隨著全球能源向低碳化、無碳化、低污染的方向發(fā)展，氫能的開發(fā)和利用備受關(guān)注。現(xiàn)如今，氫能被視為綜合能源供給系統(tǒng)的重要載體，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的助推劑，是新興產(chǎn)業(yè)的催化劑，同時(shí)也是能源技術(shù)變革的方向標(biāo)。因此，發(fā)展氫能有利于推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，這對(duì)能源發(fā)展有著跨時(shí)代的意義[1]。

氫能儲(chǔ)運(yùn)是氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的最為重要的一環(huán)。在現(xiàn)有氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)中，管道輸送是實(shí)現(xiàn)長距離輸運(yùn)、氫能大規(guī)模利用的重要方式。利用已有天然氣管網(wǎng)以摻氫天然氣的形式輸送氫氣最具經(jīng)濟(jì)性[2]。美國、歐洲、日本等國現(xiàn)已開展了多個(gè)純氫及天然氣管線摻氫示范項(xiàng)目。近年來，我國也相繼出臺(tái)了一系列關(guān)于氫能發(fā)展規(guī)劃，制訂《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》，在“十四五國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃氫能專項(xiàng)”中明確指出要大力發(fā)展氫氣的儲(chǔ)運(yùn)和氫能利用技術(shù)等[3]。截至2021年，我國長輸天然氣管線總里程近11 × 104 km，西氣東輸二、三線干線均采用高強(qiáng)度管線鋼X80進(jìn)行天然氣輸送，其中僅X80管線總長就列居世界第一，開展天然氣管網(wǎng)摻氫輸送可快速實(shí)現(xiàn)氫氣的長距離輸送[4]。一方面，我國純氫/摻氫管道建設(shè)示范項(xiàng)目如火如荼；另一方面，摻氫管道服役安全保障技術(shù)需求迫切。將氫氣摻入天然氣管網(wǎng)進(jìn)行混輸帶來一個(gè)潛在問題是鋼制管道的氫脆。管內(nèi)部輸送介質(zhì)中的氫分子可以吸附于管道內(nèi)壁，分解成氫原子后可進(jìn)入管材內(nèi)部，導(dǎo)致管線鋼發(fā)生氫損傷[5~8]。高強(qiáng)度管材由于其特殊組織結(jié)構(gòu)和強(qiáng)化相的分布，在臨氫環(huán)境中服役時(shí)的損傷敏感性要明顯高于低強(qiáng)度管材。此外，長輸埋地管道的鋪設(shè)連接主要依靠環(huán)焊縫焊接工藝來完成，在焊接熱循環(huán)過程中管線鋼經(jīng)歷著一系列復(fù)雜的變化，微觀組織及焊接殘余應(yīng)力的不均勻性使得焊縫及熱影響區(qū)的氫滲透擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)過程發(fā)生了變化，焊縫及熱影響區(qū)易成為地下管線氫脆的薄弱環(huán)節(jié)。因此，了解并控制管材和焊縫的氫損傷行為，對(duì)氫氣管道建設(shè)、選材及安全維護(hù)尤為重要。

本文綜述了摻氫天然氣與管材及其焊接區(qū)的相容性問題，氫滲透過程及研究方法，從氫滲透行為角度分析了氫在管材內(nèi)的吸附和擴(kuò)散以及氫原子進(jìn)入到管材內(nèi)部引發(fā)的多種氫損傷形式，并從影響因素等方面綜述了摻氫管材及焊接組織的氫損傷形式和機(jī)理。研究結(jié)果可為摻氫天然氣管材的選擇、設(shè)計(jì)及安全服役提供理論基礎(chǔ)，促進(jìn)氫能經(jīng)濟(jì)的安全穩(wěn)定發(fā)展。

目前，雖然天然氣管網(wǎng)輸送技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，但在管線中摻入氫氣會(huì)帶來新的技術(shù)問題和服役安全問題。摻氫天然氣會(huì)使管道材料的韌性下降，疲勞裂紋擴(kuò)展速率加快，氫致開裂的臨界門檻應(yīng)力降低，甚至導(dǎo)致管材力學(xué)性能的不可逆劣化[9]。特別是在高壓富氫管網(wǎng)中，管材及焊接區(qū)域失效風(fēng)險(xiǎn)增大，從而影響輸氫管網(wǎng)的服役安全性[10]。因此，開展現(xiàn)役天然氣管線材料與摻氫天然氣的相容性研究尤為重要。

