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金屬和合金的腐蝕純氫/摻氫埋地鋼質(zhì)管道在氫與外腐蝕耦合下的

慢應變速率試驗方法

1范圍

本文件規(guī)定了純氫/摻氫埋地鋼質(zhì)管道在氫與外腐蝕耦合下的慢應變速率試驗的原理、試樣制備和

要求、試驗儀器和設備、試驗條件、試驗步驟、試驗結(jié)果觀察及評定、質(zhì)量保證和試驗報告。

本文件適用于評價純氫/摻氫埋地鋼質(zhì)管道用材料在內(nèi)部氣態(tài)氫與外腐蝕耦合作用下的氫致開裂敏

感性。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

GB/T228.1金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫拉伸試驗方法

GB/T3634.2氫氣第2部分：純氫、高純氫和超純氫

GB/T15970.4金屬和合金的腐蝕應力腐蝕試驗第4部分：單軸加載拉伸試樣的制備和應用

GB/T15970.7-2017金屬和合金的腐蝕應力腐蝕試驗第7部分：慢應變速率試驗

GB/T34542.2-2018氫氣儲存輸送系統(tǒng)第2部分：金屬材料與氫環(huán)境相容性試驗方法

3術(shù)語和定義

GB/T228.1、GB/T10123、GB/T10623、GB/T15970.1和GB/T15970.7-2017界定的以及下列術(shù)語

和定義適用于本文件。

3.1

氫促失效hydrogen-assistedfailure

氫對金屬材料失效的促進作用。

3.2

外腐蝕externalcorrosion

純氫/摻氫埋地鋼質(zhì)管道服役過程中管道外表面發(fā)生的各種腐蝕類型的統(tǒng)稱。

3.3

腐蝕性環(huán)境模擬槽corrosiveenvironmentsimulationtank

用于存儲模擬純氫/摻氫埋地鋼質(zhì)管道材料外腐蝕環(huán)境介質(zhì)的容器。

3.4

摻氫比hydrogenblendratio

天然氣中摻入氫氣的體積分數(shù)。

4原理

1

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4.1純氫/摻氫埋地鋼質(zhì)管道材料性能退化受到內(nèi)部氣態(tài)氫和外腐蝕的共同影響。管道內(nèi)部氣態(tài)氫可通

過碰撞、吸附、解離和擴散進入金屬基體直接影響材料的服役性能，還可擴散到管道外壁與外腐蝕環(huán)境

發(fā)生耦合作用影響管道的服役性能（如氫致開裂敏感性）。

4.2試驗是使內(nèi)部中空的棒狀（或管狀）拉伸試樣處于內(nèi)部為規(guī)定壓力的純氫或者規(guī)定摻氫比的摻氫

燃氣，外部為腐蝕性環(huán)境，對試樣開展慢應變速率試驗，可評價埋地鋼質(zhì)管道材料在內(nèi)部氣態(tài)氫與外腐

蝕耦合作用下的氫致開裂敏感性。

5試樣制備和要求

5.1試驗材料

試驗材料應采用待評價的鋼質(zhì)管道加工試樣。若待評價鋼質(zhì)管道由于尺寸原因無法加工試樣時，應

采用與待評價管道同工藝、同性能的材料加工試樣。

5.2試樣形狀及尺寸要求

5.2.1應使用內(nèi)部中空的棒狀（或管狀）試樣，試樣尺寸如圖1。

標引序號說明：

D1——緊固螺紋外徑；

D2——標距段區(qū)域外徑；

D3——試樣內(nèi)徑；

L1——標距段長度；

L2——試樣總長度。

圖1內(nèi)部中空的棒狀拉伸試樣形狀及尺寸要求

5.2.2試樣的具體尺寸取決于被試驗鋼質(zhì)管道的具體尺寸。通常，試樣長度方向為管道的軸向方向，

D2-D3的數(shù)值應不低于2mm。

5.2.3試樣L1的具體尺寸應根據(jù)具體測試條件而定，當不需要模擬外腐蝕環(huán)境時，其尺寸可參照GB/T

228.1中的相關要求；當需要模擬外腐蝕環(huán)境時，應滿足在其周圍布置腐蝕性環(huán)境模擬槽的空間尺寸要

求。

5.2.4在某些情況下（尤其是研究焊縫不同區(qū)域服役性能時）可在標距段外壁加工缺口，缺口應滿足

GB/T15970.4和GB/T15970.7-2017中的相關要求。

5.2.5其他尺寸要求應滿足GB/T228.1中的相關要求。也可采用其他形狀的試樣，但標距段的壁厚不

宜低于1mm，其他尺寸滿足試驗要求及GB/T228.1中的相關要求即可。

5.2.6每組平行試樣應不少于3個。

5.3試樣制備

5.3.1試樣切取位置可根據(jù)待測鋼質(zhì)管道或材料的形狀、尺寸和試驗目的而選擇。

5.3.2試樣機加工應減少試樣過熱和試樣發(fā)生塑性變形的可能性。宜采用對材料影響小的加工方法制

備樣品。試樣軸線應與力的作用線重合。

5.3.3同一試驗應采用統(tǒng)一的試樣加工方法。推薦用水砂紙對試樣表面依次打磨至1500#或以上，最

2

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后一道砂紙打磨方向應平行于試樣的加載方向?；蛘卟捎密囅骷庸し绞街苯蛹庸ぶ练霞s定表面粗糙度

