氫能是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)與保障國家能源安全的戰(zhàn)略選擇，利用可再生能源制備綠氫將規(guī)模性地替代傳統(tǒng)的化石能源制氫，有效降低能源生產(chǎn)及消費(fèi)過程的碳排放，通過綠氫工業(yè)應(yīng)用、氫電融合轉(zhuǎn)換等支撐構(gòu)筑新型能源體系。國內(nèi)代表性能源企業(yè)已在新疆、內(nèi)蒙古等太陽能、風(fēng)能充沛地區(qū)布局大規(guī)模綠氫示范項(xiàng)目，推動綠氫在煉化、煤化工、交通領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用。在這一過程中構(gòu)建安全的規(guī)模化綠氫儲輸體系是連接上游綠電制氫、下游氫消納應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

然而，與現(xiàn)有較成熟的灰氫儲輸體系相比，規(guī)模綠氫儲輸在氫氣純度、場景規(guī)模、應(yīng)用環(huán)境等方面存在顯著差異。首先，綠氫純度更高，對設(shè)備設(shè)施氫脆量化風(fēng)險(xiǎn)不明。研究表明，灰氫中含有的CO等雜質(zhì)與H₂在鋼鐵表面存在競爭吸附，可阻礙氫分子在管道內(nèi)壁吸附并抑制氫原子滲入，降低了臨氫設(shè)施的氫脆風(fēng)險(xiǎn)。由于綠氫純度高（>99.99%），相同介質(zhì)壓力下的氫分壓高于灰氫，且不含可有效抑制氫吸附的雜質(zhì)組分，增加了氫致?lián)p傷失效的風(fēng)險(xiǎn)。此外，我國大規(guī)模綠氫產(chǎn)業(yè)多分布于“三北”地區(qū)，面臨極端低溫等苛刻自然環(huán)境，同時光伏及風(fēng)電自身存在周期波動屬性，疊加氫致?lián)p傷問題，大規(guī)模綠氫儲輸面臨新的安全挑戰(zhàn)。由于服役工況的復(fù)雜性，在綠氫儲輸?shù)牟煌h(huán)節(jié)，關(guān)鍵臨氫設(shè)施面臨的問題也存在典型性和差異性，主要包括以下幾點(diǎn)。

（1）在綠氫增壓、輸送、儲存、加注工藝過程中廣泛使用的隔膜式氫氣壓縮機(jī)，面臨復(fù)雜工藝問題，如氣體壓縮帶來的高溫、液壓油泄漏造成的油氣兩側(cè)壓差不平衡以及曲軸高速轉(zhuǎn)動帶來的機(jī)械磨損等，使得隔膜壓縮機(jī)膜片頻繁發(fā)生失效。

（2）為應(yīng)對綠氫生產(chǎn)波動建設(shè)的大容積儲氫容器，存在循環(huán)應(yīng)力工況耦合環(huán)境低溫導(dǎo)致的疲勞疊加氫脆損傷等風(fēng)險(xiǎn)，球罐在低溫-氫-疲勞載荷-非均質(zhì)材料等耦合作用下的損傷機(jī)制及風(fēng)險(xiǎn)防控方法有待探明。

（3）長距離、大管徑、高壓力的發(fā)展趨勢對綠氫輸送管道的強(qiáng)度和抗氫脆性能提出更高要求，大規(guī)模綠氫管道輸運(yùn)環(huán)境下管材及焊縫性能劣化與損傷機(jī)理尚不明晰，高強(qiáng)度管線鋼材料及焊縫的抗氫脆調(diào)控方法亟待開發(fā)。

（4）氫分子具有體積小、易滲透的特點(diǎn)，近年來在加注過程中各類高壓氫氣軟管導(dǎo)致的氫氣泄漏事故時有發(fā)生，成為氫能應(yīng)用場景中的薄弱環(huán)節(jié)，運(yùn)行期間面臨較高風(fēng)險(xiǎn)。此外，軟管的實(shí)際更換周期較預(yù)期更為頻繁，增加了加氫站的運(yùn)營成本。

因此，面向規(guī)模綠氫儲輸過程的安全需求，亟需針對氫氣壓縮機(jī)膜片、儲氫容器、輸氫管道及氫氣充裝軟管等的材料失效機(jī)理及安全防控措施開展研究，筑牢規(guī)模綠氫利用安全基礎(chǔ)。

