用于高压输送实际氢气混合天然气的X80管道钢的机械完整性评估

《International Journal of Hydrogen Energy》：Mechanical integrity assessment of X80 pipeline steel for the high-pressure transport of actual hydrogen-blended natural gas

氢气混合天然气环境下X80管线钢及焊接接头力学性能研究表明，氢添加使延展性显著降低，裂纹扩展速率增加近一个数量级，断裂韧性下降达51.9%，预测疲劳寿命减少94.5%。研究系统评估了基体、焊缝金属及热影响区的氢脆敏感性，发现基体氢脆敏感性最高，但所有试样在典型压力波动下疲劳寿命均超百万次循环。该成果为评价X80钢在真实氢混合气体中的适用性及制定安全掺氢策略提供关键数据。

　　本研究聚焦于X80管道钢及其焊接接头在氢气掺混天然气环境下的机械性能。实验条件设定为10兆帕的压力水平，对基体金属、焊缝金属以及热影响区进行了慢应变速率拉伸、低周疲劳、疲劳裂纹扩展以及断裂韧性测试。研究发现，氢气的加入显著降低了材料的延展性，同时使疲劳裂纹扩展速率提高了近一个数量级，还使断裂韧性下降高达51.9%。在30体积百分比的氢气掺混情况下，预测的疲劳寿命减少了高达94.5%。这些结果表明，氢气在天然气管道中的传输可能在考虑管道材料的情况下是可行的。研究还提供了评估X80钢在真实气体混合环境下的氢气兼容性的关键数据，并有助于制定安全的氢气掺混策略。

氢能源的发展被视为实现工业、交通和能源领域深度脱碳的关键策略。其中，将氢气掺混到现有的天然气管道网络中受到关注，因为这种方法具有成本效益，且能够在不建设全新氢气基础设施的情况下快速部署。API 5L X80高强度管道钢因其优异的强度、焊接性和断裂韧性，广泛应用于长距离天然气输送管道。然而，当在含氢气体环境中运行时，X80管道钢可能会受到氢气引起的性能退化影响，从而增加管道应用中发生意外故障和安全风险的可能性。

在过去十年中，许多研究已经探讨了X80管道钢在高纯度氢气环境下的氢脆行为。然而，随着氢气掺混天然气的广泛应用，研究人员也开始关注其对管道材料的影响。氢气掺混到天然气中会产生多组分气体混合物，这可能包括甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）、氧气（O2）、水蒸气（H2O）、硫化氢（H2S）以及二氧化碳（CO2）等。这些气体成分可能影响氢气与金属表面的相互作用。特别是，先前的研究表明，CO2可以增强低强度管道钢的氢脆性。然而，对于高强度钢在实际氢气掺混天然气环境下的性能退化行为，目前仍缺乏系统的理解。

本研究的目的是填补这一空白，通过系统性的实验研究，探讨X80管道钢焊接接头在不同氢气掺混比例（从0体积百分比到30体积百分比）下的机械性能。实验包括拉伸测试、低周疲劳测试、疲劳裂纹扩展速率测量、断裂韧性评估以及工程失效分析。研究还评估了基体金属、焊缝金属和热影响区的区域特定机械退化情况。通过这些实验，研究人员期望为管道的安全评估提供有价值的参考，并指导现有天然气基础设施中的氢气注入策略。

在测试材料方面，本研究使用的材料是一种API X80高强度螺旋埋弧焊（SAWH）钢管。该材料直接取自中国的主要天然气输送线路之一——西气东输工程（第三线）。钢管以热机械控制轧制条件供应，其外径为1219毫米，壁厚为18.4毫米。尽管管道主体采用螺旋埋弧焊接技术制造，但其焊接接头的性能仍然需要重点研究。研究团队对焊接接头进行了详细的分析，以评估其在氢气掺混天然气环境下的表现。

在拉伸性能测试中，研究团队对X80基体金属在不同气体环境下的工程应力-应变曲线进行了分析。结果表明，氢气掺混天然气对基体金属的弹性行为影响较小，因为线弹性应力-应变曲线的斜率保持一致。然而，随着氢气分压的增加，应力-应变曲线表现出明显的下降趋势，并向左偏移，这表明材料的强度和延展性都受到了影响。研究团队总结了拉伸测试的主要发现，包括在不同氢气掺混比例下，基体金属的力学性能变化情况。

