如何避免钢发生氢脆
常见问题：如何防止钢发生氢脆以及其他氢气处理问题
Buddy Damm，世伟洛克资深科学家
氢气是一种很有前景的解决方案。从氢气的制取到最终使用，安全可靠地处理氢气是在各种应用中充分发挥氢气作为零排放燃料源潜力的关键。
然而，氢气的存储和传输却面临着一些独特的挑战。氢是元素周期表中的第一个元素，由一个带正电的质子和一个带负电的电子组成。它是最轻的原子，也是最小的原子之一。在不断发展的氢能经济中，氢需要以液态和气态形式处理。氢的液化温度为 −-252.9°C (−-423°F)，液态氢的密度是气态氢的 140 倍。以液态形式运输和储存氢的效率更高，但在使用时，氢却是气态。因此，在氢气系统中使用的金属会受到两种现象的影响。
- 低温脆化：随着温度的降低，金属会失去一些延展性。
- 氢脆：在氢为气态的环境温度下，原子氢会扩散到金属中并导致脆化。
在这里，脆化是指金属在氢气环境中的延展性和抗断裂及抗疲劳能力与在空气中和室温下的抗断裂及抗疲劳能力相比发生下降。这些问题会导致系统失效，造成安全风险、增加停机时间和带来经济损失。随着氢能行业的不断发展壮大，解决这些系统建设难题对于氢燃料作为一种长期、可持续的燃料解决方案被广泛采用至关重要。
那么，氢能领域的专业人员如何才能建造经久耐用的氢气处理系统？关键要牢记，材料对于氢气存储至关重要。流体系统 采用特殊配方的优质不锈钢，能够更好地抵御氢气存储的固有挑战。以下常见问题将解释规范制定者在选择氢气存储元件材料时应如何考虑以及应考虑哪些因素。
问：什么是金属的低温脆化？哪些材料可以抵抗低温脆化？
答：金属低温脆化是指随着温度的降低，延展性、韧性、抗疲劳性和抗断裂性降低。不同类型的不锈钢对脆化相关开裂的抵抗程度不同。详情见图 1。奥氏体不锈钢仅遭受轻微的低温脆化，而铁素体钢（低合金钢以及铁素体或双相不锈钢）更容易受到影响。因此，奥氏体不锈钢是液氢系统的黄金标准，如果您担心低温脆化，那么奥氏体不锈钢是您应该选择的不锈钢类型。
问：什么是氢脆？其成因是什么？
答：氢脆是一种氢腐蚀，会导致金属抗疲劳和抗断裂性能降低。氢分子（图 2 中的蓝色图标）可以离解成氢原子（图 2 中的紫色图标）并渗透进入金属。氢原子聚积在应力集中处，如裂纹尖端或微观结构特征处，如晶界、夹杂物或沉淀物。在某些情况下，原子氢可转化为双原子氢。
问：哪些材料容易受到氢脆的影响？使用错误类型的不锈钢可能造成哪些潜在后果？
答：选择更容易发生氢脆的材料可能会导致系统完整性失效的可能性更大。高强度材料会经历更严重的氢脆。奥氏体不锈钢的特点是具有面心立方 (FCC) 晶体结构、中等强度和天然高延展性，通常比许多其他金属更能与氢兼容。话虽如此，并非所有金属都能同样抵抗氢脆。见图 3。
虽然不锈钢与氢的相容性通常比许多其他金属要好，但并非所有不锈钢都具有同样的抗氢脆性能。
与延展性损失相比，抗疲劳能力的降低更令人担忧。延展性是指材料在断裂前在拉伸应力下能够承受塑性变形的程度。设计得当的部件不会受到导致宏观塑性变形的应力。相反，由于压力循环、振动或其他使用负载造成的周期性循环负载会导致缓慢累积的局部塑性损坏，并由于疲劳而失效 — 疲劳是指由于重复应力或负载造成的钢材强度开裂。如果材料受到腐蚀性环境因素的影响，系统或元件失效的可能性会进一步加剧。
当然，元件失效会导致一系列不良后果，包括：
- 潜在的安全问题
- 维护或维修导致的停机时间过长
- 元件更换更频繁
- 氢气逸散到环境中导致可持续性问题
- 资产的总运营成本和总拥有成本会更高
问：如何知道不锈钢的质量是否适合与氢一起使用？
答：事实证明，含镍量较高的高质量不锈钢更适合处理氢，尤其是在较长的使用寿命内。
如图 4 所示，美国材料与试验协会 (ASTM) 要求 316 不锈钢配方中的镍含量至少为 10%，但镍含量至少为 12% 的 316 不锈钢更适合应对氢能行业的独特挑战。镍含量有助于稳定奥氏体不锈钢的微观结构，使其更能抵抗氢脆。在测试中，我们发现氢脆对含 12% 镍含量的 316 不锈钢的拉伸延展性影响很小。
镍含量至少为 12% 的 316 不锈钢更适合应对氢能行业的独特挑战。
虽然镍含量较高的 316 不锈钢通常是氢能系统建造项目的理想选择，但在某些情况下，特定应用的性能标准（如需要优先考虑材料强度或耐腐蚀性）可能会使另一种材料成为理想选择。在这些情况下，正确的系统设计和维护可有助于防止脆化。像世伟洛克这样的组织会继续研究和了解氢对其他合金的影响，可以帮助您做出明智的决定。
问：如何确保为氢气处理应用选择合适的高性能材料？
在不同的流体处理应用中，尤其是在蓬勃发展的氢能行业中，辨别哪种材料是适合的选择可能具有挑战性。但正确的选择非常重要。为氢气处理系统指定材料会产生长期影响。重要的是，错误的选择有可能会损害氢气作为一种可靠、可行的燃料源在未来清洁能源领域中的声誉。
寻找能够证明对材料科学有透彻理解并已开发出成功用于氢气应用的产品的供应商。如果您需要帮助，世伟洛克氢能专家很乐意帮助您选择适合您应用的材料，并找到满足您需求的解决方案。