要求的試樣。

5.3.4加工試樣內(nèi)部中空部位時應選擇合適的加工方式。當中空部位孔徑與長度比較小時，推薦采用

槍鉆加工。試樣加工完成后，應對內(nèi)壁的表面粗糙度進行測量，并記錄于實驗報告中。

5.3.5當待測試部位（或部件）包含焊縫（對接焊縫）時，應盡量將焊縫部位置于試樣標距段的中部，

并在需要評價的部位加工缺口（焊縫、熔合線部位和焊接熱影響區(qū)）。

5.3.6當需評價螺旋焊縫部位氫致開裂敏感性時，可采用5.3.4中的試樣制備方法，但需要注意焊縫

區(qū)會與拉伸方向呈一定角度傾斜。

5.3.7加工完成的試樣應先采用無水乙醇清洗，后采用分析純級丙酮或無水乙醇超聲清洗，超聲清洗

時間應不低于30min。試樣清洗完成后，干燥保存。

6試驗儀器和設備

6.1一般要求

6.1.1加載裝置主體機構(gòu)如圖2所示，主要由加載桿、密封件、內(nèi)部中空的棒狀拉伸試樣、腐蝕性環(huán)

境模擬槽和進/出氣管等組成。

6.1.2試驗裝置用材和中空棒狀拉伸試樣內(nèi)部的壓力控制應滿足GB/T34542.2-2018中5.1部分的相

關要求。

6.2慢應變速率拉伸加載裝置

6.2.1慢應變速率拉伸加載裝置的應變速率應可調(diào)節(jié)，且最低應變速率不宜大于10-6/s?？筛鶕?jù)試驗

要求選擇合適的應變速率，建議參照GB/T15970.7-2017進行選擇。

6.2.2慢應變速率拉伸加載裝置加載軸應配備位移傳感器，且位移傳感器的測量精度宜高于±5μm或

者±5%。

6.3腐蝕性環(huán)境模擬槽

6.3.1腐蝕性環(huán)境模擬槽主要用于放置模擬埋地管道腐蝕性溶液，特殊情況下也可放置固體腐蝕性介

質(zhì)（如土壤等），但是應在符合試驗要求的基礎上滿足安全、環(huán)保等方面的規(guī)定。

6.3.2當盛放腐蝕性溶液時，模擬槽應設置溶液循環(huán)系統(tǒng)及溫度控制系統(tǒng)等，實現(xiàn)長期試驗過程中模

擬槽中腐蝕性環(huán)境成分及溫度的穩(wěn)定。

6.3.3必要時，模擬槽還需要設置通氣孔（含進氣孔和出氣孔，且進氣孔應靠近溶液底部的位置），

通過通入相應的氣體來控制腐蝕性溶液中的溶解氣體含量。比如，可通過通入超純氮氣來降低溶液中的

溶解氧含量。

6.3.4還可在模擬槽中設置參比電極和對電極，通過電化學工作站實現(xiàn)試驗過程中電化學數(shù)據(jù)的測量

或者施加陰極極化。

6.4中空試樣兩側(cè)密封裝置

6.4.1推薦采用螺紋與密封墊圈的方式進行中空拉伸試樣兩端的密封，如圖2中的上密封件和下密封

件。

6.4.2密封件及密封墊圈應與氫具有良好的相容性，密封墊圈應在每次試驗完畢后更換。

6.4.3密封件應設置通氣管，通氣管與氣源和壓力表相連接。當氣源為純氫時，中空試樣中的氫氣可

為靜態(tài)（通入的氫氣到達指定試驗壓力后，關閉通氣管閥門，保持試樣的內(nèi)部壓力，此時氫氣在宏觀上

處于非流動的靜止狀態(tài)）；當氣源為摻氫燃氣時，中空試樣中的氣體宜為動態(tài)（宏觀上保持氣體的流動），

如難以在動態(tài)氣體條件下進行試驗也可采用靜態(tài)，但試驗報告中應注明總的試驗時間。

3

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標引序號說明：

1——夾頭；

2——上O型密封件；

3——試樣；

4——腐蝕性環(huán)境模擬槽；

5——下O型密封件；

6——出氣管；

7——閥門I；

8——壓力表；

9——進氣管；

10——閥門II。

圖2試驗裝置主體基本結(jié)構(gòu)

