随着氢能利用的快速发展，管道输氢变得越来越重要。X80管线钢是目前高压输气管道中的主要材料之一，因其具有高强度、高韧性和良好的耐腐蚀性能而被广泛应用[1-5]。然而，氢环境下的材料性能会受到影响，氢脆成为制约管道输氢产业发展的重要问题[6-9]。焊接接头是氢脆的主要部位之一，因此，研究高压纯氢环境下X80管线钢焊接接头的氢脆敏感性规律非常重要。
国内外许多学者和研究人员针对氢环境对管线钢及焊接接头氢脆敏感性的影响展开了大量深入的研究[10-15]。Li等[16]通过扫描电镜和电子后散射方法，研究了不锈钢焊接接头在不同氢环境下的微观组织结构变化。结果发现，在氢环境下，焊接接头中的晶间裂纹异常显著，且聚集了大量的氢元素。Lu等[17]通过拉伸试验、扫描电镜和能谱分析，研究了氢环境对焊接接头氢脆敏感性的影响。结果表明，氢环境能显著提高焊接接头的氢脆敏感性。不锈钢与X80管线钢的金属微观结构存在显著差别，其焊接接头氢脆行为也存在明显不同。赵雪会等[18]研究了含氢煤制气环境中X80管线钢的氢脆敏感性，结果表明氢环境中X80钢的强度和塑性指标下降，缺口试样的三向应力集中区域受氢脆影响更为严重。该研究仅针对X80管线钢在常温常压的空气环境和0.96 MPa氢环境开展了研究。史昊等[19]同样对含氢煤制气环境中氢含量对X80管线钢氢脆敏感性的影响规律进行了研究，该研究采用氢气和氮气配成的混合气，最高氢分压仅为0.72 MPa。以上研究的氢分压均低于1 MPa，未涉及高压、纯氢环境，且未关注高压氢环境下焊接接头的氢脆敏感性。
本研究针对高压输气管道主要材料之一的X80管线钢焊接接头开展研究，解决前述研究中氢分压较低、焊接接头关注不足的问题，在高压6.3 MPa下纯氢环境中，对X80管线钢焊接接头试样的热影响区和焊缝进行取样，分别在高压纯氢及常压空气环境中开展冲击测试和慢应变速率拉伸性能测试，研究其力学性能和拉伸断口变化规律，对焊接接头热影响区和焊缝塑性指标及氢脆敏感性进行了分析，获得X80管线钢焊接接头在高压纯氢环境中的氢脆敏感性变化规律。
研究所使用的材料为X80管线钢，其化学成分如表1所列。接头的焊接工艺采用手工半自动焊，坡口采用V型设计，单边坡口角度约为23°，焊条选用低氢焊条E8010-G，焊接接头组织﹑材料均符合规定。图1所示为试样的正面和反面。
在X80管线钢试样的焊缝和热影响区位置取样，采用高温高压反应釜，在常温、6.3 MPa氢环境下充氢24 h，参照GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》进行试验[20]。试样尺寸如图2所示，缺口分别开在焊缝和热影响区。
参考ASTM G129—2021 Standard practice for slow strain rate testing to evaluate the susceptibility of metallic materials to environmentally assisted cracking（《用于缓慢应变速率测试以评估金属材料对环境辅助开裂的敏感性的标准实践》）[21]、GB/T 34542.2—2018《氢气储存输送系统 第2部分：金属材料与氢环境相容性试验方法》[22]，选用缺口拉伸试样，试样尺寸见图3。试验预充氢24 h后，采用慢应变速率拉伸试验方法，从材料在氢环境下的强度损失和塑性损失两方面，评价6.3 MPa氢环境下的氢脆敏感性。在试样的焊缝热影响区和焊缝处取样，每项试验取2个平行样，慢应变速率为2×10−6 s−1。
为了进一步分析断口宏观和微观形貌，观察断口主要形貌特征，获得不同位置的材料氢脆敏感性规律，采用SUPRA55场发射扫描电子显微镜，对试样拉伸后的断口进行微观观察。
图4所示为充氢后的冲击性能测试结果。由图4可知，热影响区的冲击吸收能量和冲击韧性均高于焊缝处，这主要是由于焊接过程中所施加的热量会强化在热影响区的微观结构和组织，而在焊肉区内使材料的硬度和脆性增加，韧性和冲击吸收能力下降。
拉伸试验所得位移和应力曲线如图5、图6所示。由图5、图6可以看到：在常压空气和6.3 MPa氢环境中，试样热影响区的拉伸强度均高于焊缝；在6.3 MPa氢环境中，试样焊缝位置的拉伸强度与在常压空气中相比变化不大。图5中6.3 MPa H2-2平行试验的热影响区强度有所降低，出现了应力突然下降的异常现象，这是因为热影响区组织比较复杂，不同取样位置的试样强度存在一定差异。
材料的韧、脆转变情况可结合断口的微观形貌分析，当材料发生韧性断裂时，断口处为韧窝形貌，当材料发生脆性断裂时，断口处为解理形貌。图7~图11所示为采用SEM观察到的拉伸试样断面的微观形貌。