臨氫設(shè)施的安全性和可靠性與材料的氫脆密切相關(guān)。氫致開裂是金屬氫脆最主要的失效模式。當(dāng)氫原子進(jìn)入金屬并發(fā)生局部富集，使得該處氫原子濃度超過某一臨界值時，在外加應(yīng)力（甚至無外加應(yīng)力）作用下，可能引發(fā)裂紋萌生及擴(kuò)展，甚至導(dǎo)致金屬斷裂失效。

氫脆的產(chǎn)生機(jī)制主要有以下幾種：①氫增強(qiáng)局部塑性（hydrogen enhanced localized plasticity, HELP），由Robertson等首次提出，認(rèn)為在應(yīng)力作用下氫在裂紋尖端聚集，降低材料層錯能及位錯運(yùn)動能壘，導(dǎo)致裂尖附近位錯可動性增強(qiáng)，促進(jìn)位錯發(fā)射和運(yùn)動，引起局部塑性變形，從而促進(jìn)局部區(qū)域（如裂紋尖端附近）損傷的形成和演化；②氫增強(qiáng)脫聚機(jī)制（hydrogen enhanced decohesion mechanism, HEDE）由Pfeil等首次提出，后經(jīng)Troiano完善，并由Oriani通過理論推導(dǎo)得到了該機(jī)理的定量關(guān)系。HEDE機(jī)制主要強(qiáng)調(diào)氫原子擴(kuò)散到材料中，降低晶格界面或微觀結(jié)構(gòu)界面的內(nèi)聚力，當(dāng)外部應(yīng)力超過局部內(nèi)聚力時，最終導(dǎo)致氫致斷裂發(fā)生；③吸附誘導(dǎo)位錯發(fā)射（adsorption induced dislocation emission, AIDE）由Lynch提出，強(qiáng)調(diào)位錯發(fā)射是裂紋擴(kuò)展的主要機(jī)制，且氫在裂紋尖端或空位處的擴(kuò)散和吸附是AIDE機(jī)制的必要條件。因此，AIDE機(jī)制下材料產(chǎn)生的裂紋以穿晶擴(kuò)展或沿晶擴(kuò)展為主，這取決于材料中易于位錯發(fā)射和孔洞形核的位置；④氫增強(qiáng)應(yīng)變誘導(dǎo)空位機(jī)制（hydrogen enhanced strain-induced vacancies, HESIV）由Nagumo等基于空位與氫的相互作用提出。在這一機(jī)制中，氫原子與空位結(jié)合降低空位的遷移率，進(jìn)一步促進(jìn)穩(wěn)定團(tuán)簇/氣泡的形成，進(jìn)而導(dǎo)致微裂紋和氫致開裂。盡管學(xué)界已提出多種氫損傷機(jī)制，但至今仍未有一種統(tǒng)一的模型來解釋完整的合金材料的氫損傷行為，實(shí)際氫損傷過程往往是多種機(jī)制共同作用，這取決于工況環(huán)境以及材料種類等因素。

材料的氫脆敏感性往往受材料強(qiáng)度、顯微組織、晶粒度、化學(xué)成分、表面粗糙度、材料缺陷等內(nèi)部因素以及氫氣壓力、氫氣純度、溫度和應(yīng)變速率等外部因素綜合影響。氫原子與微觀結(jié)構(gòu)缺陷相互作用示意圖及常用氫脆模型如圖1所示，材料中本身存在如空位、位錯、夾雜物及晶界等許多缺陷，當(dāng)環(huán)境中含有氫時，進(jìn)入材料中的氫就可以與晶格缺陷相互作用，形成氫陷阱。氫致失效過程中，氫陷阱是不容忽視的重要因素。根據(jù)陷阱結(jié)合能的大小，氫陷阱可分為可逆氫陷阱和不可逆氫陷阱。氫在金屬中的擴(kuò)散速率會受到陷阱的大小和分布位置、氫與陷阱之間結(jié)合能大小的影響。通常情況下，大角度晶界、析出物、夾雜物的陷阱結(jié)合能較高，被視為不可逆氫陷阱。通過對鋼中氫致裂紋進(jìn)行微觀表征發(fā)現(xiàn)，非金屬夾雜物是裂紋形核的主要位置。其中，MnS、Al₂O₃、SiO₂等非共格夾雜物以及滲碳體物質(zhì)普遍被認(rèn)為是氫聚集場所，極易形成氫致裂紋位點(diǎn)。夾雜物尺寸越大，分布面積越廣，氫致裂紋越易產(chǎn)生。此外，對于臨氫設(shè)施而言，焊接接頭是相對薄弱的環(huán)節(jié)，與母材基體相比，接頭區(qū)域的氫致失效現(xiàn)象往往更為常見。受焊接熱作用影響，接頭區(qū)域容易出現(xiàn)組織劣化和復(fù)雜的殘余應(yīng)力，從而對材料的氫脆敏感性產(chǎn)生顯著影響。

