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管线钢氢脆的研究进展
刘祎，董福涛，齐程伟，代鑫，胡宝佳，田亚强，陈连生
华北理工大学现代冶金技术教育部重点实验室， 河北 唐山 063210
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摘 要
氢能是一种绿色低碳二次能源，提高氢能的利用率可以促进节能减排，减少环境污染。现阶段高效率的输氢方式主要为管道运输，管线钢的氢脆影响着运输安全，如何提高管线钢抗氢脆能力一直受到广泛关注，但目前没有合适的理论可以完整解释氢脆现象。从管线钢的发展和氢脆机理等方面分析了不同等级管线钢的综合性能和发展趋势，主要介绍了氢压力理论、氢增强局部塑性理论(HELP)和氢致弱键理论(HEDE)3种氢脆机理。从合金元素、微观组织、加工工艺、氢浓度和氢环境的角度探讨了影响管线钢氢脆的因素。最后结合现阶段研究现状，分析了管线钢发展中的重点难点，为抗氢脆管线钢的开发与应用提供参考，同时展望了管线钢未来需要关注的研究方向。
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关 键 词
管线钢； 氢脆； 氢陷阱； 合金元素； 微观组织
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引 言
氢能是一种重要的绿色能源，氢能源的使用可以大幅减少二氧化碳等温室气体的排放，在全球“碳达峰”与“碳中和”的大背景下，各国都加大了对氢能源的研究与使用。目前，中国可再生能源产量占世界产量的24.4%，居世界首位。然而，中国的可再生能源主要集中在中西部地区，而电力和氢气的使用主要集中在东南沿海地区，这导致可再生能源的生产、储存、运输和使用出现不平衡，氢气应用困难。2023年4月，中国首条“西氢东送”输氢管道示范工程被纳入《石油天然气“全国一张网”建设实施方案》，这标志着中国氢气长距离输送管道进入新发展阶段。随着技术研发和产业升级，未来十到二十年全球氢能产业将迎来一个快速发展时期。
氢能储存和运输是氢能产业发展中的重要环节。目前，长管拖车仍是中国长距离氢气运输的主要方式，但是这种方式成本较高、效率较低，制约了该产业链发展。通过纯氢输送管道可以实现大规模、长距离输送氢气，全球范围内氢气输送管道总里程已超5 000 km，预计到2050年，输氢管道总长度可能达到1.5万km至3.5万km。但因为高强钢长期暴露在氢气环境中会引发氢脆现象，导致安全事故的发生，所以纯氢管道的造价是天然气管道的2倍。而利用现有的天然气输送系统输氢可以最大限度地降低安装成本，因此，将一定体积的氢气混合到现有的天然气管网中被认为是将氢气从原始提取点输送到最终用户的最有效方法。无论是纯氢管道还是天然气管道输氢，氢气造成的管线钢氢脆现象在一定程度上阻碍了管道输氢的发展，通过研究管线钢的氢脆机理，提高管线钢的抗氢脆能力，对氢能源的普及和使用率的提高有着重要的现实意义。
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精 选 图 表
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结 论
随着中国“西氢东输”管道纳入国家规划，长距离管道输氢进入了新的发展阶段。作为可实现“碳中和”的清洁能源，氢能源对中国调整能源结构、加快推进新时代能源转型具有重要意义。从抗氢脆性能的角度，综述了管线钢氢脆的研究现状，总结了氢脆机理和管线钢氢脆的影响因素。根据目前的研究内容提出以下建议与展望：
1)目前有关氢脆机理的研究热点主要集中在氢致局部塑形理论(HELP)与氢致弱键理论(HEDE)，两者均取得了部分研究成果，但仍存在一些问题，如HEDE理论，尽管已经有了理论计算的数据，但是对于局部氢浓度和原子间成键相互作用的关系缺乏试验证明；关于HELP和HEDE的协同作用也缺乏直接的证据支持；同时，现阶段没有一种理论可以完整地解释全部材料的氢脆现象。因此，完善氢脆机理的证明试验、探究具有普适性的氢脆机理是未来需要关注的研究方向。
2)添加Nb、V、Ti等强碳化物形成元素是提升管线钢抗氢脆性能的主要方法之一，碳化物作为氢陷阱可以有效控制氢在钢中的扩散与分布，但不同尺寸的碳化物对管线钢抗氢脆性能的影响并不相同，现阶段很少有研究针对碳化物尺寸对钢中氢扩散行为的影响。
3)微观组织在钢的抗氢脆性能中起着重要的作用，在常见的管线钢微观组织中，针状铁素体组织具有良好的抗氢脆性能，在抗氢脆管线钢的生产中建议优先考虑针状铁素体组织管线钢；另外，组织均匀性十分重要，均匀的微观组织缺陷最少，可以有效减少氢原子在缺陷处积聚导致的氢脆现象。
来源：《中国冶金》2024年第7期
END
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