由图7~图11观察断口中心位置、过渡位置和边缘位置的形貌特征可知，试样在常压空气中进行慢应变拉伸试验后，断口为典型的韧窝形貌，即发生了韧性断裂；在6.3 MPa氢环境中，氢原子由试样表面进入到试样中，断口边缘开始出现脆性断裂的解理形貌。用红色虚线将韧性断裂区域和脆性断裂区域区分开，红圈内部为韧性断裂区域，红圈外部为脆性断裂区域。韧性断裂区域越大，说明材料抗氢脆敏感性越高。相比于常压空气环境，6.3 MPa高压纯氢环境中，试样热影响区中心位置可观察到多处解理形貌，焊缝中心位置有大量解理形貌，说明氢气已经导致试样中心位置发生脆性转变。断口微观分析表明，高压纯氢环境会对试样热影响区和焊缝位置产生显著的氢脆影响。
为了进一步研究高压纯氢环境对X80钢焊缝和热影响区塑性损失的影响，分别计算试样在常压空气和在6.3 MPa氢环境中缺口拉伸测试断面收缩率、延伸率和拉伸强度等塑性指标，计算公式如式（1）~式（3）所示。
式中：$ A $表示断面收缩率，%；$ {{A}}_{0} $表示原始截面积，cm2；$ {{A}}_{\mathbf{f}} $表示断后截面积，cm2；$ {E} $为延伸率，%；$ {L}_{\mathrm{f}} $表示断后长度，cm；$ {L}_{0} $表示原始长度，cm；$ \mathrm{\delta } $表示拉伸强度，N；$F $表示破断载荷，N·cm2。
计算测试试样各项塑性指标，为了能更直观对比高压纯氢环境和常温常压环境下不同取样位置的性能差异，对计算得到的断面收缩率、延伸率和抗拉强度取平均值，结果如图11和图12所示。
由图11和图12可见，6.3 MPa纯氢环境下，热影响区和焊缝位置的断面收缩率、延伸率和抗拉强度相比于常温常压空气环境均表现出不同程度的下降，即高压纯氢环境导致焊接接头的力学性能下降。这主要是因为，纯氢在高压下更易在金属晶界、空隙、裂纹等位置聚集，同时氢还会在金属结构内部沿着应力梯度的方向扩散，并与金属元素发生反应，形成氢化物，加速金属的应力腐蚀和氢脆，从而导致焊接接头延伸率下降和抗拉强度降低。
热影响区的抗拉强度下降幅度最大，达到了19.2%，除了上述原因之外，可能还因为高压纯氢环境导致材料中的氢原子含量增加，从而降低了热影响区中的晶界能量，导致晶界损伤和裂纹扩展，造成热影响区的抗拉强度显著下降。
用暴露到含氢环境中和非含氢（常温常压空气）环境中相同试样的塑性指标比值来评定氢脆敏感性，记为P，如式（4）所示。比值偏离越大，则氢脆敏感性越高。
试样在6.3 MPa纯氢环境下断面收缩率和延伸率的测试结果与在常压空气下的结果比值如图13所示。
由图13可知，热影响区和焊缝的断面收缩率比值分别达到了0.41和0.39。通常超过0.3的断面收缩率损失即认为材料具有明显脆性，表明X80管线钢热影响区和焊缝在6.3 MPa纯氢环境中存在显著的氢脆敏感性。相比于热影响区，焊缝的断面收缩率和延伸率损失更大，即焊缝在6.3 MPa纯氢环境下的氢脆敏感性更高。
另外，延伸率下降率也是评价材料的氢脆敏感性的指标之一。延伸率下降率的计算公式见式（5），计算结果如图14所示。
式中：$ y_E $表示延伸率下降率，%；$ {E}_{\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{r}} $表示试样在空气中的延伸率，%；$ {E}_{{\mathrm{H}}_{2}} $表示在氢气中的延伸率，%。
由图14可知，热影响区延伸率下降率为13.98%，焊缝为29.80%。延伸率下降率越大，氢脆敏感性越高，即相比于热影响区，焊缝在高压纯氢环境下的氢脆敏感性更高，这是由于焊缝经历了液态金属形成过程中的应力、形变和裂缝扩展等影响，容易出现应力集中和应力腐蚀等现象，而热影响区仅受到加热和冷却过程的影响，存在一定的残余应力和晶粒结构变化。由此说明，高压纯氢环境对应力集中和应力腐蚀集中区域的氢脆影响更为显著。
1） 6.3 MPa纯氢环境下，X80管线钢焊接接头表现出一定的氢脆敏感性，相比于热影响区，焊缝对氢脆更为敏感。
2） 相比于常压空气环境，6.3 MPa纯氢环境下慢应变拉伸试验试样断口边缘出现脆性断裂的解理形貌，发生了韧性断裂向脆性断裂转变。
3） 6.3 MPa纯氢环境下断面收缩率、延伸率和抗拉强度均低于常压空气环境，塑性指标比值偏离１，焊缝的延伸率下降率明显，高压纯氢环境中焊接接头抗氢脆敏感性显著下降。
2025, Vol. 54 Issue (1): 118-124 2025, Vol. 54 Issue (1): 118-124