由于膜片并非單獨(dú)發(fā)揮作用，通常情況下為增強(qiáng)油氫隔絕效果，以及創(chuàng)造介質(zhì)泄漏監(jiān)測通道，膜片以三層結(jié)構(gòu)組合使用，這就意味著膜片之間貼合運(yùn)動產(chǎn)生沖擊和微摩擦，這是制約膜片壽命的又一因素。Lee等的研究顯示，摩擦速度、應(yīng)力載荷和表面粗糙度都是影響膜片磨損量的因素，對比301不銹鋼和718鎳基合金兩種高壓隔膜壓縮機(jī)膜片，前者的磨損率更低且在膜片表面制備聚四氟乙烯涂層能夠進(jìn)一步降低摩擦系數(shù)。

膜片在往復(fù)運(yùn)動過程中，伴隨著一定程度的變形，相關(guān)研究表明，當(dāng)膜片厚度為0.3~0.5mm時，中心撓度可達(dá)5~10mm，且通常膜片需滿足3000h以上的連續(xù)運(yùn)行時間，以盡可能地減少檢維修膜片帶來的停機(jī)停產(chǎn)損失。但在實(shí)際應(yīng)用案例中的4臺45MPa壓力等級隔膜壓縮機(jī)膜片的服役壽命分別為900h、623h、783h和205h，遠(yuǎn)未達(dá)到相關(guān)要求。這對膜片材料的塑韌性以及疲勞性能提出了較高的要求，需要具備足夠的塑韌性以承受頻繁變換的疲勞載荷和拉壓應(yīng)力。毛超鵬的研究顯示，氣側(cè)膜片在排氣孔覆蓋區(qū)域、配油槽覆蓋區(qū)域及膜腔型線起始環(huán)形區(qū)域，均存在由于疲勞強(qiáng)度偏低而發(fā)生疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，隔膜壓縮機(jī)膜片受強(qiáng)度、硬度、塑韌性及疲勞性能等綜合影響，是壓縮過程的核心易損件，其服役壽命往往無法達(dá)到要求，如何綜合提升膜片材料性能，是關(guān)系到隔膜式氫氣壓縮機(jī)安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵問題。

膜片在服役過程中受力狀態(tài)復(fù)雜，對力學(xué)性能提出嚴(yán)格要求，但當(dāng)前大多數(shù)試驗(yàn)或模擬工作是以非涉氫工況的材料性能作為基準(zhǔn)進(jìn)行討論，實(shí)際上，在涉氫工況下，氫原子滲入金屬材料內(nèi)部造成性能劣化已成為業(yè)界共識。尤其是考慮到膜片的服役環(huán)境，涉及高壓氫氣環(huán)境、極限溫度工況、拉伸應(yīng)力狀態(tài)等影響因素的耦合作用，這進(jìn)一步加劇了膜片的失效。