氫與輸氫管材的相容性研究主要針對(duì)管線的服役狀態(tài)，對(duì)輸氫管材的力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)估，探究不同摻氫比與輸送壓力之間的相關(guān)性，以分析何種管材能滿足不同輸氫壓力以及摻氫比。近年來，國內(nèi)外制定了金屬材料與氫相容性的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，例如ANSI/CSA HGV 4.10和GB/T 34542.2-2018。這些標(biāo)準(zhǔn)明確指出測(cè)試過程均在氣相充氫環(huán)境中進(jìn)行，測(cè)試方法主要有慢應(yīng)變速率拉伸(SSRT)試驗(yàn)、疲勞壽命試驗(yàn)、斷裂韌度試驗(yàn)和疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)。此外，電化學(xué)充氫試驗(yàn)可以加快氫原子滲入管材，在短時(shí)間內(nèi)提高管材的氫濃度，主要用于氫損傷研究[11]。其中，根據(jù)服役環(huán)境的不同，氫損傷主要分為氣態(tài)氫損傷和溶液氫損傷。

自20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)管道內(nèi)環(huán)境氫脆試驗(yàn)開展了相關(guān)研究，測(cè)試了氣態(tài)環(huán)境內(nèi)充氫對(duì)管材的拉伸性能、斷裂韌性以及疲勞裂紋擴(kuò)展的影響。研究表明，X52、X60、X65和X70管線鋼在富氫環(huán)境中的斷面收縮率和抗拉強(qiáng)度均有所下降，并且隨著氫分壓的增大，斷面收縮率逐漸下降[12,13]。Amaro等[14]在富氫環(huán)境中對(duì)X52和X100管線鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展性能進(jìn)行了測(cè)試，表明疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨氫氣壓力的升高而加快，并基于試驗(yàn)結(jié)果建立了疲勞裂紋擴(kuò)展預(yù)測(cè)模型。Nanninga等[15]在10 MPa純氫環(huán)境中對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的管線鋼進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果表明X80管線鋼韌性下降高達(dá)67%，氫脆敏感性隨管線鋼強(qiáng)度等級(jí)提高而顯著增加。Lee等[16]對(duì)X65管線鋼在20 MPa氫氣環(huán)境中進(jìn)行原位拉伸試驗(yàn)，相較于空氣環(huán)境中的抗拉強(qiáng)度下降了3.4%，延伸率下降了4.1%。Meng等[17]在12 MPa壓力下測(cè)試了不同摻氫比條件對(duì)X80管線鋼力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明隨氫氣體積分?jǐn)?shù)增大，X80管線鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率顯著加快。An等[18]研究了X80管線鋼在富氫環(huán)境中的低周疲勞和疲勞裂紋擴(kuò)展特性，結(jié)果表明隨著氫氣壓力的升高，疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯增加，管道失效周期呈指數(shù)下降。Wasim和Djukic[19]從微觀尺度探究了氫原子導(dǎo)致金屬基材原子結(jié)合能下降的機(jī)制，還有學(xué)者認(rèn)為在高壓富氫環(huán)境中，滲入的氫原子可以限制位錯(cuò)和晶格內(nèi)部金屬原子的運(yùn)動(dòng)，提高顯微彈性模量及顯微硬度，導(dǎo)致鋼材發(fā)生脆性斷裂。

氣相充氫試驗(yàn)可以原位模擬金屬材料在氫環(huán)境中的行為，但在低壓條件下，氫原子難以滲入管材內(nèi)部，預(yù)充氫耗時(shí)較長。因此，實(shí)驗(yàn)室通常采用電化學(xué)充氫快速評(píng)價(jià)氫與管材的相容性。該方法利用電解過程的陰極效應(yīng)加速氫原子滲入金屬內(nèi)部，使金屬材料在短時(shí)間內(nèi)獲得較高的氫濃度，再進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)評(píng)價(jià)氫脆敏感性。電化學(xué)充氫試驗(yàn)條件易于控制，操作方便。因此，廣泛應(yīng)用于氫與金屬相容性研究[20~22]。

封輝和朱興華[23]探究了不同應(yīng)力三軸度下電化學(xué)充氫對(duì)X80管線鋼力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明電化學(xué)充氫能夠降低材料的缺口試樣抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率，隨著應(yīng)力三軸度的增加，缺口位置應(yīng)力集中程度增加，氫更容易在該處聚集。Li等[24]探究了電化學(xué)充氫下溫度對(duì)管線鋼氫擴(kuò)散和氫脆的影響規(guī)律，表明氫擴(kuò)散系數(shù)D與溫度T之間遵循Arrhenius方程，隨溫度的降低D呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。Asadipoor等[25]采用原位、非原位充氫拉伸試驗(yàn)和原位電化學(xué)微懸臂彎曲試驗(yàn)(圖2b2)，對(duì)X70管線鋼的氫脆進(jìn)行了宏觀和微觀尺度的研究，從圖2b2中能夠明顯看出電化學(xué)充氫后懸臂根部有明顯的裂紋，摻氫條件下的氫脆敏感性遠(yuǎn)大于未摻氫條件。

