煤制气中含有一定量的氢气,氢致脆化成为高压煤制气输送管线特别是高强度管线钢焊接接头部位的潜在安全隐患。采用试验研究和数值模拟相结合的方法,对煤制气管线X80钢焊接接头的氢致脆化敏感性和机理进行了系统的研究。采用高压气相氢渗透试验装置研究了焊接接头各区在煤制气环境中的氢渗透行为,并通过环境慢应变速率拉伸试验考察了氢渗透对材料氢致脆化的影响。研究发现,氢致脆化的程度取决于材料自身的组织特征以及氢扩散系数和吸附氢浓度。与接头其它区域的组织相比,粗晶区粗大的粒状贝氏体组织对氢致脆化更敏感,氢致脆化系数高达34.56%,而其它区域最高不超过25%。慢应变速率拉伸过程中,聚集在位错处的氢能够降低材料的塑性变形能力,其作用程度受氢浓度的影响,而氢扩散系数会直接影响氢向位错处的聚集速度。与接头其它区域相比,粗晶区的氢扩散系数最高,即氢向位错区聚集的速度最快。综合组织和氢扩散参数的影响,粗晶区的氢致脆化程度最高。采用数值模拟方法研究了焊接残余应力和组织不均匀耦合作用对接头氢富集程度的影响,并采用等效充氢压力研究了残余应力所致氢富集对氢致脆化程度的影响。在考虑残余应力的作用下,接头各区均出现明显的氢富集,其中以焊缝区的变化最显著,心部氢浓度较不考虑残余应力时提高了2.7倍。综合考虑组织和应力耦合作用时,粗晶区的氢致脆化敏感性同样最高,为39.58%。随着煤制气中氢分压的升高,焊接接头各区的氢浓度均不断增加,氢致脆化敏感性出现不同程度的上升。粗晶区对氢浓度的变化最敏感,每增加1 ppm浓度的氢,氢致脆化系数将提高5倍。失效机理研究发现,在拉伸应力的作用下,表面能量的升高可导致材料中氢浓度的增加,特别是当材料出现局部塑性变形后,局部应力集中会导致静水应力显著增加,同时也会诱发位错等氢陷阱的增殖,进而显著影响氢的吸附和局部氢富集。富集的氢降低了材料原子间的键合力,当外加应力达到临界值时,诱发表面裂纹萌生和扩展。随着裂纹扩展速率的增加,氢扩散的速度逐渐跟不上位错的移动速度,氢对材料性能的影响减弱,从而使得断口边缘的脆性断裂特征较心部更显著。研究证明,氧化膜能够有效降低管线钢表面的吸附氢含量,而当服役管线内有残留水分时,煤制气中的二氧化碳与水联合作用会导致氧化膜溶解并在管线内壁生成碳酸亚铁膜。通过构建氢在碳酸亚铁膜-钢基体复合体系中的扩散模型,理论计算发现碳酸亚铁膜缺陷对氢渗透的影响率约为80%,扫描电镜形貌观察也可以发现碳酸亚铁膜与钢基体结合较差,膜中存在大量孔洞缺陷,这些缺陷为氢在钢基体中的吸附、扩散提供了直接通道,吸附氢浓度较无产物膜时提高了2.7~3倍,增加了管线氢致脆化的敏感性。