由于氫氣周期性壓縮帶來的溫度升高，膜腔及排氣閥內(nèi)溫度最高可達(dá)到200℃以上，Choi等在該溫度下的實(shí)驗(yàn)表示，充氫導(dǎo)致不銹鋼材料的屈服強(qiáng)度有所下降，并將該現(xiàn)象歸因于氫增強(qiáng)局部位錯運(yùn)動，且氫原子在金屬內(nèi)部的不均勻分布會導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的不均勻膨脹，進(jìn)而造成內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生。也有研究表明，在高溫條件下，奧氏體不銹鋼的氫脆問題并不明顯，但另一種廣泛應(yīng)用于45/90MPa氫氣隔膜壓縮機(jī)的膜片材料Inconel 718鎳基合金脆化嚴(yán)重。在拉伸應(yīng)力作用下，微觀層面位錯的移動和消失將導(dǎo)致空位的產(chǎn)生，空位和缺陷提供了極高的氫捕獲能，使?jié)B入金屬內(nèi)部的氫原子在此聚集，并在產(chǎn)生裂紋時匯聚到裂紋尖端，加快裂紋的擴(kuò)展。Li等針對壓縮機(jī)膜片用奧氏體不銹鋼開展預(yù)充氫工況的高周疲勞試驗(yàn)，證明氫對膜片材料疲勞壽命的降低作用，且低應(yīng)力幅值下充氫壓力較低的樣品表現(xiàn)出更高的疲勞壽命退化率，而高應(yīng)力幅值下充氫壓力高者疲勞退化率更高。毛超鵬提供了相似的數(shù)據(jù)，在35MPa氫氣環(huán)境中，316L膜片材料最大應(yīng)力450MPa和500MPa的高周疲勞壽命，相比氮?dú)猸h(huán)境分別下降了4.1%和11.6%。

因此，膜片破裂事故是兩方面共同作用的結(jié)果，一方面是膜片材料所受外界載荷的異常突增，這種現(xiàn)象常見于隔膜壓縮機(jī)啟動時，膜腔中缺少預(yù)充液壓油或正常工作時液壓油泄漏，此時膜片油氫兩側(cè)產(chǎn)生壓差，導(dǎo)致膜片撞擊膜腔并在配油盤覆蓋區(qū)域發(fā)生應(yīng)力集中，也可能出現(xiàn)在進(jìn)氣不純時，固態(tài)顆粒物雜質(zhì)附著于膜片表面，進(jìn)而在膜片拍擊氣腔壁時產(chǎn)生摩擦或應(yīng)力；另一方面可歸因于氫對材料的劣化作用，在高溫高壓及拉伸應(yīng)力共同作用下，氫分子在金屬表面的吸附、解離、滲透、聚集作用更加明顯，導(dǎo)致材料塑韌性嚴(yán)重降低，強(qiáng)度也有所下降。以上兩方面原因?qū)е履て牧系膶?shí)際應(yīng)力遠(yuǎn)超許用應(yīng)力，在疲勞加載過程中，出現(xiàn)裂紋，并在氫氣環(huán)境中加速開裂，導(dǎo)致膜片失效。

儲氫容器服役工況復(fù)雜，頻繁且大幅度的壓力波動導(dǎo)致設(shè)備面臨疲勞損傷風(fēng)險(xiǎn)，甚至引發(fā)失效問題。近年來，儲氫環(huán)節(jié)發(fā)生了一系列安全事故，如2019年5月23日韓國江原道江陵市儲氫設(shè)施爆炸事件，造成2人死亡、6人受傷；同年6月1日，美國加利福尼亞州也發(fā)生了因儲氫容器氫氣泄漏引發(fā)的爆炸案例。中國同樣面臨類似挑戰(zhàn)，包括水電解制氫系統(tǒng)中儲氫罐的突發(fā)爆炸，以及儲氫壓力容器在水壓試驗(yàn)期間的事故等，凸顯了該領(lǐng)域的安全隱患。隨著中國氫能承壓設(shè)備在種類與數(shù)量上的急劇增長，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)趨向極限化（譬如設(shè)計(jì)壓力達(dá)到140MPa、設(shè)計(jì)溫度低至-253℃），加之我國綠氫產(chǎn)業(yè)規(guī)模效應(yīng)顯著提升，面臨大容積儲氫球罐等新場景，公眾對安全標(biāo)準(zhǔn)的期望日益提升，確保儲氫設(shè)備從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到應(yīng)用維護(hù)各環(huán)節(jié)的安全管控成為迫切需求。

當(dāng)前加氫站儲氫容器在其預(yù)期壽命內(nèi)所承受的壓力波動頻次在10³~10⁵次之間，由于暴露于高強(qiáng)度且頻繁的壓力波動環(huán)境，其面臨顯著的低周疲勞破壞風(fēng)險(xiǎn)。特別是工作壓力高的儲氫容器，其長期服役性能不僅受材料本身性能影響，還受到應(yīng)力載荷、服役工況（氫氣純度、壓力、溫濕度條件）及制造工藝等的綜合影響，這些都對安全設(shè)計(jì)規(guī)范提出了更高要求。值得注意的是，當(dāng)前我國投入運(yùn)營的加氫站運(yùn)行時間較短，氫氣充裝規(guī)模有限，相應(yīng)地，儲氫容器經(jīng)歷的充放氫循環(huán)次數(shù)維持在相對較低的范圍內(nèi)，大約在數(shù)十至數(shù)百次之間，極少數(shù)情況接近800次，這一現(xiàn)狀難以提供充分的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來支撐儲氫容器的疲勞壽命設(shè)計(jì)，無法有效評估儲氫容器的疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)。