對(duì)于輸氫管道而言，管線鋼處于氣態(tài)氫環(huán)境，與電化學(xué)滲氫過程有所不同。氫氣分子必須先分解成氫原子，才能滲入管線鋼，這一過程受氫的溶解平衡控制。當(dāng)管道壓力不高時(shí)，根據(jù)西弗特定律，鋼表面氫的溶解度很低。換言之，管道內(nèi)表面的氫吸附與脫附平衡，使表面的氫濃度無法達(dá)到較高水平。相比之下，電化學(xué)“陰極滲氫”可以使氫原子在管道內(nèi)壁建立高濃度，從而驅(qū)動(dòng)表面氫原子向管線鋼內(nèi)部滲透。因此，電化學(xué)滲氫通常是單向的非平衡過程。

滲入鋼中的氫是誘發(fā)材料力學(xué)性能退化的關(guān)鍵因素之一，氫進(jìn)入輸氫管材及焊接接頭內(nèi)部需要經(jīng)歷一系列過程[26]，包括物理吸附、解離、化學(xué)吸附和擴(kuò)散。由于組織不均勻和應(yīng)力集中等，焊縫區(qū)域成為管線鋼氫損傷最薄弱的位置[27,28]。因此，研究摻氫天然氣管材及焊縫的氫滲透行為及機(jī)理尤為關(guān)鍵。當(dāng)前的研究手段主要集中在實(shí)驗(yàn)與模擬計(jì)算兩方面，為管材和焊縫的氫滲透行為提供了更深入的見解。

張敬強(qiáng)等[29]探究了低碳鋼焊接接頭的氫吸附和擴(kuò)散過程。研究表明，母材的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散電流大于焊縫，而氫擴(kuò)散系數(shù)小于焊縫。Sun和Cheng[30]研究了X80焊接接頭在彈性和塑性應(yīng)力下的氫滲透過程，結(jié)果表明塑性變形有利于氫在焊縫的滲透和聚集，尤其是在熱影響區(qū)，氫和應(yīng)力的協(xié)同作用使得局部區(qū)域的氫致開裂敏感性增強(qiáng)。Gou等[31]采用電化學(xué)氫滲透測(cè)試，研究了不同熱輸入條件下X80鋼的沖擊斷裂性能(如圖3所示)。研究表明，當(dāng)組織中含有較多的板條狀貝氏體(LB)時(shí)，粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)具有更強(qiáng)的抗沖擊斷裂能力。H原子能夠削弱晶界處的Fe-Fe鍵，導(dǎo)致氫脆。與粒狀貝氏體(GB)相比，含LB的微觀組織需要更高的H濃度才能導(dǎo)致穿晶脆性斷裂。還有研究指出，管線鋼焊接接頭區(qū)域的組織多為針狀鐵素體，鐵素體相互交織形成晶界網(wǎng)絡(luò)，為氫擴(kuò)散提供路徑，從而導(dǎo)致焊接接頭區(qū)域相對(duì)于母材具有較高的氫滲透速率和表面氫濃度。但在焊接過程中，由于晶粒粗化、夾雜物和滲碳體增多，會(huì)阻礙氫擴(kuò)散，導(dǎo)致焊接組織的氫滲透速率下降。其中，Dong等[32]研究表明，X100母材具有較低的氫陷阱密度，而熱影響區(qū)(HAZ)則具有較高的氫陷阱密度，HAZ的氫擴(kuò)散系數(shù)和氫滲透速率都低于母材。所以不能單一的去評(píng)價(jià)焊接區(qū)的氫滲透行為，應(yīng)當(dāng)找到影響氫滲透行為的主控因素，因此在進(jìn)行氫滲透行為研究時(shí)要對(duì)材料的微觀組織，晶體結(jié)構(gòu)，力學(xué)參數(shù)乃至焊接過程中的熱值參數(shù)都要逐一考慮。

