应力与微观结构对X80含氢天然气管道接头中氢扩散的影响

《International Journal of Hydrogen Energy》：Influence of stress and microstructure on hydrogen diffusion in X80 hydrogen-blended natural gas pipeline joints

氢扩散行为在X80焊接接头中的研究采用实验表征与数值模拟结合的方法，揭示了不同热影响区（BM、CGHAZ、ICHHAZ）因焊接热循环导致的微结构差异对氢扩散系数的影响规律。基体金属（BM）位错密度最高（7.46×10?? cm2/s）且氢浓度分布均匀，而粗晶区（CGHAZ）因晶界偏析形成高应力梯度，部分转变区（ICHHAZ）因铁素体与贝氏体混合结构扩散系数最低（5.71×10?? cm2/s）。研究证实应力场与微结构协同作用通过“应力集中-氢富集”正反馈机制主导氢扩散行为，为氢致裂纹防控提供了量化依据。

　　

薛海阳|李晓|孙建南|张天航|杜娇伟|庞德龙|王丹

西安石油大学材料科学与工程学院，中国西安，710065

摘要

本研究采用实验表征和数值模拟相结合的方法，分析了X80管道钢焊接接头中的氢扩散规律。由于焊接热循环的影响，X80接头不同区域的微观结构存在显著差异。基体金属的氢扩散系数最高（7.46 × 10^?6 cm²s^?1），而不完全结晶区的氢扩散系数最低（5.71 × 10^?6 cm²s^?1）。基体金属通过高密度位错实现均匀的应变传递，从而形成最均匀的氢浓度分布。粗晶热影响区由于晶粒粗化而出现应变集中；而亚临界热影响区由于微观结构不均匀性形成高应力梯度——这两种现象共同构成了“应力集中-氢富集”的正反馈循环。本研究的结果可为X80含氢管道接头的氢渗透评估提供理论支持。

引言

在输送含氢天然气和纯氢等介质的长距离管道领域，X80管道钢因其高强度和高韧性而被广泛使用。其接头区域主要受到焊接残余应力的影响，在服役过程中还需承受由内压引起的环向应力与轴向应力共同作用的双轴拉伸应力[[1], [2], [3], [4]]。然而，接头中的氢渗透行为直接影响其机械性能和使用寿命，对管道的安全运行构成严重威胁。因此，研究在双轴应力与微观结构协同作用下的X80接头氢扩散规律是确保含氢管道稳定运行的关键。

材料的微观结构是影响氢扩散系数和氢浓度的关键因素[[9], [10], [11]]。扩散系数和浓度是氢渗透和氢捕获行为的重要指标[[12], [13], [14]]。X80钢中的氢存在于晶格间隙、位错、晶界、析出相和微裂纹中[[15]]。X80钢通常由多边形铁素体和贝氏体铁素体基体组成，马氏体/奥氏体（M/A）相沿晶界分布[[16]]。这种复杂的微观结构影响了氢陷阱的数量和类型，这些陷阱在氢渗透过程中既阻碍氢的渗透，又促进氢的富集[[17]]。塑性变形引起的氢陷阱主要由产生的位错形成，这些陷阱可以捕获氢原子，从而降低可扩散氢的含量并促进材料中的氢富集[[18,19]]。钒（V）微合金化元素通过形成纳米级钒析出物增加氢陷阱的数量并提高氢捕获效率，从而降低氢扩散系数[[20], [21], [22]]。在粗晶热影响区（CGHAZ），焊接热循环导致晶粒显著粗化和严重的晶界偏析，这种微观结构促进了大量氢陷阱的形成，这些陷阱主要位于晶界[[23]]。这些陷阱捕获并富集氢原子，使晶界成为高氢浓度的薄弱区域，因此该区域对氢诱导裂纹的敏感性最高，在断裂时表现出明显的晶间脆性特征[[24], [25], [26], [27]]。

