煤制合成天然气管道材料适用性评价方法

2019-02-14,,,

腐蚀与防护 2019年1期

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(1. 中国石油西部管道公司，乌鲁木齐 660008； 2. 安科工程技术研究院(北京)有限公司，北京 100083)

我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，同时也是煤炭清洁化利用的途径之一[1]，成为继煤炭发电，煤制油之后的又一重要战略选择。随着油气行业的不断发展，采用高钢级、大口径、高压力输送管道是重要的生产趋势，但管线钢强度越高，氢脆敏感性就越高[2]。受到生产工艺的限制，煤制气中含有一定量的氢气，由于氢分子能够被材料表面吸附，进而分解成吸附氢原子，并会通过去吸附作用进入材料内部[3]，这导致高强钢管线在服役过程中存在氢脆失效的风险。

目前，针对输氢管道，国际上制定了相应的技术规范，如加拿大管道管理机构要求建于20世纪80年代的输氢管道应满足如下条件：材料级别不大于X42，设计系数小于0.6；韧性应比天然气管道的要求高30%且运行温度小于40 ℃，并同时要求管道中大于3 MPa的压力波动次数每年小于100次。除此之外，美国机械工程师学会规范《ASME B31.12 Hydrogen Piping and Pipelines》和EIGA(欧洲工业气体协会)规范《Doc121_04 H2Transportation Pipelines》、《Doc120_04 Carbon Monoxide and Syngas Pipeline Systems》也均对输氢管材的性能提出了要求。但目前我国拟采用或正在运行的煤制气管道大部分为X70和X80高级管线钢，高于国内外有文献记载的输氢管道规范要求，同时，现有规范只针对H2及H2/CO混合气体的输配系统给出了一些需要考虑的安全问题，针对低含氢环境(氢气的体积分数为2%～6%)中管道的设计，目前还没有相应的标准。

近年来，煤制气管道氢脆敏感性问题得到了越来越多学者的关注和研究。张体明等[4-5]对X80钢管道在煤制气条件下的氢渗透参数，缺口拉伸塑性指标进行了测试，以此评价X80钢的氢脆敏感性； MENG等[6]对X80钢在模拟煤制气条件下的光滑和缺口试样的拉伸强度、塑性指标以及疲劳裂纹扩展速率进行了测试，评价了氢对X80钢性能的影响；关鸿鹏等[7]对X70钢在含氢煤制气条件下的氢含量、冲击韧性、断裂韧性及拉伸强度和塑性指标进行了测试，综合评价了X70钢的服役安全性。不同研究结果均表明，煤制气中一定量氢气的存在，能对高强管线钢的组织性能产生影响，虽然测试评价手段多样，但尚未形成统一的测试评价体系，同时对评价指标的选择也存在差异，不同评价指标对现场管线实际运行、控制的指导意义也有待进一步明确。

因此，本工作通过对现有输氢管道及储氢容器标准进行梳理，结合相关文献资料，从含氢管道脆化与环境损伤类型入手，对煤制气管道在含氢环境中的适用性评价方法进行总结，从管道的强度、塑性、断裂韧性、疲劳等几方面提出氢脆敏感性的判断依据，以期为含氢煤制合成天然气管道材料的服役适用性评价和安全运行提供技术支持。

1 含氢管道脆化与环境损伤类型

1.1 氢致应力开裂

氢致应力开裂(HSC)具有滞后性，材料需要在氢和应力的持续作用下发生脆性断裂，且多数情况下，导致断裂的应力低于材料的屈服强度，这给管道的安全运行带来风险。HSC最容易在室温条件下发生，在含氢环境中，敏感材料的断裂韧性参数较在惰性气氛中的降低，性能损失幅度与材料和环境因素有关[3,8]。研究表明，管线钢在氢环境中的临界开裂应力强度因子，即氢致断裂韧性KIH与强度水平和氢压环境呈函数关系[9-11]。当环境应力强度因子低于KIH时，不会发生开裂。因此，根据管道缺陷处产生的应力和缺陷尺寸能够对管道的开裂风险进行判断：钝状缺口，如腐蚀是不会产生较大应力集中的；锋利的缺陷，如裂纹是会产生较大应力集中的，需要重点关注。HSC测试的结果可以用来评估工程结构中可接受的临界缺陷尺寸，为管道完整性管理和裂纹检测提供依据。

1.2 塑性和强度降低

高钢级管线钢在氢的作用下，塑性和强度会降低，特别是存在缺陷的情况下，降低幅度更为明显[12-13]。根据ASME B31.12-2014《Hydrogen Piping and Pipelines》标准，紧固试样的过早爆破，也是强度损伤的一种表现。因此，管线钢材料的拉伸指标及爆破压力变化测试，对于评价管线钢的氢脆敏感性，确定管线设计的应力及应变系数，具有重要的指导意义。

1.3 氢致疲劳裂纹扩展

高钢级管线钢在氢和疲劳载荷的作用下通常会表现出疲劳裂纹扩展速率的增加和疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth的降低，进而对材料抵抗疲劳载荷的能力及服役寿命产生影响[14-16]。虽然管线运行中的温度、压力波动不大，但疲劳载荷在特殊工况及穿跨越等特殊环境中，也可能造成管线失效[17-19]。因此，管线钢在含氢环境中的疲劳性能测试，对于管线运行载荷波动控制及管线受力设计具有重要的指导意义。