在持續(xù)的壓力波動載荷作用下，儲氫容器材料于應(yīng)力集中區(qū)域易積累微觀損傷，并可能隨壓力循環(huán)次數(shù)累加而誘發(fā)裂紋萌生和擴(kuò)展，最終引發(fā)斷裂。尤其在高壓氫環(huán)境下，疲勞裂紋的擴(kuò)展速度顯著加劇，其相較于非氫氣環(huán)境可提升十倍以上，顯著降低了材料的疲勞壽命及應(yīng)力強(qiáng)度因子臨界值，成為制約儲氫容器可靠性的關(guān)鍵因素。研究指出，在92MPa高純氫氣環(huán)境下，4130X鋼材的疲勞裂紋擴(kuò)展速率相比空氣環(huán)境提升30~50倍。進(jìn)一步地，有關(guān)35L和198L容積小型儲氫容器的疲勞實(shí)驗(yàn)表明，在經(jīng)歷氫氣循環(huán)載荷作用時，其疲勞壽命僅為油介質(zhì)環(huán)境下的十分之一，凸顯了氫環(huán)境對疲勞性能的顯著影響。大量研究表明，高壓氫環(huán)境下Cr-Mo系列鋼材的疲勞裂紋擴(kuò)展速率大幅提高，并顯著減小氫致裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子閾值。作為Ⅲ型儲氫氣瓶內(nèi)膽材料的6061-T6鋁合金在多次循環(huán)充、放氫過程中的結(jié)構(gòu)損傷和性能衰減是影響其服役安全可靠性的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)NASA數(shù)據(jù)庫，6061-T6鋁合金被歸為可忽略氫脆（negligibly embrittled）的類型。Hagihara等針對1.0MPa和0.18MPa氫氣環(huán)境下的6061鋁合金開展疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，結(jié)果顯示，隨著加載頻率的降低，該鋁合金在氫氣環(huán)境中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率出現(xiàn)了一定程度的小幅度攀升。Tamura等通過開展45MPa氫氣條件6061鋁合金的拉伸試驗(yàn)以及疲勞試驗(yàn)等一系列測試發(fā)現(xiàn)，6061鋁合金在氫氣環(huán)境下所展現(xiàn)出的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，與在空氣中所獲取的數(shù)據(jù)具有相近性，表現(xiàn)出較好的抗氫脆性能。

氫氣壓力的升高還伴隨著金屬材料對氫致疲勞裂紋敏感性的增強(qiáng)。Barthélémy等的研究表明，SCM 435鋼材的疲勞裂紋擴(kuò)展速率在氫氣壓力由1MPa增至90MPa的過程中增加近30倍。值得注意的是，盡管材料力學(xué)性質(zhì)受氫氣壓力影響在低壓區(qū)段更為顯著，但當(dāng)壓力上升至某一特定閾值之后，其劣化效應(yīng)趨于飽和，力學(xué)性質(zhì)的進(jìn)一步退化變得不再明顯。這一系列發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了氫壓條件對材料行為的復(fù)雜調(diào)控作用，以及在設(shè)計(jì)高壓儲氫容器時必須嚴(yán)謹(jǐn)考慮的氫致疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)。

溫度也是影響金屬材料氫誘導(dǎo)疲勞裂紋擴(kuò)展的關(guān)鍵因素，例如4130X鋼在室溫條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率達(dá)到最大值。Williams等研究發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展速度隨應(yīng)力強(qiáng)度因子的增大而顯著加速。在低溫儲氫技術(shù)的應(yīng)用中，奧氏體不銹鋼材料因耐低溫性能而被廣泛采納。鄭津洋等的研究揭示了奧氏體不銹鋼在低溫條件下的疲勞特性與常溫狀態(tài)相比存在顯著差異，主要是因?yàn)椴牧显诘蜏丶疤囟☉?yīng)變幅度的共同作用下易發(fā)生組織相變，從而導(dǎo)致其在深冷及高壓氫環(huán)境中的疲勞行為變得更加復(fù)雜與多變。

