煤制合成天然氣管道材料適用性評價方法

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(1. 中國石油西部管道公司，烏魯木齊 660008； 2. 安科工程技術研究院(北京)有限公司，北京 100083)

我國的煤炭資源相對豐富，將富煤地區的煤炭資源就地轉化成天然氣，不僅能解決氣源保障問題，同時也是煤炭清潔化利用的途徑之一[1]，成為繼煤炭發電，煤制油之后的又一重要戰略選擇。隨著油氣行業的不斷發展，采用高鋼級、大口徑、高壓力輸送管道是重要的生產趨勢，但管線鋼強度越高，氫脆敏感性就越高[2]。受到生產工藝的限制，煤制氣中含有一定量的氫氣，由于氫分子能夠被材料表面吸附，進而分解成吸附氫原子，并會通過去吸附作用進入材料內部[3]，這導致高強鋼管線在服役過程中存在氫脆失效的風險。

目前，針對輸氫管道，國際上制定了相應的技術規范，如加拿大管道管理機構要求建于20世紀80年代的輸氫管道應滿足如下條件：材料級別不大于X42，設計系數小于0.6；韌性應比天然氣管道的要求高30%且運行溫度小于40 ℃，并同時要求管道中大于3 MPa的壓力波動次數每年小于100次。除此之外，美國機械工程師學會規范《ASME B31.12 Hydrogen Piping and Pipelines》和EIGA(歐洲工業氣體協會)規范《Doc121_04 H2Transportation Pipelines》、《Doc120_04 Carbon Monoxide and Syngas Pipeline Systems》也均對輸氫管材的性能提出了要求。但目前我國擬采用或正在運行的煤制氣管道大部分為X70和X80高級管線鋼，高于國內外有文獻記載的輸氫管道規范要求，同時，現有規范只針對H2及H2/CO混合氣體的輸配系統給出了一些需要考慮的安全問題，針對低含氫環境(氫氣的體積分數為2%～6%)中管道的設計，目前還沒有相應的標準。

近年來，煤制氣管道氫脆敏感性問題得到了越來越多學者的關注和研究。張體明等[4-5]對X80鋼管道在煤制氣條件下的氫滲透參數，缺口拉伸塑性指標進行了測試，以此評價X80鋼的氫脆敏感性； MENG等[6]對X80鋼在模擬煤制氣條件下的光滑和缺口試樣的拉伸強度、塑性指標以及疲勞裂紋擴展速率進行了測試，評價了氫對X80鋼性能的影響；關鴻鵬等[7]對X70鋼在含氫煤制氣條件下的氫含量、沖擊韌性、斷裂韌性及拉伸強度和塑性指標進行了測試，綜合評價了X70鋼的服役安全性。不同研究結果均表明，煤制氣中一定量氫氣的存在，能對高強管線鋼的組織性能產生影響，雖然測試評價手段多樣，但尚未形成統一的測試評價體系，同時對評價指標的選擇也存在差異，不同評價指標對現場管線實際運行、控制的指導意義也有待進一步明確。

因此，本工作通過對現有輸氫管道及儲氫容器標準進行梳理，結合相關文獻資料，從含氫管道脆化與環境損傷類型入手，對煤制氣管道在含氫環境中的適用性評價方法進行總結，從管道的強度、塑性、斷裂韌性、疲勞等幾方面提出氫脆敏感性的判斷依據，以期為含氫煤制合成天然氣管道材料的服役適用性評價和安全運行提供技術支持。