創(chuàng)建理論模型進(jìn)行模擬計(jì)算可以有效彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)的不足，用以研究管材表面氫的覆蓋度、吸附能以及吸附解離過程。主要的模擬計(jì)算方法包括分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算、第一性原理以及有限元模擬等。王春璐等[33]研究了H2在Fe金屬(110)面的吸附解離過程，闡述了Fe(110)與氫分子之間的物理吸附關(guān)系，并基于密度泛函理論計(jì)算出解離后的H原子與鐵之間是化學(xué)吸附關(guān)系，H2到H原子的解離吸附過程如圖4所示。研究表明Fe對(duì)Ｈ2有極高的解離活性，F(xiàn)e原子通過將外層d軌道的電子填入σ*，能夠弱化H-H間的作用強(qiáng)度。Chohan等[34]采用第一性原理，計(jì)算了氫原子從吸附到擴(kuò)散進(jìn)入γFe(100)、(110)、(111)面的過程(如圖5所示)，其中(100)表面的勢(shì)壘為1.4 eV，(110)表面的勢(shì)壘為1.2 eV，(111)表面的勢(shì)壘為1.7 eV，這說明(111)表面暴露在含氫環(huán)境中，其中奧氏體鋼(111)密排面擴(kuò)散能壘最高，擴(kuò)散最難。薛景宏等[35]通過建立有限元模型，探究了有無殘余應(yīng)力時(shí)管材的氫濃度分布狀態(tài)(如圖6所示)。結(jié)果表明，殘余應(yīng)力改變了氫的分布狀態(tài)，且經(jīng)過熱處理后管材的氫濃度分布與未經(jīng)熱處理時(shí)基本一致，但氫濃度值明顯降低。張?bào)w明等[36]利用ABAQUS軟件建立了X80鋼螺旋焊管三維模型，并對(duì)焊接接頭的氫擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，殘余應(yīng)力和組織不均勻都會(huì)導(dǎo)致氫擴(kuò)散的發(fā)生，并且發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力的影響大于組織不均勻性的影響，存在殘余應(yīng)力的焊縫區(qū)的氫濃度是比不考慮殘余應(yīng)力時(shí)的2.7倍。

通過實(shí)驗(yàn)表征和多種模擬方法對(duì)氫在管線鋼表面及焊接接頭區(qū)域的吸附、解離以及擴(kuò)散過程進(jìn)行研究，有助于理解氫滲透過程及預(yù)防摻氫管材的損傷行為。這些研究不僅為管材在氫環(huán)境下的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)，還為實(shí)際工程中的防護(hù)措施和材料改進(jìn)提供了參考。

管材及焊接接頭中化學(xué)元素的差異會(huì)顯著影響氫致?lián)p傷行為。合金化過程中，沉積硬化、固溶強(qiáng)化以及元素偏析均會(huì)引起顯微組織的變化，進(jìn)而影響材料的力學(xué)性能。在高強(qiáng)度管線鋼中，C含量通常控制在0.1%以內(nèi)。碳的主要作用是穩(wěn)定力學(xué)性能，但隨著C含量增加，碳化物含量也隨之增加，形成更多氫陷阱，導(dǎo)致氫擴(kuò)散系數(shù)下降和氫溶解度增加[37]。Si含量增加會(huì)降低氫在鋼中的擴(kuò)散系數(shù)，從而減緩氫致開裂擴(kuò)展速率。焊接過程中，S和Mn可形成MnS夾雜物，這些夾雜物作為氫陷阱，誘導(dǎo)氫聚集并成為氫致開裂(HIC)形核的位置，因此應(yīng)避免MnS的形成[38,39]。此外，P的偏析可能導(dǎo)致局部區(qū)域的硬化，增加對(duì)HIC的敏感性。盡管Cr通常被認(rèn)為是有害元素，但Cr可以抑制氫致沿晶斷裂的發(fā)生。而Ni則能促進(jìn)奧氏體的生成，從而降低HIC敏感性。

管線鋼及其焊接接頭的顯微組織主要由鐵素體和珠光體構(gòu)成，這種條狀組織結(jié)構(gòu)會(huì)影響氫的擴(kuò)散系數(shù)。在熱處理過程中，部分鐵素體-珠光體微觀組織會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧铊F素體與貝氏體，從而提高管線鋼的強(qiáng)度和韌性，并對(duì)氫擴(kuò)散產(chǎn)生一定影響。氫原子在鐵素體中的擴(kuò)散速率高于奧氏體，而面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體則會(huì)阻礙氫的擴(kuò)散，因而HIC敏感性較低[40]。

