综述：管线钢抗氢脆先进表面处理概述：对能源运输安全的影响

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Overview of advanced surface treatment for hydrogen embrittlement resistance of pipeline steel: Impact on energy transport safety

　　

# 摘要

管道钢在气态氢和掺氢天然气环境中极易发生氢脆，这对氢运输基础设施的安全性和可靠性构成了重大挑战。表面处理技术提供了一条极具前景的工程化路径，通过构建近表面的物理、化学及微观结构屏障来抑制氢的吸附、渗入和扩散，从而缓解氢脆。本文综述系统地考察了提升管道钢气态氢脆抗性的高级表面改性技术，重点包括超声表面处理（超声表面滚压、超声冲击处理、超声喷丸及超声纳米晶表面改性）、元素表面扩散层（渗氮、渗碳、碳氮共渗及表面合金化）以及激光工艺（激光抛光、激光冲击强化及激光堆焊）。本文从阻氢、氢捕获、抗裂纹和抗腐蚀四个方面对其内在机理、优势及局限性进行了批判性比较。本文提出了一种基于证据权重的HTSI框架，涵盖氢渗入抑制（H）、氢传输与捕获调控（T）、应力与裂纹驱动力控制（S）以及界面与缺陷完整性（I），以支持基于机理和应用场景的技术选择。超声处理主要通过晶粒细化和压应力残余应力调控氢的传输/捕获并改善抗裂纹与抗疲劳性能（T/S）。扩散层和表面合金化通过化学与扩散屏障降低氢渗透率（H/T），同时在合理设计下可提供协同抗腐蚀保护。然而，硬脆相、孔隙或界面不连续性可能引入额外的氢脆敏感性。各类激光工艺提供多功能HTSI控制，涵盖浅层近表面重构与氢传输调控（H/T）、深层压应力控制（S），以及局部屏障/涂层构建（H/I）。关键挑战包括气态氢与应力、腐蚀之间的复杂相互作用；多尺度环境波动；多重杂质效应；近表面表征不足；以及缺乏标准化测试与寿命预测模型。本文阐述了未来研究方向，强调多尺度模拟与原位表征相结合、具有多层协同结构的复合表面处理、材料-焊接-表面工程一体化设计，以及长期服役评估体系和标准化方法的建立。本综述为选择表面工程策略以提升管道钢氢脆抗性、实现氢安全可靠的运输提供了全面参考。

## 引言

在全球能源转型和追求碳中和的大背景下，构建以氢能为主导的低碳能源系统被广泛视为应对气候变化的关键策略[1,2,3]。氢能拥有多元化的制取路径[4,5,6,7]，使用过程中近乎零碳排放，且与电力系统具有强互补性，使其成为关键的能源载体[8,9]。然而，安全、经济、高效的氢储运系统是制约氢能大规模开发利用的核心挑战。作为氢能基础设施的重要组成部分，管道运输凭借其大输运能力、低单位能耗以及可与现有天然气管网协同改造的潜力，被广泛认为是最具前景的基础设施方案之一，适用于纯气态氢及氢-天然气（H?–NG）掺混场景下的大规模长距离运输[1,10]。美国、加拿大、欧盟等主要产氢和消费国以及国际能源署（IEA）均已发布国家氢能战略，明确将管道运输作为经济可行的氢输送方式[2,11,12]。然而，大量研究表明，在高压力氢或掺氢天然气环境下，叠加循环载荷、腐蚀介质等协同因素，管道钢容易发生氢脆（HE）和氢致开裂（HIC）。这些现象严重威胁氢输送系统的结构完整性和运行安全，已成为全球氢能大规模安全利用的关键材料瓶颈[10,13,14]。因此，系统阐明氢储运基础设施中的氢脆机理并开发有效的缓解策略已成为该领域的关键研究优先事项。