7試驗條件

7.1氣源

7.1.1試驗用氫氣應滿足GB/T3634.2中氫氣的相關要求，也可使用實際輸氫管道中的氫氣。

7.1.2試驗用摻氫燃氣應滿足國家或行業(yè)標準的相關要求，也可使用實際管輸摻氫天然氣氣體。當研

究不同摻氫比的影響時，也可采用人工混合氣，但是其純度或者雜質(zhì)氣體含量應滿足相關測試要求。

7.1.3試驗中采用惰性氣體氮氣的純度應不低于99.999%。

7.2溶液配制

7.2.1采用電導率小于1μS/cm的去離子水配制試驗溶液。

7.2.2據(jù)試驗要求采用分析純級試劑配制試驗溶液。

7.3試樣夾持

應保證試樣對中可靠并能穩(wěn)定夾持。

7.4試驗溫度

4

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7.4.1試驗過程中腐蝕性環(huán)境模擬槽中介質(zhì)的試驗溫度控制誤差應小于±3℃。

7.4.2環(huán)境對比試驗和在內(nèi)部氫與外腐蝕耦合作用下的慢應變速率試驗應采用相同的溫度。

8試驗步驟

8.1按GB/T15970.7-2017的原則和建議選取應變速率等試驗參數(shù)。

8.2將上下密封件與內(nèi)部中空的棒狀拉伸試樣進行裝配，并采用高純氮氣打壓，進行氣密性測試。氣

密性良好時，按照圖2所示，將試樣安裝在連接于慢應變速率拉伸裝置上、下拉伸機構(gòu)的上、下加載桿

上，確認同軸度良好、夾持牢固。

8.3將腐蝕性環(huán)境模擬槽按照圖2所示，裝配于拉伸試樣標距段中部，采用橡膠密封O環(huán)實現(xiàn)密封。

腐蝕性環(huán)境模擬槽推薦采用非金屬材料加工；當采用金屬材料時，必須確保模擬槽和試樣絕緣。

8.4確認試驗裝置測溫、測壓、測力、位移傳感器及安全保護裝置均處于正常工作狀態(tài)。

8.5采用高純氮氣或其他惰性氣體置換試樣內(nèi)部和供氣（純氫或摻氫燃氣）管路系統(tǒng)，再用規(guī)定的試

驗氣體（純氫、摻氫燃氣等）置換，具體應滿足GB/T34542.2-2018中7.1.2部分的相關要求。

8.6試樣內(nèi)部通入試驗氣體，并達到試驗的規(guī)定氣體壓力。

8.7保持管內(nèi)壓力一段時間后（按照試驗規(guī)定執(zhí)行），在腐蝕性環(huán)境模擬槽中注入試驗要求的溶液或

其他介質(zhì)，并按照試驗要求調(diào)節(jié)溫度、流量、溶解氧（飽和氧、無氧）、pH值等，達到與實際服役環(huán)

境盡量貼近的外腐蝕環(huán)境。

8.8待8.7中的各種參數(shù)達到試驗要求后，調(diào)節(jié)加載裝置至位移控制模式。設置目標應變量和拉伸速

率等參數(shù)后開始拉伸試驗，當拉伸至目標應變量時試驗停止，也可根據(jù)要求將試樣拉斷。

8.9在試樣拉斷的場合下，建議分別在暴露于試驗環(huán)境（內(nèi)部氫或/和外腐蝕）中和暴露于惰性氣體環(huán)

境中采用相同的應變速率進行試驗，這樣可通過數(shù)據(jù)比較，確定金屬材料在外腐蝕、內(nèi)部氫和內(nèi)部氫-

外腐蝕耦合作用三種條件下的開裂敏感性。

8.10若存在明顯的點腐蝕或晶間腐蝕等問題，建議將沒有施加應變的試樣暴露到與施加應變試樣相同

的環(huán)境中，通過與未受應變試樣的行為比較來評價應變的作用機制。

8.11試驗結(jié)束后，對于未斷裂（破裂）的試樣，采用高純氮氣排出試樣和通氣管中的氫氣或摻氫燃氣。

當試驗氣體含量低于1%時，方可將試樣拆解下來進行后續(xù)分析；對于斷裂的試樣，氣體控制系統(tǒng)應設

置電磁閥，當拉伸系統(tǒng)載荷檢測到突變或者壓力測試系統(tǒng)檢測到突變信號時，應控制電磁閥及時關閉，

避免過多可燃性氣體泄漏，隨后可直接將試樣拆卸下來進行后續(xù)分析。

8.12按照上述步驟進行重復性試驗，每種條件下試驗次數(shù)應不低于3次。

9試驗結(jié)果觀察及評定

9.1評定依據(jù)