管道輸氫運(yùn)輸成本低、能耗小，可實(shí)現(xiàn)氫能連續(xù)性、規(guī)模化、長距離輸送，是未來氫能大規(guī)模利用的必然發(fā)展趨勢。氫氣管道輸送距今已有80余年歷史，早在1938年，德國建造了世界上第一條氫氣管道，全長約215km，外徑在150~300mm之間，輸送壓力為2.5MPa。歐洲純氫管道主要采用X42、X52等低強(qiáng)度管線鋼，管道外徑在300~1000mm之間，輸送壓力較低。在美國，純氫管道運(yùn)行里程已超過2500km，主要采用低強(qiáng)度管線鋼，其中包括ASTM 106、API 5L B級鋼以及API 5L X42、X52鋼。國內(nèi)在氫氣管道建設(shè)方面相較于國外還處于初步發(fā)展階段，目前實(shí)際投入運(yùn)行的純氫管道包括金陵-揚(yáng)子氫氣管道、巴陵-長嶺氫氣管道、濟(jì)源-洛陽氫氣管道等，均采用低強(qiáng)度管線鋼制造，設(shè)計(jì)壓力控制在4MPa以內(nèi)，主要管道材料以20鋼和L245為主。

ASME B31.12中將可用于氫氣長輸管道的材料分為兩大類，分別是ASTM系列和API系列，詳見表1。此外，該標(biāo)準(zhǔn)還指出氫脆現(xiàn)象對材料的強(qiáng)度十分敏感，強(qiáng)度越高、氫脆越嚴(yán)重，所以在選擇材料時，不僅要對材料的屈服強(qiáng)度最低值提出要求，還要對材料的屈服強(qiáng)度上限值加以要求。ASME B31.12附錄A中結(jié)合歐美地區(qū)已建氫氣長輸管道20多年的安全運(yùn)營情況，推薦選用ASTM A 106 Grade B、ASTM A53 Grade B、API 5L X42和API 5L X52等鋼級。

對于輸氫管道而言，由于管材與氫氣長期接觸，氫會侵入到管材內(nèi)部，導(dǎo)致管材性能出現(xiàn)損減、斷裂韌性下降。管線鋼氫脆敏感性與微觀組織、合金成分、強(qiáng)度等因素密不可分，同時還受溫度、應(yīng)力載荷、氫分壓、氣體成分等外部環(huán)境影響，且相互存在耦合作用。綠氫管道具有氫氣純度高、距離長、外部環(huán)境變化復(fù)雜、輸送壓力升高等特點(diǎn)，導(dǎo)致管材脆性斷裂或疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)提升。

程玉峰提出管道氫致開裂的發(fā)生過程主要包括6個步驟，分別是氫原子產(chǎn)生、氫原子吸附在管線鋼表面、氫原子被吸收進(jìn)入管線鋼內(nèi)、氫原子在鋼中晶格點(diǎn)陣中擴(kuò)散、氫原子的局部聚集以及氫致裂紋的引發(fā)。如圖4所示，在高壓臨氫環(huán)境中，氫分子易吸附于管線鋼表面，并在特定位點(diǎn)發(fā)生解離生成氫原子，滲透侵入金屬材料內(nèi)部。氫原子尺寸小，能夠在晶格點(diǎn)陣中自由擴(kuò)散，這也是導(dǎo)致金屬（包括管線鋼）發(fā)生脆化的直接原因。管線鋼與其他金屬相同，含有各種類型的缺陷，如位錯、晶界、相界、夾雜物、二次相顆粒等，這些缺陷可作為“氫陷阱”捕獲氫原子，當(dāng)氫陷阱處集聚的氫原子濃度達(dá)到臨界值時，將會引發(fā)氫致裂紋，嚴(yán)重威脅管道運(yùn)行安全。

聚合物介質(zhì)中氫的滲透作用可視為一種從高濃度域向低濃度域的分子擴(kuò)散遷移過程。決定聚合物材料氫滲透特性的變量可歸結(jié)為材料本身與外界條件兩大類別，前者涵蓋化學(xué)組成、結(jié)晶、分子取向、分子鏈鉸鏈及填充劑種類，后者則涉及溫度波動、氣體分壓變化及氣體分子自身的特性。