氢脆是一种由氢原子渗入金属晶格引起的材料退化现象，源于钢中氢的吸附、扩散与捕获、微观结构演化以及应力-应变响应之间的相互作用[15,16,17]。它通常表现为鼓泡、开裂，更常见的是延伸率降低和断裂韧性下降[18,19,20,21]。氢脆的主要机理包括氢致延性降低（HEDE）[22]、氢致局部塑性（HELP）[23]、吸附诱导位错发射（AIDE）[24]和氢致应变诱导空位（HESIV）（图1a）[25]。这些机理单独或协同作用于金属材料中的氢效应（HE），如图1b所示；因此，本文不再详细讨论。管道钢的氢脆行为主要由三个层级的过程控制：(i)钢表面的氢吸附与渗入[26,27]；(ii)多相微观结构中的扩散与捕获[15,28]；(iii)氢与局部塑性变形及断裂过程的相互作用（图2）[23,29,30,31,32]。气态环境中的氢分子在管道钢表面解离为氢原子[26]。氢原子优先吸附在H?解离能垒较低且氢吸附能较低的位点，如低指数晶面[26]、高角度晶界[33]和位错边缘[34]。随后，它们通过扩散迁移并在晶界、位错及其他微观结构缺陷处聚集[35,36]。通过削弱原子间结合力、促进局部塑性丧失以及通过多种机理促进氢致裂纹的形核与扩展，氢最终导致材料韧性及塑性的显著降低，使材料在远低于屈服强度的应力下即发生脆性断裂[18]。在管道钢的服役环境中，这一过程常与电化学腐蚀（如土壤中的水分、CO?和杂质所引发的腐蚀）表现出复杂的协同相互作用，从而进一步加速材料退化[37,38]。在管道服役条件下，应区分两种氢渗入路径。在名义干燥的气态氢中，氢的渗入主要由H?在钢表面的解离吸附引发。相反，在水电解质存在时，电化学反应用于湿氢或H?–天然气流中凝结的水分以及外涂层破损处土壤中的水分，可产生额外的原子氢。阳极铁溶解与产生吸附氢（H_ads）的阴极反应相关联。部分H_ads发生复合并以H?形式释放，其余部分作为H_ads被钢吸收，随后发生扩散、捕获、应力辅助聚集，并最终导致氢致开裂。CO?和H?S可改变溶液化学环境、腐蚀产物膜以及氢反应动力学，从而改变可用于渗入的氢的含量和空间分布。因此，腐蚀-氢脆耦合不仅由整体腐蚀速率控制，更取决于原子氢的生成、表面覆盖度、吸收及其后续传输。为天然气输送而设计的管道钢不一定具备承受纯氢或掺氢环境严苛条件所需的微观结构和力学性能。因此，氢脆已成为制约氢运输技术发展的关键问题[39,40]。

从材料角度看，缓解氢脆的策略可大致分为三类：通过合金设计增强基体本征抗氢能力；通过环境控制和阴极保护减少氢的生成与渗入；以及通过表面工程在近表面构建功能层以控制氢的吸附和扩散行为。作为提升管道抗氢脆性的有效途径，表面改性技术的关键优势在于无需改变基体材料的微观结构和整体性能即可精确保护关键管道区域。与整体材料替换或成分重构相比，某些表面处理可降低材料消耗、维护时间和服役中断。特别是对于可到达的局部高风险区域，可进行针对性修复，且不影响原始结构配置或机械设计，使其尤其适合延长在役管道的服役寿命并进行加固[41]。通过构建功能表面屏障，表面工程可以直接调节氢的吸附和解离，从而抑制氢原子的渗入和近表面聚集，有效防止氢脆的发生[42,43]。

目前，高级表面处理技术主要包括三类：表面改性方法（如金属和非金属氢屏障涂层[44,45,46]、元素扩散处理（如渗碳、渗氮和渗硼）[43,47,48]以及表面合金化[49,50]）；剧烈塑性变形技术（如喷丸、超声冲击[51,52,53]、激光冲击处理、机械滚压和摩擦搅拌处理）；以及激光和电子束表面改性[40,54,55,56,57,58]及其所形成的多层/复合结构。通过调控近表面微观结构和残余应力分布、引入高效氢陷阱并优化其空间分布、以及降低氢渗透率等多种机理，这些表面工程方法协同降低了材料的氢脆敏感性。本综述系统考察了提升管道钢氢脆抗性的高级表面处理策略，包括超声表面机械处理、元素共渗与表面合金化以及基于激光的表面处理技术。

