近年来，煤制气行业逐步发展，与油气资源相比，中国的煤炭资源相对丰富，将富煤地区的煤炭资源就地转化成天然气，不仅能解决气源保障问题，且是一个较优的煤炭清洁化利用途径[1]。但煤制气的发展仍面临着诸多挑战。受生产工艺的限制，煤制气中含有一定量的氢气，氢致失效成为输送管道的潜在问题之一[2]。因此，针对煤制气管道用钢，尤其是对氢脆敏感性较高的X80管线钢在含氢环境中适用性的评价[3-5]，得到了越来越多学者的关注。但目前的研究集中在某一氢含量对X80管线钢性能的影响[6-8]或是5%(体积分数,下同)、10%、20%和50%大梯度变化下氢含量对材料性能的影响[9]，而对于X80管线钢在环境中的临界氢分压，并未给出可参考数据。为保证管道的安全运行，规范煤制气的指标要求，促进煤制合成天然气产业的发展，急需对X80管线钢在低含氢环境(3%～6%)中的性能变化规律进行研究，获得对X80管线钢性能无显著影响的氢含量范围。

利用改进的Jensen尾流模型计算位于下游的风机所捕获的风速。简化的尾流效应模型如图1所示。在大多数研究中,图1所示的锥形区域为风通过每个单独的风机时所形成的尾流效应区域。本文将其简化为二维模型[14]。

本工作选用大口径X80管线钢，模拟12 MPa总压，不同氢气分压环境(通过控制体系中氢的体积分数来控制氢分压)，通过碟形爆破及缺口拉伸测试技术，结合断口分析，获得含氢煤制气环境中X80管线钢的氢脆敏感性随氢含量的变化规律，以期为高压煤制气管线的安全运行和设计、维护提供依据。

1 试验

1.1 试样

试验材料为大口径X80管线钢管道，其化学成分(质量分数，%)为：C 0.070，Si 0.21，Mn 1.61，S 0.002 5，P 0.008 1，Mo 0.13，Nb 0.041，Ni 0.12，Cu 0,14，Ti 0.012，Fe余量。按照标准GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》测得其屈服强度和抗拉强度分别为605 MPa和669 MPa。母材经4%(体积分数)硝酸乙醇溶液侵蚀后的组织形貌如图1所示，可以看出，X80管线钢的金相组织分布均匀细小，以珠光体和铁素体为主。

理学作为现代科学技术的基础学科在社会生产生活中有着重要的地位和作用，可“物理是高中最难学的一门课”也已经成为多年来师生们的共识，相当一部分学生因为学不好物理而放弃物理，进而放弃理科选择文科。但对几届学生的调查得知，这些反映高中物理不好学的同学当中有相当一部分在初中其实很喜欢物理，并且成绩也不错。

图1 X80管线钢的金相组织 Fig. 1 Microstructure of X80 pipeline steel

1.2 试验方法

紧固圆盘压力试验(碟形爆破)参照标准ASTM F1459-06《测定金属材料对气态氢脆敏感度的试验方法》进行，试样尺寸为φ58 mm×0.7 mm，试验装置如图2所示。分别采用氢气(99.999%)和氦气(99.999%)以一定的升压速率对环境舱进行增压，直到样品爆破，通过对比试样爆破时的压力，评价X80钢在含氢环境中的适用性。

图2 紧固圆盘压力试验装置 Fig. 2 Tightened disc pressure test device

缺口拉伸试验参照ASTM G142-98《测定金属在氢气中(包括高压、高温或高压高温条件下)脆性敏感度的标准试验方法》，采用预制缺口棒状拉伸试样，缺口角度为60°，缺口处最小直径为6 mm,见图3。试样均垂直于管道轴向切取。试验在配有高压釜的慢应变速率拉伸试验机中进行，将试样安装于高压釜中后，需在模拟煤制气环境中预充氢24 h[6-7]，然后采用设定的拉伸速率进行拉伸，直至试样断裂。试验温度为(25±1) ℃，拉伸速率为0.02 mm·s-1，采用H2和N2模拟煤制气含氢环境，总压12 MPa，氢气分压为0.36～0.72 MPa(氢气的体积分数为3%～6%)。