在材料性質(zhì)方面，聚合物材料的化學(xué)組成對滲透動力學(xué)有顯著影響，如小尺寸氣體分子易在分子基團(tuán)上吸附。此外，氫與聚合物基體的相互作用能夠改變其化學(xué)結(jié)構(gòu)，誘發(fā)膨脹乃至斷裂等現(xiàn)象，為氣體分子滲透提供了更多渠道。不同聚合物高分子材料間，通常觀察到分子鏈交聯(lián)密度與其對氫擴(kuò)散的抑制效應(yīng)成正比關(guān)系，高交聯(lián)度意味著擴(kuò)散激活能壘的提升，從而阻礙氫分子的滲透。實(shí)際上，通過加工階段的改性處理加強(qiáng)分子鏈間的交聯(lián)，是強(qiáng)化聚合物抗氫滲透性能的有效途徑。至于聚合物材料的微觀相結(jié)構(gòu)，通常呈現(xiàn)結(jié)晶區(qū)域（晶相）與非結(jié)晶區(qū)域（非晶相）并存的特征，其中氣體在材料內(nèi)部的滲透性主要受限于非晶區(qū)，這是由于分子擴(kuò)散作為熱動力學(xué)過程，遵循能量最小路徑原則，而非晶相的松散排列為氣體分子提供了能量壁壘較低的擴(kuò)散軌跡，有利于氫的傳輸與擴(kuò)散進(jìn)程。

在外界條件影響方面，溫度能夠同時調(diào)控溶解與擴(kuò)散過程速率，并且其效應(yīng)對分子表觀活化能有影響。具體而言，隨著溫度升高，溶解及擴(kuò)散作用趨于劇烈，滲透性能隨之增強(qiáng)，且在對數(shù)坐標(biāo)系下，滲透率與溫度之間展現(xiàn)出線性相關(guān)性。然而，當(dāng)溫度觸及或超越玻璃化轉(zhuǎn)變閾值時，由高溫觸發(fā)的分子鏈松弛與遷移效應(yīng)會使表觀活化能顯著躍升，導(dǎo)致氫滲透性增加且誘發(fā)聚合物材料膨脹至斷裂的趨勢增強(qiáng)。氣體壓力的作用機(jī)理體現(xiàn)在兩個層面：首先，流體靜態(tài)壓力的抬升直接加劇聚合物材料的密度，壓縮其內(nèi)部自由體積；其次，增壓狀態(tài)促進(jìn)了聚合物內(nèi)部氣體分子的擴(kuò)散活動，此擴(kuò)散效應(yīng)能夠促使大分子鏈段塑化，進(jìn)而擴(kuò)展聚合物內(nèi)部的可滲透空間。假定氫分子與聚合物基體間缺乏相容性，氣體分子除軟化分子鏈外，還傾向于在材料微觀界面區(qū)域累積，形成局部氫分壓環(huán)境。一旦此累積壓力超越界面結(jié)合強(qiáng)度，將促發(fā)界面斷裂與氣泡生成，引發(fā)聚合物材料的膨脹與起泡現(xiàn)象，伴隨顯著的結(jié)構(gòu)損傷，諸如形成氣泡、內(nèi)部分層及形變彎曲等現(xiàn)象，顯著影響材料的完整性和性能。