与以往聚焦于氢脆基本机理、管道钢氢相容性或单一防护措施（如涂层）的综述不同，本文着重于高级表面工程策略在提升管道钢氢脆抗性方面的特点与研究进展，并对各种表面技术进行了比较。特别强调了这些技术在高压力气态氢和掺氢天然气服役条件下的性能，并综合分析了其对氢渗透行为、微观结构演化、抗腐蚀性能以及力学性能退化机理的影响（图2）。在对现有研究文献的总结与批判性评价中，将管道钢的直接研究成果与其他合金体系的力学性能证据相关联。在此基础上，进一步对不同技术的优势、局限性、界面风险、处理深度、可扩展性及潜在应用领域进行了比较讨论。针对工程应用需求，本文分析了这些表面工程策略在长期耐久性、工艺兼容性和技术标准方面面临的挑战。同时识别了未来研究优先事项及其对氢运输基础设施安全部署的潜在贡献，旨在为氢储运系统的材料设计和工程完整性管理提供理论参考和实践方向。为了超越对单一表面处理方法的简单罗列，本文建立了一个四维的、基于证据权重的、面向应用场景的框架，用于评估管道钢氢脆的表面工程策略。这四个维度包括：氢渗入抑制、近表面氢传输与捕获调控、残余应力与裂纹驱动力控制、以及改性层与界面的完整性和耐久性。在本综述中，实验结果作为直接证据被接受的前提是其材料条件（如管道钢）和氢源（如高压力气态氢或掺氢天然气）均能代表实际管道服役条件。电化学充氢实验是一种加速手段，也可以验证材料的氢脆敏感性，为理解氢的吸收、保留、裂纹萌生和表面处理提供支持性证据。然而，电化学充氢实验与气态氢环境之间可靠的定量关联仍未充分建立。来源于非管道材料（包括不锈钢、铝合金、钛合金、镍基合金和高熵合金）的数据，其价值主要在于阐明内在机理和展示表面改性策略的潜力，从而为未来研究提供有意义的指导。该框架用于基于主要失效机理、管道位置、部署阶段、处理可达性、允许热输入和验证要求推导出工程设计准则。因此，超声处理、元素扩散/表面合金化和基于激光的工艺不仅被作为独立的工艺类别进行比较，还被映射到氢渗入-传输-裂纹萌生-界面退化路径上的不同干预点。

同时，对实验室规模观测与高压气态氢气或掺氢天然气管道的实际服役环境进行简单的相关性分析，以加强实验室证据与实际管道服役条件之间的联系。片段摘录超声表面处理超声表面处理包括由高频冲击或摩擦引发的一系列表面强化工艺，包括超声表面滚压工艺（USRP）、超声冲击处理（UIT）、超声喷丸强化（USP）和超声纳米晶表面改性（UNSM）[59,60]。从机理角度来看，所有这些处理方法均可归类为剧烈表面塑性变形（S2PD）。当高频超声振动叠加在静态……表面处理的评估与工程选择氢致脆化（HE）仍然是氢相关基础设施安全可靠部署的根本障碍。在过去的几十年中，表面改性技术已发展成为缓解该问题的有效策略。本综述重点突出了各种先进表面改性技术的有效性，特别强调了在提高金属和合金抗脆化性能以及降低其对……敏感性方面的加工相关挑战。挑战与未来展望尽管超声表面处理、元素扩散层和激光表面工程等先进表面处理技术在实验室层面显示出降低管道钢对氢致脆化敏感性的潜力，但在气相氢输送基础设施的工程应用中仍面临重大挑战。与之前对不同技术路线的比较不同，本节聚焦于共同制约问题……结论气态氢环境下管道钢中氢致脆化与腐蚀的耦合风险是限制氢能和掺氢天然气运输安全性的关键因素。表面工程可通过调控氢的渗入（H）和传输（T）、近表面微观组织、应力-裂纹驱动力（S）以及屏障/界面完整性（I）来降低管道钢的氢致脆化敏感性。在此基础上，本文提出了一种证据加权的HTSI框架。基于此，……利益冲突声明作者声明不存在已知可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。致谢本工作得到国家自然科学基金（批准号：52374072、W2531036、52501133和U25B6010）、中国博士后科学基金（2025M780186）、中国科学院宁波材料技术与工程研究所人才引进启动基金以及宁波市甬江人才工程（批准号：2025D-136-05和2025A-160-G）、宁波市自然科学基金项目（2025J071）的资助。薛飞 | 肖星 | Y. Frank Cheng 先进海洋材料国家重点实验室，浙江极环境材料表面与界面重点实验室，中国科学院宁波材料技术与工程研究所，宁波，315201，中国