1 含氫管道脆化與環境損傷類型

1.1 氫致應力開裂

氫致應力開裂(HSC)具有滯后性，材料需要在氫和應力的持續作用下發生脆性斷裂，且多數情況下，導致斷裂的應力低于材料的屈服強度，這給管道的安全運行帶來風險。HSC最容易在室溫條件下發生，在含氫環境中，敏感材料的斷裂韌性參數較在惰性氣氛中的降低，性能損失幅度與材料和環境因素有關[3,8]。研究表明，管線鋼在氫環境中的臨界開裂應力強度因子，即氫致斷裂韌性KIH與強度水平和氫壓環境呈函數關系[9-11]。當環境應力強度因子低于KIH時，不會發生開裂。因此，根據管道缺陷處產生的應力和缺陷尺寸能夠對管道的開裂風險進行判斷：鈍狀缺口，如腐蝕是不會產生較大應力集中的；鋒利的缺陷，如裂紋是會產生較大應力集中的，需要重點關注。HSC測試的結果可以用來評估工程結構中可接受的臨界缺陷尺寸，為管道完整性管理和裂紋檢測提供依據。

1.2 塑性和強度降低

高鋼級管線鋼在氫的作用下，塑性和強度會降低，特別是存在缺陷的情況下，降低幅度更為明顯[12-13]。根據ASME B31.12-2014《Hydrogen Piping and Pipelines》標準，緊固試樣的過早爆破，也是強度損傷的一種表現。因此，管線鋼材料的拉伸指標及爆破壓力變化測試，對于評價管線鋼的氫脆敏感性，確定管線設計的應力及應變系數，具有重要的指導意義。

1.3 氫致疲勞裂紋擴展

高鋼級管線鋼在氫和疲勞載荷的作用下通常會表現出疲勞裂紋擴展速率的增加和疲勞裂紋擴展門檻值ΔKth的降低，進而對材料抵抗疲勞載荷的能力及服役壽命產生影響[14-16]。雖然管線運行中的溫度、壓力波動不大，但疲勞載荷在特殊工況及穿跨越等特殊環境中，也可能造成管線失效[17-19]。因此，管線鋼在含氫環境中的疲勞性能測試，對于管線運行載荷波動控制及管線受力設計具有重要的指導意義。

2 煤制合成天然氣管道的適用性評價方法

2.1 斷裂韌性測試

斷裂韌性測試方法的選擇受管線壁厚的影響，當管線壁厚滿足式(1)的要求時，材料滿足平面應變狀態，可以采用GB/T 4161-2007《金屬材料平面應變斷裂韌度KIC試驗方法》中的方法對斷裂韌性進行測試。

B≥2.5(KIC/RP0.2)2(1)

式中:B為試樣厚度；KIC為材料的斷裂韌性；RP0.2為屈服強度。

當試樣尺寸不能滿足平面應變狀態時，可以參考GB/T 2038-1991《 金屬材料延性斷裂韌度JIC試驗方法》中規定的金屬材料的延性斷裂韌度JIC的測試方法，并根據JIC的測試結果轉換成KIC，標準規定測試時試樣尺寸需要滿足式(2)要求。

B>25JIC/RP0.2(2)

當試樣的尺寸不能滿足式(1)和(2)的要求時，可以參考GB/T 2358-1994《金屬材料裂紋尖端張開位移試驗方法》中規定的金屬材料裂紋尖端張開位移的測試方法，并根據特征裂紋尖端張開位移(CTOD)值采用式(3)進行計算。

無論采用上述哪種方法，KIH的測試均需要在含氫環境中進行，同時需要保證測試前X80鋼試樣在含氫環境中暴露足夠的時間以滿足氫平衡狀態，并采用合適的載荷/應變速率。該測試能夠獲得試樣在含氫氣環境中的臨界應力強度因子，可用來評估工程結構中可接受的臨界缺陷尺寸，為管道完整性管理和裂紋檢測提供依據。

2.2 缺口試樣拉伸試驗和慢應變速率試驗

缺口拉伸試驗和慢應變速率試驗測試方法參考標準ASTM G 142-98《Standard Test Method for Determination of Susceptibility of Metals to Embrittlement inHydrogen Containing Environments at High Pressure, HighTemperature, or Both》進行，將軸對稱缺口拉伸試樣或光滑試樣置于常溫常壓和典型煤制氣含氫環境中施加單軸拉伸應力。缺口拉伸試驗測試環境中氫氣組分對材料在三向應力集中區域的氫脆行為的影響[18]，而慢應變速率試驗包括了裂紋孕育、裂紋亞穩擴展及失穩擴展三個階段[19]，這兩種方法都能夠有效評價X80鋼對氫的敏感性。