然而，成片的馬氏體組織對(duì)氫致開裂的敏感性明顯高于其他顯微組織。當(dāng)管材中碳當(dāng)量較高時(shí)，低溫相變生成較大的馬氏體或魏氏組織，增加了氫陷阱密度，誘導(dǎo)氫的聚集，為氫致裂紋的形成創(chuàng)造了條件，因此氫致開裂敏感性較高[41~43]。此外，當(dāng)管材和焊接區(qū)域中含有較多缺陷、位錯(cuò)密度和M-A島等硬化組織時(shí)，其氫脆敏感性也會(huì)顯著增加[44]。Momotani等[45]研究了奧氏體晶界，發(fā)現(xiàn)氫更容易在奧氏體晶界處聚集，并產(chǎn)生明顯的氫致裂紋(如圖7)。Tian等[46]的研究顯示，充氫過程中大角度晶界比小角度晶界對(duì)氫致開裂的敏感性更高，其主要原因是由于原始奧氏體晶界(PAGB)相對(duì)于板條界(LB)具有更高的氫結(jié)合能和較低的結(jié)合強(qiáng)度，因此能迅速達(dá)到開裂所需的局部氫濃度。此外，由圖8還可見，PAGB捕獲的原子更多，自由體積內(nèi)的氫濃度相對(duì)較低，這也反應(yīng)了大角度晶界氫致開裂敏感性更高。Zhu等[47]采用原子探針顯微鏡(APT)研究了QP980鋼充氫后的元素分布，結(jié)果表明氫主要集中在C含量較高的區(qū)域，且氫在奧氏體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(約3.4 × 10-3%)是馬氏體的3倍。張?bào)w明等[36]通過高壓氣相氫滲透實(shí)驗(yàn)測(cè)定了焊接接頭各區(qū)的氫擴(kuò)散參數(shù)(如圖9)，結(jié)果顯示CGHAZ區(qū)域的穩(wěn)態(tài)氫電流密度最大，表明顯微組織的差異會(huì)顯著改變氫擴(kuò)散參數(shù)。顯微組織的差異性對(duì)于氫滲過程有重要影響，氫原子進(jìn)入管材后會(huì)引發(fā)多種形式的氫損傷行為。其中，袁瑋等[48]評(píng)估了不同顯微組織下X100的氫致開裂敏感性，研究表明原始鐵素體-貝氏體組織試樣HIC敏感性最高(如圖10)。

王萬里等[49]探究了X60和X70管線鋼母材及焊接組織的氫損傷敏感性。研究表明，X60和X70管線鋼斷口均顯示出明顯的剪切韌窩，但在其焊接接頭熱影響區(qū)可見一定深度的氫脆區(qū)。此外，強(qiáng)度等級(jí)更高的X70焊接接頭氫脆區(qū)出現(xiàn)了明顯的準(zhǔn)解理斷裂形貌。李玉星等[50]以X52和X80鋼為試驗(yàn)對(duì)象，分析了氫分壓對(duì)材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率及氫脆指數(shù)的影響。研究表明，X52和X80鋼的塑性逐漸下降，但強(qiáng)度等級(jí)更高的X80鋼氫脆程度更為明顯。王濤和王榮[21]采用電化學(xué)充氫方式研究了X70和X80鋼中的氫擴(kuò)散行為，發(fā)現(xiàn)充氫電流密度的平方根與表觀氫濃度呈線性關(guān)系，并且強(qiáng)度等級(jí)更高的X80鋼表觀氫濃度高于X70鋼。主要原因是高強(qiáng)度管線鋼中晶界處往往會(huì)存在應(yīng)力集中或缺陷，這些缺陷有助于氫原子的聚集，這使得強(qiáng)度等級(jí)較高的管線鋼HIC敏感性更高。

在采用天然氣管網(wǎng)進(jìn)行輸氫時(shí)，管材一般會(huì)受到殘余應(yīng)力和拘束應(yīng)力的影響。殘余應(yīng)力主要來源于焊接冷卻收縮過程中低溫區(qū)金屬的約束力及局部組織相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。焊接組織的殘余應(yīng)力通常大于母材本身，在應(yīng)力作用下氫容易在此聚集，特別是在熱影響區(qū)(HAZ)，該區(qū)域極易發(fā)生氫致?lián)p傷行為。此外，管材在服役過程中還會(huì)受到外部拘束應(yīng)力(彈性應(yīng)力和塑性應(yīng)力)的影響。彈性應(yīng)力作用下，晶格大小發(fā)生改變，原子間空隙增大，導(dǎo)致氫滲透電流密度增加。塑性應(yīng)力則通過改變位錯(cuò)密度來影響氫滲透行為和氫脆敏感性[51]。在塑性應(yīng)力的初始階段，由于拘束應(yīng)力的存在，材料會(huì)出現(xiàn)大量位錯(cuò)和不可逆氫陷阱，氫被捕獲，導(dǎo)致滲透電流密度下降；隨著塑性應(yīng)力的增大，滲入金屬內(nèi)部的氫與位錯(cuò)交互作用，形成氫原子氣團(tuán)進(jìn)入氫擴(kuò)散通道，氫滲透電流密度開始增加。當(dāng)氫陷阱中捕獲的氫和位錯(cuò)中擴(kuò)散的氫達(dá)到平衡時(shí)，測(cè)得的滲氫電流處于穩(wěn)定狀態(tài)[52,53]。