此外，研究团队还探讨了氢气掺混对管道钢焊接接头的机械性能影响。实验表明，氢气的加入显著降低了焊接接头的延展性，并增加了其疲劳裂纹扩展速率。与基体金属相比，焊接接头对氢气的敏感性更高，这可能与其微观结构和化学成分有关。研究团队还进行了工程失效分析，以评估在周期性压力载荷下的疲劳寿命。实验结果显示，即使在较低的氢气掺混比例下，氢气对焊接接头的疲劳性能也有显著影响。

本研究的结论表明，氢气掺混对X80管道钢及其焊接接头的机械性能和结构完整性产生了显著影响。氢气的加入不仅降低了材料的延展性，还显著提高了疲劳裂纹扩展速率，并降低了断裂韧性。这些变化对管道的安全性和可靠性构成了挑战，尤其是在高压力环境下。研究团队发现，基体金属对氢气的敏感性最高，其次是焊缝金属和热影响区。然而，所有试样的疲劳寿命仍然超过了百万次，这表明在实际压力波动下，管道仍然具有一定的安全运行能力。

研究团队还指出，当前大多数研究集中在高纯度氢气环境下的材料性能分析，而实际应用中，管道往往面临复杂的多组分气体混合环境。因此，对实际氢气掺混天然气环境下的材料性能进行系统研究显得尤为重要。通过本研究，研究人员希望为管道的安全评估提供更加全面的数据，并为氢气掺混策略的制定提供科学依据。这些数据不仅有助于评估氢气对管道材料的影响，还能够指导实际工程中的材料选择和维护策略。

研究团队强调，氢气掺混不仅影响材料的强度和延展性，还对疲劳性能产生显著影响。在实际应用中，管道可能会受到多种气体成分的影响，这些成分可能与氢气相互作用，从而改变其对材料的侵蚀程度。因此，研究团队建议在未来的氢气掺混项目中，需要对管道材料的性能进行全面评估，特别是在高压力和复杂气体环境下。这将有助于提高管道的安全性和可靠性，并减少氢气掺混带来的潜在风险。

本研究的实验数据表明，氢气掺混对X80管道钢的机械性能产生了显著影响，特别是在高压力和复杂气体环境下。研究团队发现，氢气的加入不仅降低了材料的延展性，还显著提高了疲劳裂纹扩展速率，并降低了断裂韧性。这些变化对管道的安全性和可靠性构成了挑战，尤其是在高压力环境下。因此，研究团队建议在未来的氢气掺混项目中，需要对管道材料的性能进行全面评估，特别是在高压力和复杂气体环境下。这将有助于提高管道的安全性和可靠性，并减少氢气掺混带来的潜在风险。

此外，研究团队还指出，当前大多数研究集中在高纯度氢气环境下的材料性能分析，而实际应用中，管道往往面临复杂的多组分气体混合环境。因此，对实际氢气掺混天然气环境下的材料性能进行系统研究显得尤为重要。通过本研究，研究人员希望为管道的安全评估提供更加全面的数据，并为氢气掺混策略的制定提供科学依据。这些数据不仅有助于评估氢气对管道材料的影响，还能够指导实际工程中的材料选择和维护策略。

研究团队还强调，氢气掺混不仅影响材料的强度和延展性，还对疲劳性能产生显著影响。在实际应用中，管道可能会受到多种气体成分的影响，这些成分可能与氢气相互作用，从而改变其对材料的侵蚀程度。因此，研究团队建议在未来的氢气掺混项目中，需要对管道材料的性能进行全面评估，特别是在高压力和复杂气体环境下。这将有助于提高管道的安全性和可靠性，并减少氢气掺混带来的潜在风险。

综上所述，本研究为评估X80管道钢及其焊接接头在氢气掺混天然气环境下的性能提供了重要的实验数据。研究团队通过系统性的实验，探讨了氢气掺混对材料的机械性能和结构完整性的影响，并提出了相应的评估方法和改进策略。这些结果对于确保氢气掺混在现有天然气基础设施中的安全性和可行性具有重要意义。