图3 缺口拉伸试样尺寸 Fig. 3 Dimensions of the notched specimens

2 结果与讨论

2.1 X80管线钢在氢气环境中的适用性

根据标准ASTM F1459-06规定，pHe/pH2的最大值可以评价材料的氢脆敏感性[10]：pHe/pH2为1时，材料对氢不敏感；pHe/pH2大于2时，材料对氢敏感，应避免在含氢环境中使用；pHe/pH2为1～2时，材料长时间暴露在含氢环境中，可能会发生氢脆。

表1 试样在不同测试条件下的爆破压力 Tab. 1 Burst pressure of samples under different test conditions MPa

气体增压速率bar/min0.5110100500氦气40.040.039.439.739.4氢气36.034.435.327.324.9

图4 试样在不同增压速率下的爆破压力比 Fig. 4 Burst pressure ratio samples at different pHe/pH2

由表1可见：在氦气环境中，不同增压速率下，试样的爆破压力基本一致，约为39～40 MPa；在氢气环境中，X80钢的爆破压力明显降低，约为24～34 MPa，这表明在氢气环境中，试样的脆性增加。计算试样在氦气和氢气环境中的爆破压力比值pHe/pH2，结果如图4所示，从图中可以看出，pHe/pH2为1～2。

式中:ψ为断面收缩率，S0为拉伸前试样截面积，S为拉伸后试样截面积；δ为断后伸长率，L0为拉伸前标距长度，L为拉伸后标距长度。由表2可见：随氢气分压的增加，X80管线钢的断面收缩率和断后伸长率均发生降低。

因此，X80钢在氢气环境中，具有一定的氢脆敏感性，在含氢环境中应用时，应当根据使用环境进行进一步的评价。

2.2 X80钢在不同氢分压下的氢脆敏感性

P值偏离1越大，则试样的氢脆敏感性越高。

图5 缺口试样在空气及不同氢分压环境中的拉伸曲线 Fig. 5 Tensile curves of notched samples in air and different hydrogen partial pressure environment

随着大数据化和人工智能技术的不断进步，档案管理变得越来越简化，从原来的纸质档案逐渐转型为电子档案，致使档案管理员摒弃了以往烦琐、重复的档案管理工作，而是采取了高效率、低成本的档案管理模式。这就对档案管理人员提出了更为严苛的要求，要求档案管理人员拥有更全面的档案管理及保护知识；要有更专业的档案管理及保护的综合素质；要能积极投入到档案管理及保护工作中去。因此，应对档案管理及保护工作进行变革，以确保档案的安全性。

由图6可见：试样在空气中拉断后的断口四周存在明显的剪切唇，放大后可看到韧窝状的典型韧性特征；而在含氢环境中，随着氢分压的上升，试样断口边缘的脆性特征逐渐明显，断口更加平齐。

(a) 空气,×30(b) 空气,×100 (c) 0.36 MPa氢气分压,×30(d) 0.36 MPa氢气分压,×100

(e) 0.48 MPa氢气分压,×30 (f) 0.48 MPa氢气分压,×100 (g) 0.72 MPa氢气分压,×30 (h) 0.72 MPa氢气分压,×100 图6 缺口试样在空气和不同氢分压环境中的拉伸断口SEM形貌 Fig. 6 SEM morphology of tension fracture of notched samples in air (a,b) and different hydrogen pressures environment (c～h)

为了进一步探讨氢气分压对X80管线钢塑性损失的影响，分别计算X80管线钢在空气和不同氢分压环境中缺口拉伸试样的断面收缩率及断后伸长率等塑性指标，计算公式如式(1)和(2)所示：

