸附后的稳定性。研究表明，在Fe（100）晶面上有
15、 3 个位置可以发生氢原子的吸附，分别为 Fe 原子上端、FeFe 原子间 2 折交叉桥站点、FeFe 原子间 4 折空心位点，其中 2 折交叉桥站点具有最负的氢原子吸附能，是管线钢表面最稳定的氢原子吸附位点12。2.3氢原子在管线钢内表面的吸收渗透进入管线钢内表面的氢原子，在不考虑金属缺陷的情况下，由于其尺寸较小，通常会存在于晶体点阵的间隙处。相对于八面体间隙而言，四面体间隙对于氢原子具有较低的吸收能垒，因此成为稳定的氢原子聚集处12。对于包括管线钢在内的金属而言，氢原子在各个四面体间隙具有一定的溶解度，也就是说，当聚集于四面体间隙的氢原子浓度达到该溶解度之前，氢原子不会使金属发生明显的脆化
16、。因此，当氢原子均匀分布于晶体点阵的四面体间隙中，使得金属内部各处的氢原子浓度均处于低位时，就能够有效防止氢脆发生。2.4氢原子在管线钢中扩散氢原子的尺寸远小于 Fe 原子，同时氢原子与四面体间隙的结合能较低，在正常情况下，氢原子能够在晶格点阵中自由扩散。需要指出的是，自由扩散的氢原子是导致金属（包括管线钢）发生脆化的直接原因。2.5氢原子被管线钢中金属缺陷捕获管线钢与其他金属相同，含有各种类型的冶金缺陷，如位错、晶界、相界、夹杂物、二次相颗粒等。各类缺陷通常具有比晶格点阵更高的氢结合能，使得氢原子在缺陷处发生局部聚集，因此，这些缺陷也被称为“氢陷阱”。根据氢原子结合能的高低，氢陷阱分为可逆型与不可逆型两种13（表 1，其中 1 eV1.610-19 J）。可逆型氢陷阱的氢结合能较低，被捕获的氢原子在室温下能够脱离氢陷阱而进入晶格点阵，位错、小角度晶界属于可逆氢陷阱。不可逆氢陷阱的氢结合能较高，在室温下氢原子不能脱离陷阱的捕获，如非金属夹杂物、二次相等均为不可逆氢陷阱。2.6氢致裂纹的引发当氢陷阱处集聚的氢原子浓度达到临界值时，将会引发氢致裂纹，有以下 3 个重要的知识点需要厘清。（1