宏观应力场的存在是影响氢渗透和氢捕获行为的另一个关键因素[[28], [29], [30]]。在弹性变形阶段，拉伸应力的增加会略微提高扩散系数并显著提高钢材的饱和氢浓度，导致材料变脆[[31,32]]。当材料进入微塑性变形阶段时，情况变得更加复杂。此阶段的塑性变形不仅会触发氢捕获系统的动态重构——一些原始氢陷阱因晶粒滑移而失效并释放氢原子——还会伴随大量位错氢陷阱的产生，导致有效氢扩散系数的不稳定波动。氢原子与移动的位错形成动态耦合效应，并通过吸附和携带位错应力场迁移至应力集中区域。通过电化学渗透试验和慢应变速率拉伸（SSRT）实验发现，拉伸应力会增加X80钢的氢扩散系数[[33], [34], [35]]。焊接残余应力显著影响氢渗透行为，在X80管道钢的焊缝区域会直接导致局部氢富集。

目前，学术界对X80管道钢整体的氢渗透行为进行了较为系统的研究，并在氢扩散特性、氢捕获效应及影响因素等方面取得了丰富成果[[36]]。然而，在管道工程关键连接部位的X80焊接接头氢渗透行为研究方面仍存在明显不足。现有研究大多关注单一应力状态或单一微观结构对氢扩散的影响，未能实现“微观结构-双轴应力-氢陷阱-氢扩散”的全链条耦合分析。为了弥补现有研究的不足，本研究采用“实验表征-数值模拟”的多维耦合方法：通过盲孔法测量接头残余应力，在恒定双轴拉伸载荷下通过电化学氢渗透试验量化氢扩散参数，利用SEM/EBSD/TEM表征微观结构，并基于EBSD数据建立晶体塑性有限元方法（CPFEM）-氢扩散耦合模型。该方法的优势在于突破了单一实验或模拟的局限性，实现了“应力测量-氢渗透试验-微观结构表征-模型预测”的全链条研究过程，能够准确量化双轴应力对不同区域氢扩散的影响规律，阐明微观结构与氢扩散之间的内在关联，为X80含氢管道接头的氢渗透评估提供支持。

实验材料

实验材料

本研究中用于天然气输送的X80管道对接接头采用Φ1219 mm × 18.4 mm的焊接管规格，接头熔合宽度为12 mm，热影响区（HAZ）宽度为1 mm。X80管道钢是一种低碳低合金高强度钢，选用的焊接材料为ER70S-6。其化学成分见表1。

应力测量

根据GB/T 31310-2014《金属材料—残余应力测定—钻孔应变计法》标准进行应力测量。

微观结构

如图5(a)和(b)所示，X80钢主要由细小的针状铁素体组成。远离热源的部分转变区，焊接热的影响较小，如图5(c)和(d)所示。800°C的峰值温度仅导致基体金属部分奥氏体化。加热过程中，未奥氏体化的铁素体晶粒聚集并生长到一定程度；冷却后，奥氏体化的铁素体主要转变为细小颗粒。

结论

• 1.
  X80接头不同区域的微观结构受焊接热循环的控制，这决定了各区域的基本氢扩散特性。基体金属（BM）具有均匀的晶粒和高密度的位错，其最大氢扩散系数为7.46 × 10^?6 cm²s^?1。在800°C加热后，不完整结晶区（ICHAZ）形成铁素体-珠光体混合结构，在无应力条件下的最小氢扩散系数为5.71 × 10^?6 cm²s^?1。
• 2.

作者贡献声明

薛海阳：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，方法学研究，资金获取，数据分析，概念构建。 李晓：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，项目管理，方法学研究，数据分析，概念构建。 孙建南：撰写 – 原稿撰写，软件使用，资金获取，数据分析。 张天航：数据可视化，结果验证，项目管理，方法学研究，数据分析。

数据可用性声明

本研究支持的数据可向相应作者索取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了西安石油大学“研究生创新计划”基金（项目编号：YCS23213156）的支持。