结构完整性评估对于石油和天然气管道运行的风险最小化至关重要。因此，许多研究者研究了不同的碳钢和耐腐蚀合金(CRAS)的氢渗透率。当在材料受载并暴露于外部（或内部）含氢环境中，氢可以渗透到材料中，沉积在金属基体夹杂物的缺陷位置，影响材料的断裂特性。
 
氢脆是碳钢材料，尤其是暴露于含氢环境中的高强度材料脆化和断裂的主要原因之一。氢脆主要表现在形成高压鼓泡、降低表面能（吸附机制）、减少晶格凝聚力(减聚力机制)、氢的位错和氢化物的形成。这些过程将削弱材料的物理和化学性能，尤其是在热影响区可能导致疲劳失效。
 
Natividad等研究了在管道安装过程中焊接操作使得热影响区的微观结构产生了扭曲。研究者们还通过实验测试了X65管道焊件对于硫化物应力开裂的敏感性。这些焊件分别采用了间接电弧焊(IEAW)、埋弧焊(SAW)和金属惰性气体(MIG)保护焊。试验发现，相较其他焊接工艺，间接电弧焊件具有更好的抗硫化物应力开裂(SSC)能力。
 
焊件分别在25°C、37°C和50°C下的含饱和H2S的NACE溶液中进行电化学试验，根据慢应变率测试(SSRT)结果，研究者们相信，在25°C下将焊缝的显微结构从针状铁素体变为细晶粒组织，将有效降低间接电弧焊接对硫化物应力开裂的敏感性。
 
采用电阻焊接（ERW）和埋弧焊（SAW），通常会在管道上造成较大面积的热影响区(HAZs)，产生异构微观组织，并增加开裂风险，而使用间接电弧焊能使热影响区变窄，有助于降低管道硫化物应力开裂的风险性。

其他相关的研究包括：Azevedo调查了X46管道失效的原因，最终将其归因于金属基体间的氢鼓泡。而Beidokhti等人用实验测试了X70管道锰含量（1.4%和2.0%）对埋弧焊接管道样品的氢致开裂和硫化物应力开裂的影响，并发现锰含量为2.0%的焊件因其高硬度而更为敏感。Capelle等人通过估计在氢气和天然气的压强条件下，具有外部缺口管道的爆破压力，测试了X52管道的吸氢能力，得出结论：在2MPa的低压力下，氢气可能从材料表层附近渗透。他们还指出，随时间增加以及天然气外加应力增加，氢的渗透速率也在增加。此外，Park等人对X65管道进行实验，发现退化珠光体、针状铁素体、贝氏体-铁素体和马氏体-奥氏体的微观结构具有捕捉和分散氢的能力，其中针状铁素体吸收效率最高。Woodtli和Rolf 认为，由于高离解常数（429.5kJ/mol）和低扩散系数（1.5*108 cm2/s)，氢气与钢铁表面在室温下作用并不会构成问题。然而,受机械应力集中和氢溶解的影响，金属也会产生裂纹。
 
从上述研究成果可见，大多数油气运输管道在低离解常数和扩散所需压强下，氢很容易侵入。因此，制造高质量的无夹杂物、无显微结构缺陷的材料将成为解决与氢相关的缺陷问题的办法。
 
分层是管壁上阶梯开裂的结果，会影响材料的剩余强度。对于酸性气体管道，氢的吸收可能会引起管道不同部分的分层，当层内压力增大，相邻裂纹产生应力场作用，分层的扩张可能会导致氢致开裂（HIC），见图1。
 
同样, 通过对不同H2S浓度、应力比和载荷频率下的X70级钢管进行实验发现，疲劳裂纹扩展速率随应力比的增加而增加，随负载频率的降低而增加，但与H2S浓度无线性关系。此外，当电势为-775mV时，X80级管的疲劳裂纹没有明显的扩展，但在-1000mV至-1200mV，有21.25%至38.96%的变化。这表明在电势降低时，材料更易遭受氢致开裂。因为氢扩散进入管道微观结构导致该处屈服强度增加，更易产生疲劳应力失效。在酸性环境下，耐腐蚀合金仅在690 MPa或22HRC之内保持一定的强度。
 
我们需要一个规定管道材料氢敏感性的合理测量方法的标准，见表1。
   
延伸阅读：
 
腐蚀环境下的管道失效——概况和腐蚀机理

管道应力腐蚀开裂失效机理

作者：Chinedu I. Ossai，Brian Boswell，Ian J. Davies
译自：sciencedirect
来源：材料与测试
译者：Kate0609
 
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