Birnbaum和Sofronis[54]探究了塑性條件下的氫擴(kuò)散行為，表明由于應(yīng)力集中形成大量位錯(cuò)，位錯(cuò)與氫一起運(yùn)動(dòng)，塑性應(yīng)力會(huì)增強(qiáng)了氫促失效過程。而張統(tǒng)一等[55]認(rèn)為，位錯(cuò)既可作為氫陷阱捕獲氫原子而降低氫的滲透，又能降低擴(kuò)散能壘，促進(jìn)氫原子的擴(kuò)散，且運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)可以作為氫擴(kuò)散載體，即應(yīng)力對(duì)氫滲透的影響具有兩面性。Park等[56]以EH36鋼為基礎(chǔ)，預(yù)變形后進(jìn)行電化學(xué)氫滲透研究，表明20%應(yīng)變時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)是原來的十分之一，氫含量上升3倍。Sun和Cheng[30]對(duì)X80鋼母材及熱影響區(qū)在彈性應(yīng)力和塑性應(yīng)力下進(jìn)行了電化學(xué)氫滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)施加彈性應(yīng)力時(shí)，氫滲透速率增加；施加塑性應(yīng)力時(shí)，氫捕獲密度增加，導(dǎo)致氫擴(kuò)散速率下降。

由上述文獻(xiàn)可以看出，應(yīng)力和應(yīng)變對(duì)氫滲透的影響主要來源于應(yīng)力引起的位錯(cuò)。位錯(cuò)既是氫的擴(kuò)散通道，又可以作為氫原子的捕獲陷阱。蔣文春等[57]通過有限元模擬研究了焊接殘余應(yīng)力對(duì)氫擴(kuò)散的影響，結(jié)果表明焊接殘余應(yīng)力的存在促進(jìn)了氫的擴(kuò)散和聚集，使材料性能下降，氫致開裂敏感性提高。焊接后采用熱處理消除應(yīng)力，可以顯著降低表面氫濃度，從而大幅降低材料在臨氫環(huán)境中開裂的風(fēng)險(xiǎn)。劉韋辰等[58]的有限元模擬結(jié)果表明，外加應(yīng)力可以驅(qū)動(dòng)管道內(nèi)氫原子的擴(kuò)散，導(dǎo)致氫原子在應(yīng)力集中的腐蝕缺陷底部聚集。

內(nèi)部環(huán)境中，氫分壓相對(duì)較高的富氫環(huán)境對(duì)管材的氫脆敏感性影響嚴(yán)重。大量研究表明，隨氫分壓的增加，氫滲透行為及氫脆敏感性均有所增加，且焊接組織的敏感性遠(yuǎn)高于母材[59]。外部環(huán)境因素主要包括雜散電流的干擾和陰極保護(hù)。尤其是長輸天然氣管材施加的陰極保護(hù)電位一旦超過析氫電位，會(huì)導(dǎo)致外部陰保電位的負(fù)向移動(dòng)，析氫電流密度增加，擴(kuò)散到鋼材內(nèi)部的氫濃度也會(huì)增加，從而影響材料的氫損傷程度[60]。內(nèi)部環(huán)境包括CO2、CO、H2S和有機(jī)酸等雜質(zhì)組分，這些組分在鋼表面與氫氣存在競爭吸附。隨著管材及焊接區(qū)域氫原子的聚集，在應(yīng)力、氫以及陽極溶解的三者交互作用下，進(jìn)一步加速氫損傷行為的發(fā)展。

綜上所述，環(huán)境中的氫原子解離和析出、氫環(huán)境、陰極保護(hù)及雜散電流等因素均對(duì)管材的氫致?lián)p傷行為有顯著影響。理解和控制這些環(huán)境影響因素，對(duì)于提升管材在氫氣環(huán)境中的耐氫脆性能具有重要意義。

目前存在多種機(jī)制來解釋氫損傷現(xiàn)象，主要包括氫壓理論(IHP)、氫促進(jìn)局部塑性變形理論(HELP)、吸附氫致位錯(cuò)發(fā)射機(jī)理(AIDE)、氫降低原子間結(jié)合力理論(HEDE)等[61]。由于各種機(jī)制均存在一定的局限性，因此在闡述氫致失效過程中，往往需要多種機(jī)制相互補(bǔ)充來解釋氫促失效的復(fù)雜過程。

