氢气环境X80管线钢疲劳损伤行为研究

发布时间：2020-07-17 00:18

【摘要】：随着国内经济的发展,国内天然气消费市场将持续扩张,煤制天然气作为液化石油气和天然气的替代和补充,对于缓解国内天然气短缺,保障我国能源安全具有重要意义。煤制天然气(包括H_2、CO和CO_2等)通过管道传输时必须保证安全和传输效率。管线钢暴露在含有氢气介质的环境中时,氢原子进入材料内部并导致材料性能的退化,甚至可能产生裂纹进而引发灾难性后果。因此,研究管线钢在含氢环境中的疲劳性能具有非常重要的现实意义。本文以X80管线钢为研究对象,研究X80管线钢在氢气中的疲劳性能损伤行为。通过慢拉伸实验、疲劳裂纹扩展实验、断裂韧性实验、缺口疲劳寿命实验和断裂形貌的变化规律,研究氢气压力、应变速率和应力集中对X80管线钢母材、热影响区和焊缝在含氢环境中的疲劳性能损伤规律,最后研究喷丸处理对管线钢在含氢环境中疲劳损伤的抑制作用。氢气压力对X80管线钢疲劳性能的影响规律表明氢气损伤X80管线钢的疲劳性能,缺口试样的低周疲劳寿命在低压氢气环境下迅速下降并随氢气压力的增加而下降。在氢分压为0.6 MPa,疲劳载荷为20 kN时,X80缺口试样中裂纹在3000次循环后萌生。相比氮气中,X80管线钢的疲劳性能在裂纹萌生之前没有明显下降;当裂纹缓慢增长后,氢气会严重损害钢的疲劳性能。X80管线钢的疲劳裂纹扩展速率随氢压增加而增加,在0.6 MPa的氢分压下,氢加速疲劳裂纹扩展是疲劳寿命的降低的主要因素,裂纹萌生对疲劳寿命的影响随着氢气分压的增加而显著增加。应力集中与氢气对X80管线钢力学性能的协同作用规律表明氢气对管线钢的抗拉强度没有显著影响,但是降低材料的韧性(延伸率),应力集中促进氢致塑性损失。氢气中试样断裂表面主要为准解理断裂,氮气中的试样断裂表面为韧性断裂。应力集中会严重损伤材料的疲劳性能,氢脆敏感性随应力集中系数的增加先升高而后缓慢降低,在应力集中系数为2.1时达到最高。应力集中是疲劳寿命降低的主要因素,氢气的进入将促进疲劳寿命的降低。氢对X80焊缝和热影响区的影响规律表明氢气提高了X80焊缝和热影响区的裂纹扩展速率。0.6 MPa的氢气使焊缝组织的断裂韧性降低38.55%。当焊缝组织中存在焊接冷裂纹时,主裂纹扩展到冷裂纹附近时断裂模式由韧性断裂转变为脆性断裂,断裂韧性降低51.63%;焊缝中存在夹渣时(成分为Mn_3TiSi),夹渣导致焊缝断裂韧性下降63.92%,氢气的存在进一步促进含夹渣焊缝断裂韧性的降低,断裂韧性总体下降76.52%。热影响区的氢脆敏感性高于母材和焊缝,氢脆敏感性随着电流密度的增加和应变速率的降低而增加。裂纹扩展为阶梯型,长裂纹由五个或更多小裂纹连接在一起形成。采用喷丸处理抑制X80管线钢的氢脆敏感性。经过30 s喷丸处理,X80管线钢的抗氢脆性能提高,然而,随着喷丸时间的延长X80管线钢的抗氢脆性能下降。喷丸处理降低了钢的氢扩散系数,且随着喷丸时间的延长而下降。喷丸通过抑制裂纹萌生提高疲劳寿命,因此,缺口试样的疲劳寿命在氮气环境中提高了1.7倍,在氢气环境中提高了1.4倍。其中氢气主要通过加速试样中的裂纹扩展来降低材料的疲劳寿命。
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG142.1
【图文】：

示意图,管线钢,疲劳损伤,示意图

第1 章绪论钢输送气体时存在的压力波动会加剧氢对管线钢的损伤。这是交变载荷的相互作用下，其微观组织（驻留滑移带、位错、夹的第二相等）与氢会发生多维度复杂交互作用。图 1.1 展示了材到宏观失效断裂的演化过程。管线钢在氢和疲劳两者的交互作的安全隐患。目前的研究结果证明：材料在交变载荷作用下，命约占总疲劳寿命的 10～50%；氢加速裂纹的扩展，导致存在剧降低。因此，微观组织的转变强烈影响材料的失效过程。

氢脆,历程

中国石油大学（北京）博士学位论文低，并进一步加剧了循环（疲劳）加载结构的失效。当材料处于氢环境中，其损伤是非常复杂的过程，通常用“氢脆”来描述所有氢对材料造成的损害。但是严格意义上的氢脆包括内部氢协助裂化（IHAC）及氢气环境协助开裂（HEAC）。IHA是指氢原子的存在降低了材料的强度和抗裂性能，且材料在氢原子进入内部之后才承受载荷，其类型包括氢鼓泡[13]、氢致裂纹[14]、氢化物[15]以及氢致马氏体相变[16]等，这类损伤是不可逆的；而 HEAC 是指材料在发生受力变形的同时伴随着原子氢的侵入与扩散累积，氢和塑性变形相互作用于应力集中位置，如裂纹尖端表面和即将发生断裂的区域。

氢陷阱,原子尺度,材料,氢气

第1 章绪论氢引起材料失效的第一步是含氢环境中氢原子进入材料的过程，在这里境一般是指氢气、含氢煤制天然气和阴极保护过程中产生的氢等。分子状氢气一般通过如下步骤进入金属内部：（1）在材料表面发生碰撞从而吸附在；（2）物理吸附；（3）化学吸附；（4）吸附的氢原子少部分发生解吸附扩部，大部分复合成氢气逸散出去。（2）氢的扩散

【参考文献】