9.1.1與惰性環(huán)境中的斷裂模式和性能數(shù)據(jù)進行對比，判斷試樣是否發(fā)生氫脆或應力腐蝕開裂。

9.1.2通常可利用顯微鏡或者掃描電子顯微鏡觀察斷口表面斷裂模式的變化以及側(cè)面是否出現(xiàn)二次裂

紋來判斷是否發(fā)生氫脆及應力腐蝕開裂。

9.1.3對于帶缺口的試樣，按照GB/T15970.7-2017中8.2節(jié)處理。

9.1.4可以將暴露到試驗環(huán)境中和暴露到惰性環(huán)境中的試驗結(jié)果進行比較，按照式（1）計算相對比值

來評定氫脆及應力腐蝕開裂的敏感性。相對比值越大，則氫脆或應力腐蝕開裂敏感性越高。

相對比值=|（1-比值）|×100%………………（1）

5

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式中：

比值——試樣在試驗環(huán)境中得到的結(jié)果/試樣在惰性介質(zhì)環(huán)境中得到的結(jié)果；

結(jié)果——用同一初始應變速率下的斷面收縮率或斷后伸長率來表示。

9.1.5耦合應力腐蝕敏感性Icouple，可以通過9.1.4中的比值，通過式（2）算出。

Icouple=|1-比值氫-外腐蝕/比值氫（或，比值外腐蝕）|×100%…………（2）

9.1.6對于未斷裂的試樣，應通過顯微鏡統(tǒng)計標距段內(nèi)裂紋的密度、平均長度或者平均深度來比較應

力腐蝕敏感性。

9.2數(shù)據(jù)處理

9.2.1按9.1所述方法，判斷和計算試樣在測試條件下發(fā)生應力腐蝕開裂敏感性程度并記錄。

9.2.2通過金相顯微鏡或掃描電子顯微鏡對試樣標距段范圍內(nèi)的表面裂紋形貌及斷口形貌特征進行觀

察并記錄，分析裂紋萌生和擴展情況，記錄裂紋的形貌特征。

9.2.3統(tǒng)計試樣標距段范圍內(nèi)的裂紋數(shù)量、長度、深度以及斷面發(fā)生應力腐蝕開裂的面積百分比進行

應力腐蝕開裂敏感性的定量評價。

9.2.4數(shù)據(jù)的處理和結(jié)果的評定也可參照GB/T15970.7-2017中的相關規(guī)定執(zhí)行。

10質(zhì)量保證

10.1試驗人員要求

應具備應力腐蝕試驗操作技能、金屬材料和失效分析等相關的專業(yè)背景知識。

10.2試驗系統(tǒng)校準要求

定期對慢應變速率拉伸裝置的載荷、位移測量傳感器和本文件測試裝置中的溫度、壓力等測試傳感

器或探頭進行檢測或計量標定，并在有效期內(nèi)使用，定期更換相關耗材，保存相關記錄。

10.3通用安全要求

10.3.1試驗應在相對開闊的環(huán)境中進行，并保證試驗空間內(nèi)的氣體流動良好。

10.3.2試驗空間應符合相關國家、行業(yè)或地方安全管理的相關規(guī)定及要求。

10.3.3試驗空間內(nèi)應配置相應的氣體泄漏報警裝置。

10.3.4試驗人員必須進行崗前培訓，尤其是安全用氣培訓。

11試驗報告

試驗報告應包括但不限于以下內(nèi)容：

a)試驗采用的標準號；

b)材料牌號和標準號、爐批號、化學成分、熱處理狀態(tài)和力學性能等；

c)試樣尺寸、加工方式、取樣位置等；

d)試驗參數(shù)：如：試驗氣體（純度、壓力、摻氫比等）、溶液成分、試驗溫度、試驗時間、應變

速率及應變量等；

e)試驗結(jié)果：應包括但不限于試樣的應力腐蝕開裂敏感性程度、試樣表面的裂紋形貌、數(shù)量、長

度、斷裂時間、延伸率、面縮率、屈服強度以及抗拉強度等；

f)試驗異常記錄（如有）；

g)試驗人員、審核人員和日期。

6

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參考文獻

[1]GB/T10123金屬和合金的腐蝕術(shù)語

[2]GB/T10623金屬材料力學性能試驗術(shù)語

[3]GB/T15970.1金屬和合金的腐蝕應力腐蝕試驗第1部分：試驗方法總則

7

《金屬和合金的腐蝕純氫/摻氫埋地鋼質(zhì)管道在氫與外腐蝕

耦合下的慢應變速率試驗方法》

行業(yè)標準編制說明（征求意見稿）

一、工作簡況

1.1任務來源

根據(jù)工信廳科函〔2023〕291號文件2023年第三批行業(yè)標準制修訂和外文版項目計

劃的通知（計劃號2023-1505T-YB），由廣東腐蝕科學與技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國科學院

金屬研究所等單位負責《金屬和合金的腐蝕純氫/摻氫埋地鋼質(zhì)管道在氫與外腐蝕耦合

下的慢應變速率試驗方法》行業(yè)標準制定。計劃完成時間為2025年。

1.2主要工作過程

起草(草案、調(diào)研)階段:計劃下達后，全國鋼標委會金屬和合金的腐蝕分委會組織各

起草單位成立了起草工作組，由廣東腐蝕科學與技術(shù)創(chuàng)新研究院牽頭成立了標準編制工

作組，負責主要起草工作。工作組對國內(nèi)外氫能及慢應變速率試驗的相關標準、政策及

輸氫埋地管道產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況進行全面調(diào)研，同時廣泛搜集相關標準和國內(nèi)外技術(shù)資料，

進行了大量的研究分析、資料查證工作，結(jié)合實際應用經(jīng)驗和大量試驗驗證數(shù)據(jù)，進行

全面總結(jié)和歸納，編制出標準草案。

為了驗證標準草案中試驗條件、要求、過程的可行性、可操作性與依據(jù)草案所測結(jié)

