摘 要

随着氢能的利用和推广，未来将会有大量的管线钢用作输氢管道。在这种临氢环境中，氢对管线钢的金属力学性能产生的影响是不可避免的，为了减少这种氢脆现象带来的损害，需要通过试验来准确反映氢对金属力学性能的影响。

本课题研究的对象是目前在石化应用的2205 双相不锈钢，通过单轴拉伸试验和纳米压痕试验两种方式来从宏观和微观两个方面研究氢对2205 双相不锈钢力学性能的影响。主要试验过程及结论如下：

1、通过充氢试验和力学性能试验，研究了氢对双相不锈钢力学性能的影响。

结果表明，充氢后，双相不锈钢的抗拉强度从833MPa降低到766MPa，伸长率从40.89%降低到34%。

对比两个试验中两种试样的试验数据，发现氢使2205双相不锈钢断裂方式由韧性断裂向脆性断裂转变。氢导致2205双相不锈钢发生氢脆的同时，还提高2205双相不锈钢内铁素体相和奥氏体相的硬度。

关键词：双相不锈钢 氢 力学

Effect of hydrogen on mechanical properties of 2205 duplex stainless steel

Abstract

With the utilization and popularization of hydrogen energy, a large number of pipeline steel will be used as hydrogen pipeline in the future. In this hydrogen environment, the influence of hydrogen on the metal mechanical properties of pipeline steel is inevitable. In order to reduce the damage caused by this hydrogen embrittlement phenomenon, it is necessary to accurately reflect the effect of hydrogen on the metal mechanical properties through experiments.

The object of this study is 2205 duplex stainless steel, which is currently used in petrochemical industry. The effects of hydrogen on the mechanical properties of 2205 duplex stainless steel are studied from macro and micro aspects by uniaxial tensile test and nano-indentation test. The main test process and conclusions are as follows:

1.The effect of hydrogen on the mechanical properties of duplex stainless steel was studied by hydrogen charging test and mechanical properties test. The results show that the tensile strength and extension of duplex stainless steel decrease from 833MPa to 766MPA and 40.89% to 34% respectively after hydrogen charging.

2. Compared with the test data of the two samples, it is found that hydrogen changes the fracture mode of 2205 duplex stainless steel from ductile fracture to brittle fracture. Hydrogen leads to hydrogen embrittlement of 2205 duplex stainless steel, but also increases the hardness of ferritin phase and Austenite phase in 2205 duplex stainless steel.

Keywords:Duplex Stainless Steel; hydrogen; mechanical proper

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 金属氢脆现象 3

1.3 双相不锈钢氢脆的研究进展 4

1.4 纳米压痕 6

1.5 现在存在的问题 8

1.6 研究内容及方案 9

第二章 2205 DSS宏观力学性能研究 10

2.1 材料与试样 10

2.1.1 试验材料 10

2.1.2 试样制备 10

2.2 试验内容与方法 11

2.2.1 电化学预充氢试验 11

2.2.2 单轴拉伸试验 12

2.3 结果与讨论 13

2.3.1 力学性能及氢脆敏感性 13

2.3.2 断口形貌 14

2.4 本章小结 16

第三章 2205 DSS微观力学性能研究 17

3.1 材料及设备 17

3.2 试验方法及内容 17

3.3 试验数据和结果 19

3.4 本章小结 22

第四章 经济性分析 24

参考文献 25

致谢 29

第一章 绪论

1.1 引言

能源与环境问题的加重，加紧了人类发展和推广新能源的步伐^[1]。与传统能源不同的是，氢能除了来源丰富以外，还可以自动再生。相较于传统能源，氢能在使用过程中也更具有安全性。另一方面，相比于潮汐能、风能等这些自然中的可再生能源，氢能在储存和运输时就显得更加便捷。由于氢能在储存过程中并不存在能量损失，又可以跨季度储存，所以将其他能源转换成氢能来进行储存是一种非常节能可行的能源储存方式，因此氢能已经成为了“能源互联网”中的重要纽带^[2]，是21世纪最具发展潜力的清洁能源。2016年，由于电网接纳能力不足等原因，我国弃风电量达497亿千瓦时，2017年，弃风电量减少，但仍然高达418亿千瓦时^[3]，除此之外还有弃光电量、弃水电量。如此大量的电力被浪费，无疑是一种巨大损失，但是如果在风电、水电、光电资源丰富的时候，将电网接纳不下的电力转换成氢能来进行储存，即可在电力不足的枯风期、枯水期提供电力，如此不仅节约了能源，甚至还可以直接将氢能用于电力以外的其他方面。同时氢作为能源的质量也是极高的，其燃烧热值仅次于核燃料。又由于氢能不含碳，燃烧产物为水，不仅不会加剧温室效应，甚至还可以电解水再造氢，实在是可循环使用的清洁能源^[4]。如果未来技术可以实现的话，提取出海水中的氢，那么就可以少用化石燃料了。

2016年起，国家发改委和国家能源局在系统内部印发《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》，并同时发布了《能源技术革命重点创新行动路线图》，提出了15项重点创新任务，包括煤炭清洁高效利用技术创新、先进核能技术创新、氢能与燃料电池技术创新、先进储能技术创新、能源互联网技术创新等^[5]。力争在2020年，基本掌握高效氢气制备、纯化、储运、加氢站等关键技术，实现氢能及燃料电池技术存动力电源、增程电源、移动电源、分布式电站、加氢站等领域的示范运行，到2030年，计划实现大规模氢的制取、存储、运输、应用一体化，实现加氢站现场储氢、制氢模式的标准化和推广应用^[6],完全掌握燃

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