IHP指出，金屬材料在陰極充氫(如酸洗、電鍍或電解充氫)或硫化氫環(huán)境中服役時(shí)，大量的氫原子滲入材料內(nèi)部，并在材料缺陷處富集[62]。缺陷捕獲的氫原子在熱力學(xué)轉(zhuǎn)變下復(fù)合成氫分子，同時(shí)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)一步促進(jìn)裂紋的萌生和擴(kuò)展。Chu等[63]通過透射電鏡(TEM)對(duì)預(yù)充氫鋼試樣進(jìn)行觀察，證明了氫由于在材料缺陷處富集導(dǎo)致的氫鼓泡現(xiàn)象。Xie等[64]采用原位TEM對(duì)氫環(huán)境下鋁金屬/氧化物界面中的納米級(jí)氣泡進(jìn)行研究，同樣也證明了氫在氧化物界面處的富集以及內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。上述研究均為IHP理論提供了有力的證據(jù)。IHP機(jī)制主要說明缺陷處聚集的氫分壓是導(dǎo)致氫鼓泡及氫致裂紋的主要原因，但無法解釋材料在受力時(shí)發(fā)生的延遲斷裂和塑性損失現(xiàn)象。

為了彌補(bǔ)IHP機(jī)制的不足，Beachem[65]提出了HELP。該理論認(rèn)為，氫進(jìn)入材料后，在裂紋尖端大量富集，導(dǎo)致尖端氫濃度升高，促使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加劇，最終導(dǎo)致局部塑性變形。Ferreira等[66]采用原位透射電鏡拉伸研究了310S和高純鋁在不同氫分壓條件下位錯(cuò)滑移現(xiàn)象，該研究證明了施加載荷的樣品在引入氫后會(huì)促進(jìn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加劇。Huang等[67]通過自主設(shè)計(jì)開發(fā)定量原位瞬變電磁法力學(xué)測(cè)試工具，定量的揭示了氫對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的影響。研究表明在2 Pa電子束激發(fā)的H2氣氛中引發(fā)位錯(cuò)投影滑動(dòng)距離大于真空環(huán)境7.0 nm，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的臨界應(yīng)力比在真空環(huán)境中低27%~43%(圖11d和e)。此外，該研究還表明循環(huán)加載和卸載可以提高氫的脫陷，使得位錯(cuò)恢復(fù)其無氫行為。此項(xiàng)研究為HELP機(jī)制提供了核心證據(jù)。HELP機(jī)制強(qiáng)調(diào)了氫對(duì)力學(xué)性能的改變，彌補(bǔ)了IHP機(jī)制在解釋塑性損失方面的不足。

AIDE進(jìn)一步擴(kuò)充了HELP機(jī)制。該機(jī)制認(rèn)為，吸附氫對(duì)位錯(cuò)的形核和運(yùn)動(dòng)起決定作用。在持續(xù)應(yīng)力或交變應(yīng)力作用下，材料裂紋尖端形成微孔和位錯(cuò)發(fā)射，共同促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展。氫擴(kuò)散到裂紋尖端或微孔并被捕獲是該機(jī)制應(yīng)用的前提。AIDE能解釋位錯(cuò)從裂紋尖端形成的過程，而HELP則表明位錯(cuò)離開裂紋尖端的過程，兩者相輔相成，互為補(bǔ)充。

HEDE從鍵能角度分析氫損傷現(xiàn)象。HEDE的成立前提有兩個(gè)：第一，氫原子在裂紋尖端處聚集，降低原子間的結(jié)合力；第二，原子之間受正應(yīng)力拉斷，導(dǎo)致裂紋的萌生和擴(kuò)展，沒有涉及塑性變形的影響。Djukic等[68]指出，HEDE與HELP的交互作用能更有效地解釋氫致失效過程。Xue等[69]采用電化學(xué)充氫試驗(yàn)以及慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)探究了氫原子對(duì)QP980激光焊接接頭氫脆斷裂機(jī)理。研究表明接頭試樣充氫后，斷裂位置由母材區(qū)轉(zhuǎn)移到不完全相變區(qū)，氫致裂紋主要由馬氏體延晶擴(kuò)展變?yōu)轳R氏體穿晶擴(kuò)展和少量沿馬氏體與鐵素體界面沿晶擴(kuò)展。這主要由于馬氏體與鐵素體變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致二者晶界處出現(xiàn)應(yīng)變集中，進(jìn)而出現(xiàn)氫原子偏聚現(xiàn)象。這種氫原子偏聚和位錯(cuò)的聚集促使二者晶界產(chǎn)生劇烈的塑性變形，并減弱界面原子間結(jié)合力，進(jìn)而導(dǎo)致斷裂位置和裂紋擴(kuò)展路徑的改變。此外，也有學(xué)者認(rèn)為當(dāng)摻氫管材在較小的拘束應(yīng)力條件下服役時(shí)，HIC機(jī)制被認(rèn)為是HELP誘發(fā)HEDE，但隨著拘束力的提高，HEDE將成為主導(dǎo)機(jī)制。材料在發(fā)生氫損傷過程中的機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜，單一機(jī)制難以全面揭示氫損傷原理。因此，在開展相關(guān)研究時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際服役環(huán)境結(jié)合宏觀力學(xué)和微觀表征相結(jié)合，綜合運(yùn)用多種機(jī)制，準(zhǔn)確闡述氫損傷機(jī)制。