果的重復性，廣東腐蝕科學與技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國科學院金屬研究所和金粵檢測技術(shù)

（廣州）有限公司三家單位分別開展了測試驗證，經(jīng)工作組及有關專家研討，對標準草

案初稿進行了認真的修改，于2024年4月形成了標準征求意見稿及其編制說明等相關

附件，報全國鋼標委會金屬和合金的腐蝕分委會秘書處。

征求意見階段:2024年4月，全國鋼標委會金屬和合金的腐蝕分委會秘書處將把

標準征求意見稿和編制說明發(fā)送到金屬和合金的腐蝕分委員會委員及有代表性的標準

相關方廣泛征求意見，同時在《鋼鐵標準網(wǎng)》網(wǎng)站上公開征求社會意見。

1

二、標準編制原則

本文件嚴格貫徹國家的有關方針、政策、法規(guī)；合理利用資源；保障安全，保護環(huán)

境。在技術(shù)內(nèi)容上力求先進性和實用性統(tǒng)一，編寫格式上嚴格按照中華人民共和國國家

標準GB/T1.1－2020《標準化工作導則第1部分：標準的結(jié)構(gòu)和編寫規(guī)則》的規(guī)定進行

編寫，力求指標科學、合理，試驗方法具有可行性和可操作性。

本文件屬于首次發(fā)布，符合國家新能源的發(fā)展戰(zhàn)略需求。我國已經(jīng)向全世界承諾了

“3060”碳減排目標，大力發(fā)展氫能不僅是我國實現(xiàn)上述目標的關鍵途徑之一，也是我

國能源戰(zhàn)略中必不可少的一部分。要想安全利用氫能，在盡可能接近服役環(huán)境下的鋼質(zhì)

管道服役性能評價技術(shù)及標準必不可少。

三、主要內(nèi)容說明

利用可再生能源發(fā)電制氫（PowertoGas，P2G）技術(shù)將大規(guī)模的風電、光電轉(zhuǎn)化為

氫能，是可再生能源利用最高效、最有前景的技術(shù)；將P2G制得的氫氣以一定的體積分

數(shù)摻入現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)（以埋地鋼質(zhì)管道為主）中輸送，是實現(xiàn)氫氣大規(guī)模、低成本輸

送的最佳方案。由此可見，純氫/摻氫燃氣埋地鋼質(zhì)管道材料性能退化同時受到了內(nèi)部氣

態(tài)氫和外腐蝕的共同影響。管道內(nèi)部氣態(tài)氫可通過碰撞、吸附、解離和擴散進入金屬基

體，它們不僅直接影響材料的服役性能，還可擴散到金屬管道外壁并影響金屬管道的外

腐蝕行為，進而與外腐蝕發(fā)生耦合作用影響金屬管道的服役性能（如氫致開裂敏感性）。

因此，純氫/摻氫埋地鋼質(zhì)管道的長期服役性能勢必會受到內(nèi)部氫和外腐蝕的耦合作用影

響，但氫促外腐蝕失效和氫脆的協(xié)同競爭機制目前尚不清楚，根本原因在于尚無氫與外

腐蝕耦合作用下純氫/摻氫埋地鋼質(zhì)管道材料氫促失效試驗測試方法。

本標準的目的是形成一種簡單、普適的內(nèi)部氫與外腐蝕耦合作用下純氫/摻氫埋地鋼

質(zhì)管道材料氫促失效的試驗方法—慢應變速率試驗，明確不同鋼質(zhì)管道外腐蝕類型與管

道內(nèi)部純氫/摻氫環(huán)境（摻氫比、壓力等）耦合作用下管道的性能退化規(guī)律和機理，推進

鋼質(zhì)管道的環(huán)境相容性評價，為我國大規(guī)模純氫/摻氫安全輸送提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐，并

