X65 D管线钢中气态氢渗透行为及氧影响的初步评估：抑制氢脆的新视角

为解决氢脆(HE)对天然气管道改输氢气的安全性挑战，研究人员针对X65 D管线钢开展了气态氢渗透实验，系统评估了氧气(100-12000 ppm)对氢渗透的影响。通过自主研发的气相渗透装置和渗透模型，发现低浓度氧(≤1000 ppm)对氢渗透无显著影响，而高浓度氧(12000 ppm)仅产生短暂抑制作用。该研究为天然气管道氢能改造中表面氧化物和氧抑制剂的长期有效性提供了关键数据，发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

　　

在全球能源转型背景下，将现有天然气管道改造用于输氢成为极具吸引力的方案。然而氢脆(HE)现象——氢原子渗入钢中导致机械性能劣化——犹如达摩克利斯之剑高悬。更棘手的是，管道内壁自然形成的氧化层虽能暂时阻挡氢渗透，但在实际运行中可能因机械载荷破裂，暴露出新鲜金属表面。此时，向氢气中添加氧气作为抑制剂的理论应运而生：既往研究显示100 ppm氧即可显著抑制氢致裂纹扩展，但对其抑制氢渗透的机理和长期有效性仍存争议。

研究人员通过精密设计的气相渗透装置，对取自Dampier Bunbury天然气管道(DBNGP)的X65 D钢展开研究。该装置采用双级O型圈密封和真空保护设计，可精确测量2 mm厚钢膜在81-121 bar氢压下的渗透行为。创新性地开发了"平衡模型"，通过求解Fick第二定律并引入实际边界条件，解决了传统理想模型在固定下游体积实验中的适用性问题。

关键技术包括：1) 采用金属氢化物压缩机(MHSC)提供>99.999%高纯氢；2) 氩气手套箱内完成钢样制备后，通过200°C氢气氛活化获得洁净表面；3) 通过时间积分法计算稳态氢通量J_∞；4) 采用热脱附谱分析捕获氢浓度c_T。

2.1 气相渗透装置
装置核心是A-286高温合金渗透池，配备1 Torr量程电容压力计。通过两次连续瞬态实验（升压→降压）区分可扩散氢与捕获氢。特别设计的保护真空层消除了O型圈渗透干扰，背景泄漏率低至10^-8 mbar·L/s。

2.2 模型描述
平衡模型突破性地将下游压力累积纳入边界条件，其浓度分布方程c(x,t)包含初始浓度剖面f(x)和瞬态扩散项。相比理想模型，该模型对压力数据的拟合误差降低60%，更精确反映实际渗透动力学。

3.1 纯氢渗透
在25-121 bar氢压下，测得表观扩散系数D_app为7.08×10^-10 m²/s，比文献值高3倍。通过第三瞬态数据确定的晶格溶解度常数S为5.45×10^-5 mol/m³/Pa^1/2，对应氢浓度仅0.025-0.056 wppm，显著低于Hoschke等先前报道值。

3.2 氧的影响
第一组实验（81 bar，CGC氢源）显示100-1000 ppm氧对氢通量无显著影响（波动<5%）。第二组实验（94 bar，MHSC氢源）发现12000 ppm氧使稳态通量暂时降低21%，但2000秒后逐渐恢复至纯氢水平。空气暴露1小时后的实验表明，自然氧化层的抑制效果会随时间衰减。

这项研究颠覆了"微量氧持续抑制氢渗透"的传统认知。DFT理论预测的氧吸附位点阻塞机制在真实管道钢表面可能因以下原因失效：1) 高温氢环境下表面氧化物的还原；2) 氧-氢竞争吸附的动态平衡。尽管12000 ppm氧产生短暂抑制，但通量恢复现象表明，在管道数十年的服役周期中，氧添加剂难以持续阻止氢渗透。该发现为天然气管道改输氢气的风险评估提供了关键依据：依赖氧抑制来预防氢脆的策略需重新评估，而开发新型表面处理技术或将成为更可靠的解决方案。