Page 108 - 机械工程材料2025年第三期

2025 年 3 月 第 49 卷 第 3 期 Vol. 49 No. 3 Mar. 2025

DOI：10. 11973/jxgccl230479

不同含氢环境下 X80 管线钢的慢应变速率拉伸性能

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牛化昶 ，李 毅 ，宋卫臣 ，吕加华 2
（1. 山东省天然气管道有限责任公司，济南 250101；2. 中石化石油工程设计有限公司，东营 257026）
摘 要： 在气体组成（体积分数）为2% H 2 +2% CO 2 +N 2 （2%氢环境）、5% H 2 +2% CO 2 +N 2 （5%
氢环境）以及100% N 2 （无氢环境）的12 MPa高压环境中，对X80管线钢母材轴向、周向试样以及焊
缝试样开展慢应变速率拉伸试验，研究了不同环境下试样的拉伸性能，基于断面收缩率评价了母材
和焊缝的氢脆敏感性。结果表明：与无氢环境相比，2%氢环境、5%氢环境下母材轴向试样的断后
伸长率分别降低约1%和5%，母材周向试样分别降低约7%和11%，焊缝分别降低约7%和12%，
焊缝的塑性劣化程度大于母材，且在5%氢环境中的劣化程度更大；在2%和5%氢环境中母材和焊
缝的抗拉强度基本相似；在相同含氢环境中母材周向试样的抗拉强度高于轴向试样，焊缝的抗拉强
度最低，母材轴向试样的塑性优于周向试样，焊缝的塑性最差。2%氢环境下母材以及焊缝的氢脆
敏感性小于5%氢环境下，在相同含氢环境下焊缝的氢脆敏感性最大，母材周向试样次之，母材轴向
试样最小。
关键词： X80管线钢；含氢环境；慢应变速率拉伸；断后伸长率；氢脆敏感性
中图分类号：TE832 文献标志码：A 文章编号：1000-3738（2025）03-0100-05

0 引 言 大多在电化学充氢后或在纯氢气环境中进行 ［8-10］ ，而
在高压含其他杂质气体的临氢环境中进行的较少 ［11-
氢能作为一种新型能源，具有无污染、能量转化
12］ 。此外，管线钢氢扩散与氢脆敏感性之间的定量关
效率高、可再生等诸多优点，被认为是最具潜力的二
系仍不清楚，这制约了对氢脆机理的进一步认识。
［1］
次能源，因而得到重视 。氢气的大范围、长距离运
为了准确地反映真实氢气环境中管线钢的劣化规
输仍然是一个难题，而在原有已建成天然气管网中
律，作者采用与服役管道工况更为接近的高压临氢
混氢运输可以大幅度降低运输成本。目前，我国常
环境，通过慢应变速率拉伸试验研究了X80管线钢
用的长距离天然气输送管线由X70、X80钢管焊接而
母材轴向和周向试样以及焊缝试样在不同氢含量的
［2］
成 ，如果在原有的天然气管网中混入氢气，氢易进
高压气体环境中的强度和塑性变化，并评价了管线
入管线钢晶格内部，加剧管线钢力学性能和疲劳性
钢母材和焊缝的氢脆敏感性。
能的劣化 ［3-4］ ，导致脆性断裂。X70、X80管线钢为高
［5］
强度管线钢，对氢脆和氢致裂纹扩展更为敏感 ，因 1 试样制备与试验方法
此为保证高强度管线钢管网的安全运行，需要进一
试验材料为取自现场的包括焊缝的X80管线钢
步研究其在氢环境下的性能变化规律。
管，管外径为 1 219 mm，壁厚为 21 mm，管线钢的
在氢环境中服役时，应力和氢浓度梯度的共同
主要化学成分（质量分数/%）为 0.093C，0.250Si，
作用会加快氢的扩散与迁移，氢更容易被钢中的氢
1.500Mn，0.136Cr，0.159Mo，0.518Nb，0.120Cu，
陷阱吸附，导致裂纹在氢陷阱处萌生，在长时间的应
0.014Ti，余Fe。 按照GB/T 15970.7—2017《金 属
［6］
力作用下裂纹不断扩展，最终材料发生脆性断裂 。
和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第7部分：慢应变速率
慢应变速率拉伸试验是研究材料应力与应变关系的
试验》，在X80管线钢管母材上沿轴向、周向以及在
一种常用试验方法，通过该试验测得的强度损失、断
焊缝区域中沿周向各取3个如图1所示的标准光滑
裂应变、面积减少等可以对材料的氢脆敏感性进行
拉伸试样，分别记作母材轴向和周向试样以及焊缝
［7］
定量表征 。目前，管线钢的慢应变速率拉伸试验
试样。利用自行设计的带有设计压力为30 MPa的气
体环境试验箱的Instron 8801型疲劳试验机进行慢应
收稿日期：2023-10-12；修订日期：2024-08-01
作者简介： 牛化昶（1975—），男，山东济南人，高级工程师，学士 变速率拉伸试验：将拉伸试样放入气体环境试验箱
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