使之成為我國氫氣制、運、儲、用標準體系中的關鍵部分之一。

本標準適用于評價純氫/摻氫埋地鋼質(zhì)管道用材料在內(nèi)部氫與外腐蝕耦合作用下的

服役性能評價，具體為采用慢應變速率試驗，測定埋地鋼質(zhì)管道材料在內(nèi)部氫與外腐蝕

耦合作用下的氫致開裂敏感性。

2

四、主要試驗(或驗證)情況

4.1試驗原理

采用內(nèi)部中空的棒狀（或管狀）拉伸試樣，試驗過程中試樣內(nèi)部為規(guī)定壓力的純氫

或者規(guī)定摻氫比的摻氫燃氣，試樣外部為腐蝕性環(huán)境，可實現(xiàn)內(nèi)部氣態(tài)氫與外腐蝕耦合

作用下的慢應變速率拉伸試驗，評價埋地鋼質(zhì)管道材料在內(nèi)部氣態(tài)氫與外腐蝕耦合作用

下的氫致開裂敏感性。也可將暴露于試驗環(huán)境（內(nèi)部氣態(tài)氫或/和外腐蝕）中和暴露于惰

性氣體環(huán)境中的試驗結(jié)果進行比較，確定金屬材料在外腐蝕、內(nèi)部氣態(tài)氫和內(nèi)部氣態(tài)氫

-外腐蝕耦合作用三種條件下的應力腐蝕敏感性。

4.2試驗材料及試樣

目前純氫輸送管道一般使用20#鋼，摻氫燃氣埋地鋼質(zhì)管道材料包括X42管線鋼、

X52管線鋼和X65管線鋼等。本試驗主要選擇純氫輸送管道材料20#鋼進行試驗驗證。

本試驗中采用管狀拉伸試樣，具體尺寸如下圖所示。試樣加工胚料直接采用線切割

的方式取自輸氫管道工程用20#鋼無縫管，然后采用車削加工方法獲得外形尺寸，再采

用槍鉆工藝加工中心孔。內(nèi)外表面的粗糙度Ra均小于0.8μm。為避免管道材料在試樣

加工過程發(fā)生腐蝕，采取了必要的措施防止材料腐蝕。加工完成的試樣先采用無水乙醇

清洗，后采用分析純級丙酮或無水乙醇超聲清洗，超聲清洗時間30分鐘。試樣清洗完

成后，干燥保存。驗證試驗中共加工12根試樣，全部由中國科學院金屬研究所負責加

工并分發(fā)給各測試單位。

4.3試驗條件的確定

針對20#鋼純氫輸送管道，一般設計輸送壓力不高于4MPa，因此在本驗證試驗中的

管狀試樣內(nèi)的環(huán)境設定為4MPa純氫氣氛；為了模擬管道土壤溶液腐蝕，國際上通常采

用NS4溶液，本試驗中也采用此溶液，同時采用溶液循環(huán)方式來保證溶液成分的穩(wěn)定性

3

和溫度的穩(wěn)定性（本試驗中的溫度為25℃），試驗過程中采用高純氮氣對溶液進行除氧；

應變速率選擇為10-7/s。

NS4溶液組分KClNaHCO3CaCl2·2H2OMgSO4·7H2O

含量（g/L）0.1220.4830.1810.131

4.4試驗過程

(1)將上下密封件與心部中空的棒狀拉伸試樣進行裝配，并采用高純氮氣打壓，進

行氣密性測試。氣密性良好時，將試樣安裝在連接于慢應變速率拉伸裝置上、

下拉伸機構(gòu)的上、下加載桿上，確認同軸度良好、夾持牢固。

(2)將腐蝕性環(huán)境模擬槽裝配于拉伸試樣中部，采用橡膠密封O環(huán)實現(xiàn)密封。腐蝕

性環(huán)境模擬槽采用非金屬材料加工。

(3)確認試驗裝置測溫、測壓、測力、位移傳感器及安全保護裝置均處于正常工作

狀態(tài)。

(4)采用高純氮氣置換試樣內(nèi)部和供氣（純氫或摻氫燃氣）管路系統(tǒng)，再用純氫、

置換，具體應滿足GB/T34542.2中7.1.2部分的相關要求。

(5)試樣內(nèi)部通入氫氣氣體，并達到試驗的規(guī)定氣體壓力。

(6)在腐蝕性環(huán)境模擬槽中注入試驗要求的溶液或其他介質(zhì)，并按照試驗要求調(diào)節(jié)

溫度和流量，試驗過程中采用高純氮氣對溶液進行除氧。

(7)待各種參數(shù)達到試驗要求后，調(diào)節(jié)加載裝置至位移控制模式。設置拉伸速率參

數(shù)后開始拉伸試驗，直至將試樣拉斷。

(8)試驗結(jié)束后，測量斷后伸長率和斷面收縮率。

(9)按照上述步驟進行重復性試驗，試驗次數(shù)為3次。

4.5試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果重復性

中國科學院金屬研究所測試3組平行試樣數(shù)據(jù)見表1。

4

表1中國科學院金屬研究所測試數(shù)據(jù)

屈服強度抗拉強度斷后伸長率斷面收縮率

序號

（MPa）（MPa）（%）（%）

130049519.7533.21

230349118.6332.42

328648819.2132.17

平均值296.33491.3319.2032.60

標準差9.073.510.560.55

重復性0.030.010.030.02

廣東腐蝕科學與技術(shù)創(chuàng)新研究院測試3組平行試樣數(shù)據(jù)見表2。

表2廣東腐蝕科學與技術(shù)創(chuàng)新研究院測試數(shù)據(jù)

序號屈服強度抗拉強度斷后伸長率斷面收縮率

（MPa）（MPa）（%）（%）

130951118.4231.27

230749618.8931.05

330050319.1233.68

平均值305.33503.3318.8132.00

標準差4.737.510.361.46

重復性0.020.010.020.05

金粵檢測技術(shù)（廣州）有限公司測試3組平行試樣數(shù)據(jù)見表3。

表2金粵檢測技術(shù)（廣州）有限公司測試數(shù)據(jù)