在過去數(shù)十年中，人們對(duì)長輸管材及其焊接區(qū)域的氫促失效進(jìn)行了廣泛研究。這些研究涵蓋了管材與氫氣相容性、從原子氫到管材的吸附和擴(kuò)散行為、氫滲透行為、微觀組織和力學(xué)性能等多個(gè)方面，取得了大量的研究成果。例如，測(cè)試方法的改進(jìn)、氫表征手段的革新，以及先進(jìn)理論模型和機(jī)制的提出，都極大地豐富了我們對(duì)氫損傷現(xiàn)象的認(rèn)知。

然而，目前對(duì)氫損傷行為的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)并未給出準(zhǔn)確依據(jù)，特別是在同一體系下的氫促失效研究中，往往出現(xiàn)相互矛盾的結(jié)果。這些矛盾反映出不同機(jī)制之間的沖突和解釋的不一致性。因此，亟需建立新的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)體系，以統(tǒng)一管線鋼材料的氫致失效問題的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。這將有助于減少不同實(shí)驗(yàn)和研究之間的結(jié)果差異，提高研究的可比性和可重復(fù)性。

此外，對(duì)氫與管材的相容性分析仍存在一些挑戰(zhàn)。例如，同種材料在氣態(tài)充氫和電化學(xué)充氫條件下的行為差異顯著。電化學(xué)充氫通常會(huì)過度放大氫對(duì)管材的危害，而氣態(tài)充氫過程則過于漫長，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中的效能不足。因此，需要一種高效的機(jī)制將這兩種方法合理關(guān)聯(lián)，以更準(zhǔn)確地模擬和評(píng)估實(shí)際應(yīng)用中的氫損傷行為。

微觀結(jié)構(gòu)和金相組織對(duì)氫滲透過程的定量化研究也面臨困難。雖然有限元方法和第一性原理計(jì)算可用于模擬氫在管材中的分布情況，但在復(fù)雜的實(shí)際環(huán)境中，多因素(如腐蝕、應(yīng)力應(yīng)變、富氫環(huán)境等)條件下，缺乏相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行修正。因此，需要進(jìn)一步發(fā)展精確的模擬方法和參數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)，以便在復(fù)雜環(huán)境中更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和評(píng)估氫損傷行為。

為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，未來的研究應(yīng)關(guān)注以下幾個(gè)方向：

標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)體系的建立：開發(fā)統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試方法，以減少不同研究之間的結(jié)果差異，提高研究的可比性和可靠性。這將有助于建立一致的材料選擇和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用。

多尺度模擬和實(shí)驗(yàn)研究：結(jié)合多尺度模擬技術(shù)和實(shí)驗(yàn)研究，深入理解氫在管材中的滲透和擴(kuò)散機(jī)制。利用先進(jìn)的計(jì)算方法(如第一性原理計(jì)算和有限元分析)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，建立更準(zhǔn)確的氫損傷預(yù)測(cè)模型。

復(fù)雜環(huán)境條件下的研究：開展在實(shí)際服役環(huán)境下的氫損傷研究，包括腐蝕、應(yīng)力應(yīng)變、富氫環(huán)境等多因素條件的綜合影響。通過現(xiàn)場測(cè)試和模擬實(shí)驗(yàn)，獲得更接近實(shí)際應(yīng)用的氫損傷行為數(shù)據(jù)。

材料設(shè)計(jì)和優(yōu)化：基于氫損傷機(jī)制的深入理解，設(shè)計(jì)和開發(fā)具有高抗氫脆性能的新型管材和焊接材料。優(yōu)化材料成分和顯微結(jié)構(gòu)，提高材料在復(fù)雜環(huán)境中的服役性能。

通過在以上幾個(gè)方向的持續(xù)研究，將有望解決當(dāng)前氫損傷研究中的關(guān)鍵問題，推動(dòng)長輸管材及其焊接區(qū)域在氫氣環(huán)境下的安全應(yīng)用。這不僅對(duì)能源輸送和儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展具有重要意義，也將為氫能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。