【摘要】：隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)天然氣消費(fèi)市場(chǎng)將持續(xù)擴(kuò)張,煤制天然氣作為液化石油氣和天然氣的替代和補(bǔ)充,對(duì)于緩解國(guó)內(nèi)天然氣短缺,保障我國(guó)能源安全具有重要意義。煤制天然氣(包括H_2、CO和CO_2等)通過(guò)管道傳輸時(shí)必須保證安全和傳輸效率。管線鋼暴露在含有氫氣介質(zhì)的環(huán)境中時(shí),氫原子進(jìn)入材料內(nèi)部并導(dǎo)致材料性能的退化,甚至可能產(chǎn)生裂紋進(jìn)而引發(fā)災(zāi)難性后果。因此,研究管線鋼在含氫環(huán)境中的疲勞性能具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以X80管線鋼為研究對(duì)象,研究X80管線鋼在氫氣中的疲勞性能損傷行為。通過(guò)慢拉伸實(shí)驗(yàn)、疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)、斷裂韌性實(shí)驗(yàn)、缺口疲勞壽命實(shí)驗(yàn)和斷裂形貌的變化規(guī)律,研究氫氣壓力、應(yīng)變速率和應(yīng)力集中對(duì)X80管線鋼母材、熱影響區(qū)和焊縫在含氫環(huán)境中的疲勞性能損傷規(guī)律,最后研究噴丸處理對(duì)管線鋼在含氫環(huán)境中疲勞損傷的抑制作用。氫氣壓力對(duì)X80管線鋼疲勞性能的影響規(guī)律表明氫氣損傷X80管線鋼的疲勞性能,缺口試樣的低周疲勞壽命在低壓氫氣環(huán)境下迅速下降并隨氫氣壓力的增加而下降。在氫分壓為0.6 MPa,疲勞載荷為20 kN時(shí),X80缺口試樣中裂紋在3000次循環(huán)后萌生。相比氮?dú)庵?X80管線鋼的疲勞性能在裂紋萌生之前沒有明顯下降;當(dāng)裂紋緩慢增長(zhǎng)后,氫氣會(huì)嚴(yán)重?fù)p害鋼的疲勞性能。X80管線鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨氫壓增加而增加,在0.6 MPa的氫分壓下,氫加速疲勞裂紋擴(kuò)展是疲勞壽命的降低的主要因素,裂紋萌生對(duì)疲勞壽命的影響隨著氫氣分壓的增加而顯著增加。應(yīng)力集中與氫氣對(duì)X80管線鋼力學(xué)性能的協(xié)同作用規(guī)律表明氫氣對(duì)管線鋼的抗拉強(qiáng)度沒有顯著影響,但是降低材料的韌性(延伸率),應(yīng)力集中促進(jìn)氫致塑性損失。氫氣中試樣斷裂表面主要為準(zhǔn)解理斷裂,氮?dú)庵械脑嚇訑嗔驯砻鏋轫g性斷裂。應(yīng)力集中會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷材料的疲勞性能,氫脆敏感性隨應(yīng)力集中系數(shù)的增加先升高而后緩慢降低,在應(yīng)力集中系數(shù)為2.1時(shí)達(dá)到最高。應(yīng)力集中是疲勞壽命降低的主要因素,氫氣的進(jìn)入將促進(jìn)疲勞壽命的降低。氫對(duì)X80焊縫和熱影響區(qū)的影響規(guī)律表明氫氣提高了X80焊縫和熱影響區(qū)的裂紋擴(kuò)展速率。0.6 MPa的氫氣使焊縫組織的斷裂韌性降低38.55%。當(dāng)焊縫組織中存在焊接冷裂紋時(shí),主裂紋擴(kuò)展到冷裂紋附近時(shí)斷裂模式由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?斷裂韌性降低51.63%;焊縫中存在夾渣時(shí)(成分為Mn_3TiSi),夾渣導(dǎo)致焊縫斷裂韌性下降63.92%,氫氣的存在進(jìn)一步促進(jìn)含夾渣焊縫斷裂韌性的降低,斷裂韌性總體下降76.52%。熱影響區(qū)的氫脆敏感性高于母材和焊縫,氫脆敏感性隨著電流密度的增加和應(yīng)變速率的降低而增加。裂紋擴(kuò)展為階梯型,長(zhǎng)裂紋由五個(gè)或更多小裂紋連接在一起形成。采用噴丸處理抑制X80管線鋼的氫脆敏感性。經(jīng)過(guò)30 s噴丸處理,X80管線鋼的抗氫脆性能提高,然而,隨著噴丸時(shí)間的延長(zhǎng)X80管線鋼的抗氫脆性能下降。噴丸處理降低了鋼的氫擴(kuò)散系數(shù),且隨著噴丸時(shí)間的延長(zhǎng)而下降。噴丸通過(guò)抑制裂紋萌生提高疲勞壽命,因此,缺口試樣的疲勞壽命在氮?dú)猸h(huán)境中提高了1.7倍,在氫氣環(huán)境中提高了1.4倍。其中氫氣主要通過(guò)加速試樣中的裂紋擴(kuò)展來(lái)降低材料的疲勞壽命。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)石油大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG142.1
【圖文】：

