《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(yīng)變速率試驗(yàn)方法》

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編制說明（征求意見稿）

一、工作簡(jiǎn)況

1.1任務(wù)來源

根據(jù)工信廳科函〔2023〕291號(hào)文件2023年第三批行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制修訂和外文版項(xiàng)目計(jì)

劃的通知（計(jì)劃號(hào)2023-1505T-YB），由廣東腐蝕科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國(guó)科學(xué)院

金屬研究所等單位負(fù)責(zé)《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(yīng)變速率試驗(yàn)方法》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定。計(jì)劃完成時(shí)間為2025年。

1.2主要工作過程

起草(草案、調(diào)研)階段:計(jì)劃下達(dá)后，全國(guó)鋼標(biāo)委會(huì)金屬和合金的腐蝕分委會(huì)組織各

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

作組，負(fù)責(zé)主要起草工作。工作組對(duì)國(guó)內(nèi)外氫能及慢應(yīng)變速率試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、政策及

輸氫埋地管道產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況進(jìn)行全面調(diào)研，同時(shí)廣泛搜集相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)外技術(shù)資料，

進(jìn)行了大量的研究分析、資料查證工作，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和大量試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)，進(jìn)行

全面總結(jié)和歸納，編制出標(biāo)準(zhǔn)草案。

為了驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)草案中試驗(yàn)條件、要求、過程的可行性、可操作性與依據(jù)草案所測(cè)結(jié)

果的重復(fù)性，廣東腐蝕科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所和金粵檢測(cè)技術(shù)

（廣州）有限公司三家單位分別開展了測(cè)試驗(yàn)證，經(jīng)工作組及有關(guān)專家研討，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)草

案初稿進(jìn)行了認(rèn)真的修改，于2024年4月形成了標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿及其編制說明等相關(guān)

附件，報(bào)全國(guó)鋼標(biāo)委會(huì)金屬和合金的腐蝕分委會(huì)秘書處。

征求意見階段:2024年4月，全國(guó)鋼標(biāo)委會(huì)金屬和合金的腐蝕分委會(huì)秘書處將把

標(biāo)準(zhǔn)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(huì)委員及有代表性的標(biāo)準(zhǔn)

相關(guān)方廣泛征求意見，同時(shí)在《鋼鐵標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)》網(wǎng)站上公開征求社會(huì)意見。

1

二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則

本文件嚴(yán)格貫徹國(guó)家的有關(guān)方針、政策、法規(guī)；合理利用資源；保障安全，保護(hù)環(huán)

境。在技術(shù)內(nèi)容上力求先進(jìn)性和實(shí)用性統(tǒng)一，編寫格式上嚴(yán)格按照中華人民共和國(guó)國(guó)家

標(biāo)準(zhǔn)GB/T1.1－2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和編寫規(guī)則》的規(guī)定進(jìn)行

編寫，力求指標(biāo)科學(xué)、合理，試驗(yàn)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(guó)家新能源的發(fā)展戰(zhàn)略需求。我國(guó)已經(jīng)向全世界承諾了

“3060”碳減排目標(biāo)，大力發(fā)展氫能不僅是我國(guó)實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵途徑之一，也是我

國(guó)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(píng)價(jià)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)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(shí)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?xì)饴竦劁撡|(zhì)管道材料性能退化同時(shí)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(kuò)散進(jìn)入金屬基

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

腐蝕行為，進(jìn)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(zhǎng)期服役性能勢(shì)必會(huì)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(jìng)爭(zhēng)機(jī)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(yàn)測(cè)試方法。

本標(biāo)準(zhǔn)的目的是形成一種簡(jiǎn)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(yàn)方法—慢應(yīng)變速率試驗(yàn)，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(jī)理，推進(jìn)

鋼質(zhì)管道的環(huán)境相容性評(píng)價(jià)，為我國(guó)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(guó)氫氣制、運(yùn)、儲(chǔ)、用標(biāo)準(zhǔn)體系中的關(guān)鍵部分之一。

本標(biāo)準(zhǔn)適用于評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)，具體為采用慢應(yīng)變速率試驗(yàn)，測(cè)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(yàn)(或驗(yàn)證)情況

4.1試驗(yàn)原理

采用內(nèi)部中空的棒狀（或管狀）拉伸試樣，試驗(yàn)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?xì)?，試樣外部為腐蝕性環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部氣態(tài)氫與外腐蝕耦合

作用下的慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)，評(píng)價(jià)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(yàn)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(yàn)結(jié)果進(jìn)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(yīng)力腐蝕敏感性。

4.2試驗(yàn)材料及試樣

目前純氫輸送管道一般使用20#鋼，摻氫燃?xì)饴竦劁撡|(zhì)管道材料包括X42管線鋼、

X52管線鋼和X65管線鋼等。本試驗(yàn)主要選擇純氫輸送管道材料20#鋼進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

本試驗(yàn)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(jí)丙酮或無水乙醇超聲清洗，超聲清洗時(shí)間30分鐘。試樣清洗完

成后，干燥保存。驗(yàn)證試驗(yàn)中共加工12根試樣，全部由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所負(fù)責(zé)加

