输氢海底管道材料选择

一般来说，常见的碳钢管道等级如API 5L X52（以及更低强度等级）和ASTM A 106 B已经广泛应用于氢气输送管道，鲜有报道该材料出现了问题，这种良好的使用状况主要归功于其相对较低的强度，从而使其抗氢脆和抗脆性开裂的能力得到了提高。

API 5L管线钢的产品规范水平分为PSL 1和PSL 2，PSL 2包含了一些PSL 1中没有的要求，包括最小缺口韧性能量、最大抗拉强度和碳当量，这些要求有助于确保母材和焊缝硬度保持在可接受的范围内，从而降低氢脆风险。因此，PSL 2规格的材料更适用于输氢管道。另外，CGA G-5.6-2005（Reaffirmed 2013）《Hydrogen Pipeline Systems》标准中仅推荐输氢管道使用较低强度的API 5L等级（X52或更低）。

ASME B31.12-2014《Hydrogen Piping and Pipelines》标准中说明了碳钢用于焊接结构的已经有氢气管道和天然气管道已经有几十年。工业天然气公司在美国和欧洲运营着超过1600 km的管道，已证明适用于氢气输送管道的材料有ASTM A 106 B级、 ASTM A 53 B级、API 5L X42和X52（PSL2等级优先）和微合金API 5L等级X52。

考虑到海底管道服役环境较特殊，需采用铺管船进行连续的下放铺管，这种安装方式使得管道在安装过程中受力较大，这就要求海底管道需具备足够的强度才能完成海管的安装工作。因此，输氢海底管道不能采用太高或太低强度的材料，需综合考虑。结合CGA G-5.6-2005和ASME B31.12-2014标准中的建议，输氢海底管道较适合选用API 5L X42和X52（PSL2等级优先），而海底管道常用的API 5L X65等高强度钢材则不推荐使用。根据具体项目水深的海管安装要求，如API 5L X42能够满足安装强度要求，则优先推荐强度和氢脆敏感性较低的API 5L X42。

海底管道管型主要有无缝钢管和直缝埋弧焊钢管。若采用带焊缝钢管，焊缝处冷却速率会不均匀，该处可能存在马氏体，同时在焊接过程中可能会出现偏析、带状组织等，易引起氢致失效，而且焊缝区域硬度一般比母材的要高，更易发生氢脆，因此氢气输送海底管道优先选用无缝钢管。

硫和磷含量影响钢的韧性，硫通常以长条状硫化物夹杂物的形式存在，高浓度的硫化物夹杂物会使材料的韧性降低，特别是管道或板材横向的韧性，建议最大硫含量为0.01%。磷对材料的韧性有不利影响，磷含量每增加0.01%，材料的冲击转变温度就提高8 ℃，建议材料中的磷含量不超过0.015%。

碳钢中碳和锰的含量是非常关键的，比较理想的锰和碳含量比值为3:1。锰会降低材料的冲击转变温度，碳会提高其冲击转变温度。当碳含量很高时，高锰碳比可能会引起材料的硬化和焊接问题。

ASME B31.12-2014标准指出，由于碳、锰、硫、磷、铬等会使低合金钢的氢脆敏感性提高，要求锰、磷、硫的含量上限值分别为1.65%，0.015%，0.01%。CGA G-5.6-2005标准指出，降低硫和磷的含量能够提高材料的韧性，要求微合金钢磷和硫的含量上限值分别为0.015%和0.01%。

碳当量是一个用于评估碳钢和低合金钢的焊接性及其焊接过程中裂纹敏感性的参数。低碳当量的钢材通常不需要进行任何预处理或焊后热处理。碳当量处于中间值的钢材可以进行预热，高碳当量的钢材需要进行预热和焊后热处理。一般来说，0.55及以上的碳当量被认为是高碳当量，低于0.35的碳当量被认为是低碳当量。CGA G-5.6-2005标准规定输氢管道钢材的碳当量上限值为0.43。

结合ASME B13.12-2014、CGA G-5.6-2005及API Spec 5L-2018《Line Pipe》标准中对钢材合金元素及碳当量的要求，推荐输氢海底管道用钢API 5L X42和API 5L X52的合金元素含量最大值如下表所示。

碳钢和低合金钢的微观组织主要有马氏体、正火组织和热成形组织。淬火和回火马氏体的韧性最高，其次是细晶正火组织。在管道材料中，淬火和回火马氏体组织相对较少，大部分是正火组织和热成型组织。当需要较高的韧性时，正火是管道最常用的热处理方法。适当的正火处理可以使材料产生均匀的细晶粒组织。对于相同强度等级的钢材，淬火和回火后的细晶粒组织比正火后的组织具有更好的抗氢致开裂性能。因此，对于输氢海底管道采用的无缝钢管建议进行淬火和回火的组合热处理工艺。

钢材中长条状硫化物夹杂物的有害影响较大，其形态细长，尖端锋利，类似于裂纹。稀土或钙等元素的添加可以改变硫化物的形状，形成球状硫化物夹杂物，而且不会降低钢材的韧性。硫化物形态控制技术可以与降低硫含量的方法结合使用。

材料的抗拉强度和屈服强度越大，氢脆风险越大，所以ASME B31.12-2014标准要求，在氢气管道材料设计中不仅要规定材料的最小屈服强度，还要规定其最大屈服强度，以降低氢脆发生的概率。因此，建议用于输氢海底管道的API Spec 5L 的X42 和X52的最大屈服强度和抗拉强度分别不得超过其最小值（172 MPa和165 MPa）。

CGA G-5.6-2005标准要求输氢管道材料的最大硬度为22 HRC或250 HB，这个硬度极限相当于约800 MPa的抗拉强度极限。钢材焊接的硬度上限值要求与管材的相同，也是22 HRC或者250 HB。