掺氢天然气管线钢氢脆的多维因素与检测防护技术综述

doi:10.11902/1005.4537.2025.311

中国腐蚀与防护学报 DOI: 10.11902/1005.4537.2025.311

刘婉颖¹,李磊¹,朱鑫宇¹,张智²,丁剑¹,刘芃¹,宋卓颖¹,范祚媛¹

1. 西南石油大学
2. 西南石油学院

A Review of the Multidimensional Factors of Hydrogen Embrittlement in Hydrogen-bearing Natural Gas Pipeline Steel and Its Inspection and Protection

引用本文:

刘婉颖李磊朱鑫宇张智丁剑刘芃宋卓颖范祚媛. 掺氢天然气管线钢氢脆的多维因素与检测防护技术综述[J]. 中国腐蚀与防护学报, 10.11902/1005.4537.2025.311.

全文: PDF(1655 KB)

摘要: 氢能作为未来重要的清洁能源，其大规模运输主要依赖现有油气管道设施。目前虽有多种理论解释管线钢的氢脆机制，但无涵盖所有服役条件下管线钢的氢脆行为理论。本文综述了掺氢天然气管线钢氢脆机理、多维因素、氢分布检测及防护技术研究进展，归纳了温度、压力、掺氢比等环境因素和钢材强度、微观组织、氢陷阱等材料本质特性以及应力状态等力学因素对管线钢氢脆的影响，表明掺氢环境下影响管线钢氢脆敏感性非单一因素。针对管线钢氢脆检测技术，系统综述了原子探针断层扫描、二次离子质谱法、扫描开尔文探针显微镜、氢微打印、热脱附光谱法等技术发展现状，比较分析了热处理工艺、合金化、表面改性、气体抑制剂及阻氢涂层等氢脆防护技术的适用性与局限性，展望了掺氢天然气管线钢氢脆防护的研究方向。

关键词 ：管线钢, 氢脆, 多维因素, 检测, 防护

Abstract：Hydrogen, as a crucial clean energy source for the future, is primarily transported on a large scale via existing oil and gas pipeline infrastructure. Although various theories have been proposed to explain the hydrogen embrittlement (HE) mechanisms of pipeline steels, no single theory comprehensively accounts for HE behavior under all service conditions. This review summarizes recent advances in the understanding of HE mechanisms in pipeline steels for hydrogen-natural gas blends, incorporating multidimensional influencing factors, hydrogen distribution detection, and protection technologies. The influences of environmental factors—such as temperature, pressure, and hydrogen blending ratios—material intrinsic characteristics, including steel strength, microstructure, and hydrogen traps, as well as mechanical factors like stress state, on the HE susceptibility of pipeline steels are systematically outlined. It is demonstrated that HE susceptibility in hydrogen-blended environments is not governed by a single factor. Regarding HE detection techniques, the developments in atom probe tomography (APT), secondary ion mass spectrometry (SIMS), scanning Kelvin probe force microscopy (SKPFM), hydrogen microprint technique (HMT), and thermal desorption spectroscopy (TDS) are systematically reviewed. Furthermore, the applicability and limitations of various HE mitigation strategies—such as heat treatment, alloying, surface modification, gas inhibitors, and hydrogen barrier coatings—are compared and analyzed. Finally, future research directions for HE prevention in pipeline steels used in hydrogen-natural gas blending are proposed.

Key words： Pipeline steel Hydrogen embrittlement Multifactorial factors Detection Protection

收稿日期: 2025-10-03

基金资助:国家自然科学基金联合基金项目“四川盆地深层超深层气井环空带压预防与管控基础研究”（编号;新型油气勘探开发国家科技重大专项“CO2驱油与封存全流程关键工程工艺技术及装备研究”;2025年四川省省级大学生创新训练计划项目“掺氢输送多因素耦合下管线钢氢损伤机理研究”;2024年四川省省级大学生创新训练计划项目“超深井钻杆用铝合金石墨烯纳米改性及机理研究”;西南石油大学第23期课外开放重点实验项目“高温高压高腐蚀环境下不锈钢油管点蚀行为及机理研究”

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