序號屈服強度抗拉強度斷后伸長率斷面收縮率

（MPa）（MPa）（%）（%）

129548719.0133.85

228749219.1733.52

330149819.3633.11

平均值294.33492.3319.1833.49

標準差7.025.510.180.37

重復性0.020.010.010.01

4.6結(jié)論

由表1~3的平行試樣測試數(shù)據(jù)可見，本標準所建立的試驗方法具有較高的精密度，

重復性在0.01~0.05之間，數(shù)據(jù)重復性好。說明不同的操作者在不同的實驗室，依據(jù)本

標準對測試樣品進行測定，具有可行性。

5

五、預期達到的社會效益、對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的作用等情況

本標準是首次制定。

本標準形成一種簡單、普適的內(nèi)部氫與外腐蝕耦合作用下純氫/摻氫燃氣埋地鋼質(zhì)管

道材料氫促失效的試驗方法—慢應變速率試驗，明確不同鋼質(zhì)管道外腐蝕類型與管道內(nèi)

部純氫/摻氫燃氣環(huán)境（摻氫比、壓力等）耦合作用下管道的性能退化規(guī)律和機理，推進

鋼質(zhì)管道的環(huán)境相容性評價。通過標準的制定和實施，

（1）將填補我國鋼質(zhì)管道外腐蝕與管內(nèi)臨氫協(xié)同作用下的金屬管道本體及焊縫氫

失效檢測方法標準的空白，進一步完善我國氫氣制、運、儲、用標準體系，并成為其中

的關鍵部分之一；

（2）為保證埋地純氫或摻氫鋼質(zhì)管道的運行安全，以及我國大規(guī)模摻氫安全輸運

提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐；

（3）將有效推動埋地純氫或摻氫鋼質(zhì)管道檢測技術(shù)研究，為行業(yè)及相關產(chǎn)品檢測標

準的制定提供有效的參考，加快我國氫能的規(guī)模化應用步伐，進一步推動創(chuàng)新安全服役

評價技術(shù)的推廣應用，促進氫能行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

六、國內(nèi)外標準概況

（1）國內(nèi)相關標準：

GB/T15970.7-2017《金屬和合金的腐蝕應力腐蝕試驗第7部分：慢應變速率試驗》

規(guī)定了慢應變速率試驗程序，用于研究金屬和合金對應力腐蝕破裂的敏感性，包括氫致

失效，但標準僅適用于管線鋼的氫致裂紋敏感性測試，無法在腐蝕和氫耦合條件下進行

相關測試；

GBT8650-2015《管線鋼和壓力容器鋼抗氫致開裂評定方法》規(guī)定了管線鋼和壓力

容器鋼板以及法蘭和管件在含硫化物水溶液的腐蝕環(huán)境中由于腐蝕吸氫引起的氫致開

裂的評定方法，不適合純氫/摻氫埋地金屬管道的評價；

GBT4157-2017《金屬在硫化氫環(huán)境中抗硫化物應力開裂和應力腐蝕開裂的實驗室

試驗方法》規(guī)定了在含H2S的低pH值水溶液環(huán)境中，金屬材料在受拉伸應力作用下的

抗硫化物應力開裂（SSC）和應力腐蝕開裂（SCC）的實驗室試驗方法，不適合純氫/

摻氫燃埋地金屬管道的評價；

GB/T34542.3-2018《氫氣儲存輸送系統(tǒng)第2部分：金屬材料與氫環(huán)境相容性試驗

方法》主要適用于金屬材料在氣態(tài)氫環(huán)境中的拉伸性能、疲勞性能以及斷裂力學性能測

6

定，不適用于管線鋼實際服役過程中載荷、腐蝕和氫耦合的條件；

GB/T34542.3-2018《氫氣儲存輸送系統(tǒng)第3部分：金屬材料氫脆敏感度試驗方法》

規(guī)定了金屬材料氫脆敏感度試驗的一般要求、試驗設備、試樣要求、試驗程序、氫脆敏

感度評價和試驗報告。標準主要用于高壓氣態(tài)氫中金屬材料的氫促敏感度評價，同樣不

適用于管線鋼實際服役過程中載荷、腐蝕和氫耦合的條件。

（2）國外相關標準：

IOS7539-7《Corrosionofmetalsandalloys–Stresscorrosiontesting–Part7:

Methodforslowstrainratetesting》：僅適用于金屬單一外界條件的氫致開裂或者應力腐

蝕敏感性測試。

七、與有關的現(xiàn)行的方針、政策、法律、法規(guī)和強制性標準的關系

本文件的制定與現(xiàn)行的政策、標準相適應。

八、對征求意見及重大分歧意見的處理經(jīng)過和依據(jù)