第1 章 緒 論鋼輸送氣體時(shí)存在的壓力波動(dòng)會(huì)加劇氫對(duì)管線鋼的損傷。這是交變載荷的相互作用下，其微觀組織（駐留滑移帶、位錯(cuò)、夾的第二相等）與氫會(huì)發(fā)生多維度復(fù)雜交互作用。圖 1.1 展示了材到宏觀失效斷裂的演化過(guò)程。管線鋼在氫和疲勞兩者的交互作的安全隱患。目前的研究結(jié)果證明：材料在交變載荷作用下，命約占總疲勞壽命的 10～50%；氫加速裂紋的擴(kuò)展，導(dǎo)致存在劇降低。因此，微觀組織的轉(zhuǎn)變強(qiáng)烈影響材料的失效過(guò)程。

中國(guó)石油大學(xué)（北京）博士學(xué)位論文低，并進(jìn)一步加劇了循環(huán)（疲勞）加載結(jié)構(gòu)的失效。當(dāng)材料處于氫環(huán)境中，其損傷是非常復(fù)雜的過(guò)程，通常用“氫脆”來(lái)描述所有氫對(duì)材料造成的損害。但是嚴(yán)格意義上的氫脆包括內(nèi)部氫協(xié)助裂化（IHAC）及氫氣環(huán)境協(xié)助開裂（HEAC）。IHA是指氫原子的存在降低了材料的強(qiáng)度和抗裂性能，且材料在氫原子進(jìn)入內(nèi)部之后才承受載荷，其類型包括氫鼓泡[13]、氫致裂紋[14]、氫化物[15]以及氫致馬氏體相變[16]等，這類損傷是不可逆的；而 HEAC 是指材料在發(fā)生受力變形的同時(shí)伴隨著原子氫的侵入與擴(kuò)散累積，氫和塑性變形相互作用于應(yīng)力集中位置，如裂紋尖端表面和即將發(fā)生斷裂的區(qū)域。

第1 章 緒 論氫引起材料失效的第一步是含氫環(huán)境中氫原子進(jìn)入材料的過(guò)程，在這里境一般是指氫氣、含氫煤制天然氣和陰極保護(hù)過(guò)程中產(chǎn)生的氫等。分子狀氫氣一般通過(guò)如下步驟進(jìn)入金屬內(nèi)部：（1）在材料表面發(fā)生碰撞從而吸附在；（2）物理吸附；（3）化學(xué)吸附；（4）吸附的氫原子少部分發(fā)生解吸附擴(kuò)部，大部分復(fù)合成氫氣逸散出去。（2）氫的擴(kuò)散

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

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2 李巖芳;;機(jī)械噴丸對(duì)X80管線鋼疲勞性能的影響[J];油氣儲(chǔ)運(yùn);2015年01期

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本文編號(hào)：2758711