為深入揭示在載荷、溫度及氫氣多重因素影響下加氫軟管的復(fù)合失效機(jī)制，研究不僅應(yīng)涵蓋聚合物材料與氫的相容性評估，還應(yīng)拓展至加氫軟管在典型服役場景中的系統(tǒng)性性能分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Simmons等研究了高壓氫氣環(huán)境對軟管所用聚合物材料耐磨性的影響，研究表明，與常壓大氣條件相比，處于高壓氫氛圍中的軟管聚合物材料摩擦系數(shù)顯著升高，即氫環(huán)境降低了聚合物材料的摩擦學(xué)性能。另外，Kevin等針對從加氫站收集的失效加氫軟管樣本進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其聚合物內(nèi)襯管遭受了重度損傷，呈現(xiàn)出不規(guī)則的穿透性孔洞。值得注意的是，最內(nèi)層包裹的鋼絲編織結(jié)構(gòu)在軟管外表面留下了清晰壓痕印記，測量得到的壓痕深度范圍在18~21μm之間，相較于循環(huán)加載前中部區(qū)域2.5~3.2μm的初始壓痕深度，增幅達(dá)6~7倍。該結(jié)論表明，纏繞鋼絲層在反復(fù)彎折過程中的持續(xù)形變，可能削弱了芯壁的厚度與整體強(qiáng)度。此外，在接近失效區(qū)域觀察到若干獨(dú)立分布的大氣泡。在高壓條件下，氣體的擴(kuò)散作用呈現(xiàn)出顯著的增強(qiáng)態(tài)勢。當(dāng)壓力被迅速釋放時，在聚合物核管材料的內(nèi)部與管腔之間會形成明顯的壓力差值。在此壓差環(huán)境中，聚合物材料內(nèi)部將會產(chǎn)生氣泡，且這些氣泡會逐步擴(kuò)張。當(dāng)聚合物材料承受由氫脈沖所引發(fā)的疲勞載荷作用時，其內(nèi)部的氣泡便會發(fā)生破裂現(xiàn)象，進(jìn)而對材料的性能和結(jié)構(gòu)完整性產(chǎn)生影響。

針對綠氫儲輸過程關(guān)鍵臨氫設(shè)施的材料失效問題，本文重點(diǎn)總結(jié)了氫氣壓縮機(jī)膜片、儲氫容器、輸氫管道、加氫軟管等的材料氫脆失效研究進(jìn)展，并提出了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，主要包括以下幾點(diǎn)。

（1）為降低壓縮機(jī)膜片的失效頻率，提升膜片服役壽命，可從三個方面采取措施：一是在設(shè)計(jì)方面優(yōu)化膜腔型線，合理設(shè)置配油盤油道及排氣閥幾何尺寸，減小膜片應(yīng)力集中；二是采取合適的運(yùn)行工藝，嚴(yán)格控制排氣溫度、氫氣純度，并且采取補(bǔ)償泵等措施保證油壓的平衡穩(wěn)定；三是優(yōu)化膜片材質(zhì)或采取表面處理等方式，提高膜片許用應(yīng)力及抗氫脆性能。

（2）高壓儲氫容器疲勞壽命及可靠性提升，具體措施包括四個方面：一是通過合金化開發(fā)具有高強(qiáng)度、高韌性、良好氫氣相容性和低裂紋擴(kuò)展速率的材料；二是容器內(nèi)表面處理，如噴丸強(qiáng)化、鍍層或涂層，可以有效阻礙氫吸附及微裂紋的萌生與擴(kuò)展；三是采用高精度的制造工藝，如激光焊接、電子束焊等，以減少焊接殘余應(yīng)力和缺陷，實(shí)施熱處理（如退火）以消除或減輕加工過程中引入的內(nèi)應(yīng)力；四是探索建立考慮氫氣壓力的疲勞壽命預(yù)測模型。

（3）氫氣管道的抗氫脆能力提升，可從四個方面進(jìn)行強(qiáng)化：一是通過添加有益合金元素、優(yōu)化熱處理工藝、細(xì)化晶粒等方式提高管線鋼本身的抗氫脆性能；二是通過優(yōu)化熱處理及加工工藝，減少內(nèi)部有害夾雜物同時引入有益組織；三是通過表面改性或改善管材運(yùn)行環(huán)境阻礙H原子界面滲透行為，有效抑制氫進(jìn)入基體；四是通過執(zhí)行合理的焊前預(yù)熱/焊后熱處理，改善焊接工藝參數(shù)，嚴(yán)格控制鋼中敏感組織、夾雜物含量及尺寸等，提高焊接接頭的抗氫脆能力。

（4）加氫軟管可靠性和壽命提升，可采取的措施包括四項(xiàng)：一是采用改性技術(shù)提升聚合物內(nèi)襯管材料的抗氫滲透性能、氫相容性以及疲勞壽命；二是優(yōu)化軟管的復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如在鋼絲纏繞層與內(nèi)襯管之間制備潤滑涂層，降低鋼絲對內(nèi)襯管的磨損程度；三是通過在軟管內(nèi)設(shè)計(jì)并放置柔性氫氣檢測傳感器，在線監(jiān)測軟管的泄漏情況；四是通過優(yōu)化軟管的制造工藝，如扣壓工藝，避免制造過程對軟管的結(jié)構(gòu)和材料造成損傷。