正在進行實踐改進。

九、標準的性質(zhì)和水平

本文件為推薦性標準，達到國際先進水平。

十貫徹標準的要求和措施建議

一般情況下，建議本文件批準發(fā)布即實施。

十一、廢止或代替現(xiàn)行相關標準的建議

無。

十二、其他應予說明的事項

無。

7

ICS77.060

CCSH25

YB

中華人民共和國黑色冶金行業(yè)標準

YB/TXXXXX—XXXX

金屬和合金的腐蝕純氫/摻氫埋地鋼質(zhì)管

道在氫與外腐蝕耦合下的慢應變速率試驗

方法

Corrosionofmetalsandalloys—Slowstrainratetestingundercoupledeffectsof

hydrogenandexternalcorrosionforpurehydrogen/hydrogendopedburiedsteel

pipeline

(點擊此處添加與國際標準一致性程度的標識)

（征求意見稿）

在提交反饋意見時，請將您知道的相關專利連同支持性文件一并附上。

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實施

中華人民共和國工業(yè)和信息化部??發(fā)布

YB/TXXXXX—XXXX

金屬和合金的腐蝕純氫/摻氫埋地鋼質(zhì)管道在氫與外腐蝕耦合下的

慢應變速率試驗方法

1范圍

本文件規(guī)定了純氫/摻氫埋地鋼質(zhì)管道在氫與外腐蝕耦合下的慢應變速率試驗的原理、試樣制備和

要求、試驗儀器和設備、試驗條件、試驗步驟、試驗結(jié)果觀察及評定、質(zhì)量保證和試驗報告。

本文件適用于評價純氫/摻氫埋地鋼質(zhì)管道用材料在內(nèi)部氣態(tài)氫與外腐蝕耦合作用下的氫致開裂敏

感性。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

GB/T228.1金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫拉伸試驗方法

GB/T3634.2氫氣第2部分：純氫、高純氫和超純氫

GB/T15970.4金屬和合金的腐蝕應力腐蝕試驗第4部分：單軸加載拉伸試樣的制備和應用

GB/T15970.7-2017金屬和合金的腐蝕應力腐蝕試驗第7部分：慢應變速率試驗

GB/T34542.2-2018氫氣儲存輸送系統(tǒng)第2部分：金屬材料與氫環(huán)境相容性試驗方法

3術(shù)語和定義

GB/T228.1、GB/T10123、GB/T10623、GB/T15970.1和GB/T15970.7-2017界定的以及下列術(shù)語

和定義適用于本文件。

3.1

氫促失效hydrogen-assistedfailure

氫對金屬材料失效的促進作用。

3.2

外腐蝕externalcorrosion

純氫/摻氫埋地鋼質(zhì)管道服役過程中管道外表面發(fā)生的各種腐蝕類型的統(tǒng)稱。

3.3

腐蝕性環(huán)境模擬槽corrosiveenvironmentsimulationtank

用于存儲模擬純氫/摻氫埋地鋼質(zhì)管道材料外腐蝕環(huán)境介質(zhì)的容器。

3.4

摻氫比hydrogenblendratio

天然氣中摻入氫氣的體積分數(shù)。

4原理

1

YB/TXXXXX—XXXX

4.1純氫/摻氫埋地鋼質(zhì)管道材料性能退化受到內(nèi)部氣態(tài)氫和外腐蝕的共同影響。管道內(nèi)部氣態(tài)氫可通

過碰撞、吸附、解離和擴散進入金屬基體直接影響材料的服役性能，還可擴散到管道外壁與外腐蝕環(huán)境

發(fā)生耦合作用影響管道的服役性能（如氫致開裂敏感性）。

4.2試驗是使內(nèi)部中空的棒狀（或管狀）拉伸試樣處于內(nèi)部為規(guī)定壓力的純氫或者規(guī)定摻氫比的摻氫

燃氣，外部為腐蝕性環(huán)境，對試樣開展慢應變速率試驗，可評價埋地鋼質(zhì)管道材料在內(nèi)部氣態(tài)氫與外腐

蝕耦合作用下的氫致開裂敏感性。

5試樣制備和要求

5.1試驗材料

試驗材料應采用待評價的鋼質(zhì)管道加工試樣。若待評價鋼質(zhì)管道由于尺寸原因無法加工試樣時，應

采用與待評價管道同工藝、同性能的材料加工試樣。

5.2試樣形狀及尺寸要求

5.2.1應使用內(nèi)部中空的棒狀（或管狀）試樣，試樣尺寸如圖1。

標引序號說明：

D1——緊固螺紋外徑；

D2——標距段區(qū)域外徑；

D3——試樣內(nèi)徑；

L1——標距段長度；

L2——試樣總長度。

圖1內(nèi)部中空的棒狀拉伸試樣形狀及尺寸要求

5.2.2試樣的具體尺寸取決于被試驗鋼質(zhì)管道的具體尺寸。通常，試樣長度方向為管道的軸向方向，

D2-D3的數(shù)值應不低于2mm。

5.2.3試樣L1的具體尺寸應根據(jù)具體測試條件而定，當不需要模擬外腐蝕環(huán)境時，其尺寸可參照GB/T

228.1中的相關要求；當需要模擬外腐蝕環(huán)境時，應滿足在其周圍布置腐蝕性環(huán)境模擬槽的空間尺寸要

求。

5.2.4在某些情況下（尤其是研究焊縫不同區(qū)域服役性能時）可在標距段外壁加工缺口，缺口應滿足

GB