通過標準及文獻調研，缺口拉伸試驗和慢應變速率試驗的測試結果可以從兩方面進行分析：

(1) 力學性能變化

可比較暴露在含氫環境和非含氫(常溫常壓)環境中的同種試樣的力學性能，進而評定材料的氫脆敏感性，見式(4)。

根據LAM等[20]的研究，氣態氫組分對碳鋼的抗拉強度、斷后伸長率和斷面收縮率等力學性能有顯著影響。

(2) 斷口形貌觀察

LAM等[20]研究表明，材料存在氫脆敏感性的判據之一是，試樣斷口在含氫環境中的脆性區域多于在非含氫環境(常溫常壓)中的。GB/T 9711-2011《石油天然氣工業管線輸送用鋼管》指出，可以在試樣完全被破壞后，采用低倍顯微鏡檢查二次裂紋，或通過觀察斷口微觀形貌檢查斷裂模式的變化，來確定試樣是否發生氫脆斷裂。對于X80鋼，空氣中拉斷的斷口為韌性斷口，會有明顯的頸縮區域[21]，因此，若斷口出現脆性區域，表明材料受到氫的影響，發生氫脆開裂。

2.3 緊固圓盤壓力試驗(碟形爆破)

碟形爆破試樣參照ASTM F1459-06《Standard Test Method for Determination of the Suscepitibility of Metallic Materials to Hydrogen Gas Embrittlement》進行，采用不同氣體以一定的升壓速率對環境艙進行增壓，直到樣品爆破，對比不同氣體環境中的爆破壓力，評價材料對環境的敏感性。測試裝置如圖1所示。

圖1 蝶形爆破測試裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of butterfly blasting test device

綜合標準和實際管道運行環境，分別采用純氦氣(純度為99.995%)、以及含氫煤制氣進行試驗。增壓速率在標準規定的范圍內進行選擇。

根據標準規定，PHe/P煤制氣的最大比率可以評價材料的氫脆敏感性：比率為1，材料對環境不敏感；比率高于2，材料對環境敏感，應避免在此種環境中使用；比率介于1～2，材料長時間暴露在這種環境中，可能會導致氫脆。

2.4 疲勞裂紋擴展試驗

疲勞裂紋擴展試驗參照ASME B31.12-2014和ASTM E647-2005 《測量疲勞裂紋增長率的標準試驗方法》進行，試樣壁厚應不低于管道壁厚的85%，TL方向取樣。測試頻率和應力比的選擇對于氫脆敏感性的測試具有重要的影響，標準規定，評價氣態氫氣影響時，測試頻率不應超過0.1 Hz，測試應力Kmin/Kmax不應低于0.1。文獻表明[22]，氫對于材料的疲勞裂紋擴展行為有著十分重要的影響，其可能機制包括：加大疲勞裂紋的擴展速率、降低疲勞裂紋萌生的門檻值或同時耦合二者的作用。試驗使暴露在常溫常壓和典型含氫煤制氣環境中的試樣承受疲勞載荷，比較氫對于材料疲勞裂紋擴展速率和疲勞裂紋擴展門檻值的影響，從而有效評價材料對氫的敏感性。

3 結論

(1) 含氫煤制氣環境中的管道需要考慮的脆化和損傷類型主要有氫致應力開裂，塑性與強度降低以及氫致疲勞裂紋擴展。

(2) 含氫煤制氣環境中管道材料的適用性評價方法包括氫致斷裂韌性KIH測試，缺口試樣拉伸試驗和慢應變速率試驗，含氫環境中的碟形爆破壓力測試以及含氫環境中的疲勞擴展速率及門檻值測試。

(3) 根據含氫煤制氣環境中管道材料的適用性評價結果，可以從管段臨界缺陷尺寸，管道設計應力及應變系數，管道波動載荷控制幾個角度，對管道的建造和維護提供數據支持。