工并分發(fā)給各測(cè)試單位。

4.3試驗(yàn)條件的確定

針對(duì)20#鋼純氫輸送管道，一般設(shè)計(jì)輸送壓力不高于4MPa，因此在本驗(yàn)證試驗(yàn)中的

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

用NS4溶液，本試驗(yàn)中也采用此溶液，同時(shí)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(yàn)中的溫度為25℃），試驗(yàn)過程中采用高純氮?dú)鈱?duì)溶液進(jìn)行除氧；

應(yīng)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(yàn)過程

(1)將上下密封件與心部中空的棒狀拉伸試樣進(jìn)行裝配，并采用高純氮?dú)獯驂?，進(jìn)

行氣密性測(cè)試。氣密性良好時(shí)，將試樣安裝在連接于慢應(yīng)變速率拉伸裝置上、

下拉伸機(jī)構(gòu)的上、下加載桿上，確認(rèn)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(shí)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(rèn)試驗(yàn)裝置測(cè)溫、測(cè)壓、測(cè)力、位移傳感器及安全保護(hù)裝置均處于正常工作

狀態(tài)。

(4)采用高純氮?dú)庵脫Q試樣內(nèi)部和供氣（純氫或摻氫燃?xì)猓┕苈废到y(tǒng)，再用純氫、

置換，具體應(yīng)滿足GB/T34542.2中7.1.2部分的相關(guān)要求。

(5)試樣內(nèi)部通入氫氣氣體，并達(dá)到試驗(yàn)的規(guī)定氣體壓力。

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

溫度和流量，試驗(yàn)過程中采用高純氮?dú)鈱?duì)溶液進(jìn)行除氧。

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

數(shù)后開始拉伸試驗(yàn)，直至將試樣拉斷。

(8)試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)量斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。

(9)按照上述步驟進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)為3次。

4.5試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果重復(fù)性

中國(guó)科學(xué)院金屬研究所測(cè)試3組平行試樣數(shù)據(jù)見表1。

4

表1中國(guó)科學(xué)院金屬研究所測(cè)試數(shù)據(jù)

屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度斷后伸長(zhǎng)率斷面收縮率

序號(hào)

（MPa）（MPa）（%）（%）

130049519.7533.21

230349118.6332.42

328648819.2132.17

平均值296.33491.3319.2032.60

標(biāo)準(zhǔn)差9.073.510.560.55

重復(fù)性0.030.010.030.02

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

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

序號(hào)屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度斷后伸長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)差4.737.510.361.46

重復(fù)性0.020.010.020.05

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

表2金粵檢測(cè)技術(shù)（廣州）有限公司測(cè)試數(shù)據(jù)

序號(hào)屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度斷后伸長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)差7.025.510.180.37

重復(fù)性0.020.010.010.01

4.6結(jié)論

由表1~3的平行試樣測(cè)試數(shù)據(jù)可見，本標(biāo)準(zhǔn)所建立的試驗(yàn)方法具有較高的精密度，

重復(fù)性在0.01~0.05之間，數(shù)據(jù)重復(fù)性好。說明不同的操作者在不同的實(shí)驗(yàn)室，依據(jù)本

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行測(cè)定，具有可行性。

5

五、預(yù)期達(dá)到的社會(huì)效益、對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的作用等情況

本標(biāo)準(zhǔn)是首次制定。

本標(biāo)準(zhǔn)形成一種簡(jiǎn)單、普適的內(nèi)部氫與外腐蝕耦合作用下純氫/摻氫燃?xì)饴竦劁撡|(zhì)管

道材料氫促失效的試驗(yàn)方法—慢應(yīng)變速率試驗(yàn)，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?xì)猸h(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(jī)理，推進(jìn)

鋼質(zhì)管道的環(huán)境相容性評(píng)價(jià)。通過標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施，

（1）將填補(bǔ)我國(guó)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(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)的空白，進(jìn)一步完善我國(guó)氫氣制、運(yùn)、儲(chǔ)、用標(biāo)準(zhǔn)體系，并成為其中

的關(guān)鍵部分之一；

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

提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐；

（3）將有效推動(dòng)埋地純氫或摻氫鋼質(zhì)管道檢測(cè)技術(shù)研究，為行業(yè)及相關(guān)產(chǎn)品檢測(cè)標(biāo)

準(zhǔn)的制定提供有效的參考，加快我國(guó)氫能的規(guī)模化應(yīng)用步伐，進(jìn)一步推動(dòng)創(chuàng)新安全服役

評(píng)價(jià)技術(shù)的推廣應(yīng)用，促進(jìn)氫能行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

六、國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)概況

（1）國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：

GB/T15970.7-2017《金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)第7部分：慢應(yīng)變速率試驗(yàn)》

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

失效，但標(biāo)準(zhǔn)僅適用于管線鋼的氫致裂紋敏感性測(cè)試，無法在腐蝕和氫耦合條件下進(jìn)行

相關(guān)測(cè)試；

GBT8650-2015《管線鋼和壓力容器鋼抗氫致開裂評(píng)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(píng)定方法，不適合純氫/摻氫埋地金屬管道的評(píng)價(jià)；

GBT4157-2017《金屬在硫化氫環(huán)境中抗硫化物應(yīng)力開裂和應(yīng)力腐蝕開裂的實(shí)驗(yàn)室

試驗(yàn)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(yīng)力作用下的

抗硫化物應(yīng)力開裂（SSC）和應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法，不適合純氫/

摻氫燃埋地金屬管道的評(píng)價(jià)；

GB/T34542.3-2018《氫氣儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)