液氢储罐焊接接头在常温下的氢脆敏感性研究：镍基合金与13%镍钢的性能评估与工程适用性分析

《Welding in the World》：Susceptibility to hydrogen embrittlement in welded joints at ambient temperature for liquefied hydrogen storage tanks

本研究针对未来大容量液氢储罐采用碳钢内罐与镍基合金焊材组合的氢脆(HE)风险问题，通过慢应变速率试验(SSRT)和恒载荷紧凑拉伸(CT)试验，评估了13%镍钢及其三种焊接接头在高压氢气环境下的性能。结果表明，虽然GTAW(钨极惰性气体保护焊)焊缝金属在SSRT中表现出较高的氢脆敏感性，但CT试验中未观察到明显裂纹扩展。从适用性(FFS)角度分析，该材料组合在实际工况下具有足够的安全性，为液氢储罐的选材与设计提供了重要实验依据。

　　

随着全球碳中和目标的推进，氢能作为一种清洁能源载体备受关注。液氢储存技术是实现氢能大规模应用的关键环节，其中储罐材料的性能至关重要。目前，液氢储罐多采用奥氏体不锈钢制造，但其高昂的成本限制了大规模应用。借鉴液化天然气(LNG)储罐的经验，未来大容量液氢储罐可能采用成本更低的碳钢作为内罐材料，并配合使用镍基合金焊接材料。然而，高镍含量材料在特定条件下可能存在氢脆风险，特别是在储罐运行过程中温度回升至常温时，氢脆问题可能凸显。因此，评估焊接接头在常温高压氢气环境下的氢脆敏感性具有重要的工程意义。

为解决上述问题，Chenjun Yu等研究人员在《Welding in the World》上发表了题为"Susceptibility to hydrogen embrittlement in welded joints at ambient temperature for liquefied hydrogen storage tanks"的研究论文，系统评估了13%镍钢基材及其三种焊接接头（GTAW、SAW埋弧焊和SMAW shielded metal arc welding）的氢脆敏感性。

研究方法主要包括慢应变速率试验(SSRT)和恒载荷紧凑拉伸(CT)试验。SSRT在10MPa高压氢气环境中进行，应变速率设定为28μm/s，同时考察了预应变（5%和10%）对氢脆敏感性的影响。CT试验采用0.5-T紧凑拉伸试样，在20MPa氢气环境下持续加载10天，模拟实际工况中的极端条件。通过扫描电镜(SEM)和光学显微镜对断口形貌和微观结构进行表征，并结合有限元分析(FEM)计算裂纹尖端张开位移(CTOD)和氢浓度分布。

3.1 微观结构

基材13%镍钢呈现与9%镍钢相同的马氏体组织，而三种焊缝金属均显示枝晶结构，存在元素偏析或析出相。SMAW焊缝中观察到大量细小的NbC析出相，而GTAW和SAW焊缝中未发现明显析出相。

3.2 SSRT结果

在氢气环境中，未预应变试样表现出氢致软化效应，屈服强度降低；而预应变试样则出现硬化现象，屈服强度升高。GTAW焊缝金属的氢脆敏感性最高，断裂应变显著降低，断口呈现明显的沿晶断裂特征。13%镍钢基材表现为准解理和韧窝混合断口，氢脆敏感性较低。

3.3 CT试验结果

在0.1-0.2mm的CTOD范围内，所有试样在10天氢暴露后均未观察到明显的裂纹扩展。断口分析表明，疲劳预裂纹尖端区域未出现氢致准解理断裂或二次裂纹，说明在实际服役的应力状态下，材料具有良好的抗氢致裂纹扩展能力。

研究结论与讨论部分指出，预应变通过增加位错密度，阻碍氢扩散，促进应变局部化，从而将氢的软化效应转变为硬化效应。SSRT与CT试验结果的差异主要源于预应变对氢扩散的抑制作用、恒载荷条件下的应力松弛以及SSRT后期微裂纹形核的影响。从适用性(FFS)角度分析，恒载荷CT试验更真实地模拟了实际工况，结果表明13%镍钢与镍基合金焊接接头在液氢储罐服役条件下具有足够的安全性。该研究为液氢储罐的材料选择和结构设计提供了重要实验依据，对推动氢能产业发展具有重要意义。