2 煤制合成天然气管道的适用性评价方法

2.1 断裂韧性测试

断裂韧性测试方法的选择受管线壁厚的影响，当管线壁厚满足式(1)的要求时，材料满足平面应变状态，可以采用GB/T 4161-2007《金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法》中的方法对断裂韧性进行测试。

B≥2.5(KIC/RP0.2)2(1)

式中:B为试样厚度；KIC为材料的断裂韧性；RP0.2为屈服强度。

当试样尺寸不能满足平面应变状态时，可以参考GB/T 2038-1991《金属材料延性断裂韧度JIC试验方法》中规定的金属材料的延性断裂韧度JIC的测试方法，并根据JIC的测试结果转换成KIC，标准规定测试时试样尺寸需要满足式(2)要求。

B>25JIC/RP0.2(2)

当试样的尺寸不能满足式(1)和(2)的要求时，可以参考GB/T 2358-1994《金属材料裂纹尖端张开位移试验方法》中规定的金属材料裂纹尖端张开位移的测试方法，并根据特征裂纹尖端张开位移(CTOD)值采用式(3)进行计算。

无论采用上述哪种方法，KIH的测试均需要在含氢环境中进行，同时需要保证测试前X80钢试样在含氢环境中暴露足够的时间以满足氢平衡状态，并采用合适的载荷/应变速率。该测试能够获得试样在含氢气环境中的临界应力强度因子，可用来评估工程结构中可接受的临界缺陷尺寸，为管道完整性管理和裂纹检测提供依据。

2.2 缺口试样拉伸试验和慢应变速率试验

缺口拉伸试验和慢应变速率试验测试方法参考标准ASTM G 142-98《Standard Test Method for Determination of Susceptibility of Metals to Embrittlement inHydrogen Containing Environments at High Pressure, HighTemperature, or Both》进行，将轴对称缺口拉伸试样或光滑试样置于常温常压和典型煤制气含氢环境中施加单轴拉伸应力。缺口拉伸试验测试环境中氢气组分对材料在三向应力集中区域的氢脆行为的影响[18]，而慢应变速率试验包括了裂纹孕育、裂纹亚稳扩展及失稳扩展三个阶段[19]，这两种方法都能够有效评价X80钢对氢的敏感性。

通过标准及文献调研，缺口拉伸试验和慢应变速率试验的测试结果可以从两方面进行分析：

(1) 力学性能变化

可比较暴露在含氢环境和非含氢(常温常压)环境中的同种试样的力学性能，进而评定材料的氢脆敏感性，见式(4)。

根据LAM等[20]的研究，气态氢组分对碳钢的抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率等力学性能有显著影响。

(2) 断口形貌观察

LAM等[20]研究表明，材料存在氢脆敏感性的判据之一是，试样断口在含氢环境中的脆性区域多于在非含氢环境(常温常压)中的。GB/T 9711-2011《石油天然气工业管线输送用钢管》指出，可以在试样完全被破坏后，采用低倍显微镜检查二次裂纹，或通过观察断口微观形貌检查断裂模式的变化，来确定试样是否发生氢脆断裂。对于X80钢，空气中拉断的断口为韧性断口，会有明显的颈缩区域[21]，因此，若断口出现脆性区域，表明材料受到氢的影响，发生氢脆开裂。

2.3 紧固圆盘压力试验(碟形爆破)

碟形爆破试样参照ASTM F1459-06《Standard Test Method for Determination of the Suscepitibility of Metallic Materials to Hydrogen Gas Embrittlement》进行，采用不同气体以一定的升压速率对环境舱进行增压，直到样品爆破，对比不同气体环境中的爆破压力，评价材料对环境的敏感性。测试装置如图1所示。

图1 蝶形爆破测试装置示意图Fig. 1 Schematic diagram of butterfly blasting test device

综合标准和实际管道运行环境，分别采用纯氦气(纯度为99.995%)、以及含氢煤制气进行试验。增压速率在标准规定的范围内进行选择。

根据标准规定，PHe/P煤制气的最大比率可以评价材料的氢脆敏感性：比率为1，材料对环境不敏感；比率高于2，材料对环境敏感，应避免在此种环境中使用；比率介于1～2，材料长时间暴露在这种环境中，可能会导致氢脆。

2.4 疲劳裂纹扩展试验

疲劳裂纹扩展试验参照ASME B31.12-2014和ASTM E647-2005 《测量疲劳裂纹增长率的标准试验方法》进行，试样壁厚应不低于管道壁厚的85%，TL方向取样。测试频率和应力比的选择对于氢脆敏感性的测试具有重要的影响，标准规定，评价气态氢气影响时，测试频率不应超过0.1 Hz，测试应力Kmin/Kmax不应低于0.1。文献表明[22]，氢对于材料的疲劳裂纹扩展行为有着十分重要的影响，其可能机制包括：加大疲劳裂纹的扩展速率、降低疲劳裂纹萌生的门槛值或同时耦合二者的作用。试验使暴露在常温常压和典型含氢煤制气环境中的试样承受疲劳载荷，比较氢对于材料疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹扩展门槛值的影响，从而有效评价材料对氢的敏感性。