(1)

由图7可见：除了氢分压为0.36 MPa时，X80管线钢的断面收缩率和断后伸长率与其在空气中的相比变化不大，其他氢分压条件下，X80管线钢的塑性指标均有所降低，且降低幅度随氢分压的升高而增加。当氢分压为0.72 MPa时，X80管线钢的断面收缩率和断后伸长率降低幅度约为20%。

(2)

经连续三血管观及冠状切面观综合扫查后发现40例病例中有20例为RAA+LDA+ALSA，占比约50%，因无伴发畸形及染色体检查正常，全部顺利生产，产后进一步检查证实；15例为迷走左锁骨下动脉，占约37%；1例为肺动脉吊带，占比约3%，产后经CTA证实并做手术，4例为双主动脉弓（其中包含1例MRAA被误诊），占比约10%，家属选择终止妊娠，经孕妇及家属同意，由具有资质的病理医师及超声医师尸解，发现其中一例为MRAA右弓优势。检查误诊率差异有统计学意义（P＜0.05）。详见表。

常用试样在含氢环境中和非含氢(常温常压空气)环境中的力学性能之比来评定试样的氢脆敏感性，该比值记为P。

(3)

由图5可见：试样在不同氢分压(含不同体积分数氢气)环境中的拉伸曲线区别不大。

表2 试样在不同测试条件下的缺口拉伸 塑性指标 Tab. 2 Notch tension plasticity index of samples under different test conditions

塑性指标氢分压/MPa空气0.360.480.600.72断面收缩率9.029.398.657.146.45断后伸长率42.3041.3839.4036.9734.26

(a) 断后伸长率

(b) 断面收缩率 图7 X80管线钢在不同氢气分压下的塑性指标的比值 Fig. 7 Ratio of plastic index of X80 pipeline steel at different hydrogen partial pressure:(a) elongation after fracture; (b) reduction of area

王毛球等[9]的研究结果表明，氢致断裂与局部最大应力和局部最大可扩散氢浓度有关，在较低的氢分压条件下，氢原子也能进入材料内部，导致材料的塑性降低。在煤制气气态含氢环境中，由于H2分子的体积大，其本身不能进入金属，只有分解成原子氢才能进入。在一定的温度下，H2与H的转换为吸热反应,且关系满足

2.1 纳入研究的6 729例胎儿中出现染色体异常、结构畸形及自然流产共269例，发生率为4.0%(269/6 729)。

(4)

温度越高，H2中H的比例(自由态H和分子态H2数目之比，cH/cH2)就越大。研究表明，温度T<1 000 K时，在H2中原子氢的数量可忽略不计[10]。但H2能够通过表面吸附，进而分解成H进入材料内部。在金属内部，原子互作用力处于平衡，而在金属表面，原子的配位数比内部要小,故原子互作用力不平衡，从而使金属具有表面能，这种不平衡的互作用力能把异类原子吸引到表面[2]。因此在煤制气环境中，虽然氢分压较低，也能有一定量的氢原子进入到了X80管线钢中。氢原子进入到材料内部，在应力集中位置富集，进而对材料的力学行为产生影响。

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3 结论

(1) 25 ℃条件下，X80管线钢在氦气和氢气环境中的爆破压力比pHe/pH2为1～2，具有一定的氢脆敏感性，在含氢环境中应用时，应当根据使用环境对其进行进一步的评价。

(2) 25 ℃条件下，氢分压为0.36 MPa时，X80管线钢的断后伸长率和断面收缩率与其在常温常压空气中的结果接近;当氢分压高于0.36 MPa时，随氢分压的升高，X80钢的塑性损失增加，断口表现出脆化特征，氢脆敏感性增加。

参考文献：

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[5] 张体明,王勇,赵卫民,等. 模拟煤制气环境下X80管线钢及HAZ的氢脆敏感性[J]. 焊接学报,2015,36(9):43-46.

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