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高压纯氢环境对 X80 管线钢焊接接头氢脆敏感性的影响

文档作者：王鹏涛1　崔崇1　孙晨1　鲁仰辉1　刘伟1　杨志文2 文档来源： 1. 国家电投集团科学技术研究院有限公司　2. 安科工程技术研究院 (北京) 有限公司		更新日期： 2026年10月11日	点击数：
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上一篇：高压输变电建设项目电磁辐射环境影响及对策

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.
高压纯氢环境对 X80 管线钢焊接接头
氢脆敏感性的影响
王鹏涛1　崔崇1　孙晨1　鲁仰辉1　刘伟1　杨志文2
1. 国家电投集团科学技术研究院有限公司　2. 安科工程技术研究院 (北京) 有限公司
摘要：目的 研 究 高 压 纯 氢 环 境 对 X80 管 线 钢 焊 接 接 头 氢 脆 敏 感 性 的 影 响 ， 为 天 然 气 管 道 掺 氢 焊 接 工 艺 提 供 参 考 。
方法 采用冲击试验和慢应变速率拉伸试验，结合 SEM 断口分析及塑性指标计算，研究了 6.3 MPa 高压纯氢环境中 X80 管
线钢焊接接头氢脆敏感性。结果 ①6.3 MPa 纯氢环境下 X80 管线钢热影响区和焊缝的强度和塑性指标均有所下降，表现
出一定的氢脆敏感性；②试样断口边缘出现脆性断裂的解理形貌，韧性断裂向脆性断裂转变；③塑性指标比值及延伸率下
降率计算结果表明，相比于热影响区，6.3 MPa 纯氢环境下焊缝的氢脆敏感性更高。结论 在 6.3 MPa 高压纯氢环境中，X80
管线钢焊接接头抗氢脆敏感性显著下降，断面收缩率、延伸率和抗拉强度均低于常压空气环境。
关键词：高压纯氢环境；X80 管线钢；焊接接头；氢脆；冲击试验；拉伸试验
DOI：10.3969/j.issn.1007-3426.2025.01.016
引用格式：王鹏涛，崔崇，孙晨，等. 高压纯氢环境对 X80 管线钢焊接接头氢脆敏感性的影响 [J]. 石油与天然气化工，2025，54（1）：118-124.
WANG Pengtao, CUI Chong, SUN Chen, et al. Influence of high-pressure pure hydrogen environment on hydrogen embrittlement susceptibility of X80 pipeline
steel welded joints[J]. Chemical Engineering of Oil &amp;amp; Gas, 2025, 54(1): 118-124.
Influence of high-pressure pure hydrogen environment on hydrogen
embrittlement susceptibility of X80 pipeline steel welded joints
WANG Pengtao1, CUI Chong1, SUN Chen1, LU Yanghui1, LIU Wei1, YANG Zhiwen2
1. SPIC Central Research Institute Co., Ltd., Beijing, China；2. Safetech Research Institute (Beijing) Co., Ltd., Beijing, China
Abstract: Objective The study investigates the effect of high-pressure pure hydrogen environment on the hydrogen embrittlement
susceptibility of X80 pipeline steel welded joints, providing a reference for the hydrogen blending welding process of natural gas
pipelines. Method By employing impact tests and slow strain rate tensile tests, combined with SEM fracture analysis and plasticity index
calculation, the hydrogen embrittlement susceptibility of X80 pipeline steel welded joints in a 6.3 MPa high-pressure pure hydrogen
environment was investigated. Result Firstly, both the strength and plasticity index of the heat-affected zone and weld metal of X80
pipeline steel decreased in a 6.3 MPa pure hydrogen environment, demonstrating a certain susceptibility to hydrogen embrittlement.
Secondly, the fracture surface of the specimens exhibited a transition from ductile to brittle fracture, characterized by cleavage facets
along the fracture edges. Thirdly, calculation results of the plasticity index ratio and elongation reduction rate indicated that the weld
metal exhibited higher hydrogen embrittlement susceptibility compared to the heat-affected zone in the 6.3 MPa pure hydrogen
environment. Conclusion The susceptibility of welded joints of X80 pipeline steel to hydrogen embrittlement significantly decreases in a
6.3 MPa high-pressure pure hydrogen environment, with lower section shrinkage, elongation, and tensile strength compared to
atmospheric air environment.
Keywords: high-pressure pure hydrogen environment; X80 pipeline steel; welded joints; hydrogen embrittlement; impact test;
tensile test
随着氢能利用的快速发展，管道输氢变得越来
越重要。X80 管线钢是目前高压输气管道中的主要
材料之一，因其具有高强度、高韧性和良好的耐腐
蚀性能而被广泛应用[1-5]。然而，氢环境下的材料性
能会受到影响，氢脆成为制约管道输氢产业发展的
重要问题[6-9]。焊接接头是氢脆的主要部位之一，因
此，研究高压纯氢环境下 X80 管线钢焊接接头的氢
脆敏感性规律非常重要。
　　 基金项目：国家重点研发计划“纯氢与天然气掺氢长输管道输送及应用关键技术”（2022YFB4003400）；国家电力投资
集团有限公司科研项目“天然气管道长距离掺氢输送与终端应用关键技术研究”（KYB12022QN02）
　　 作者简介：王鹏涛，1992 年生，工学硕士，工程师，主要从事天然气管道掺氢及氢能燃烧利用相关技术研发工作，发表
论文 5 篇，申请发明专利 3 项。E-mail: wangpengtao@spic.com.cn
118
石 油 与 天 然 气 化 工
CHEMICAL ENGINEERING OF OIL &amp;amp; GAS
2025 年 2 月
第 54 卷 第 1 期
.
国内外许多学者和研究人员针对氢环境对管
线钢及焊接接头氢脆敏感性的影响展开了大量深
入的研究[10-15]。Li 等[16] 通过扫描电镜和电子后散
射方法，研究了不锈钢焊接接头在不同氢环境下的
微观组织结构变化。结果发现，在氢环境下，焊接
接头中的晶间裂纹异常显著，且聚集了大量的氢元
素。Lu 等[17] 通过拉伸试验、扫描电镜和能谱分析，
研究了氢环境对焊接接头氢脆敏感性的影响。结果
表明，氢环境能显著提高焊接接头的氢脆敏感性。
不锈钢与 X80 管线钢的金属微观结构存在显著差
别，其焊接接头氢脆行为也存在明显不同。赵雪会
等[18] 研究了含氢煤制气环境中 X80 管线钢的氢脆
敏感性，结果表明氢环境中 X80 钢的强度和塑性指
标下降，缺口试样的三向应力集中区域受氢脆影响
更为严重。该研究仅针对 X80 管线钢在常温常压
的空气环境和 0.96 MPa 氢环境开展了研究。史昊
等[19] 同样对含氢煤制气环境中氢含量对 X80 管线
钢氢脆敏感性的影响规律进行了研究，该研究采用
氢气和氮气配成的混合气，最高氢分压仅为 0.72 MPa。
以上研究的氢分压均低于 1 MPa，未涉及高压、纯
氢环境，且未关注高压氢环境下焊接接头的氢脆敏
感性。
本 研 究 针 对 高 压 输 气 管 道 主 要 材 料 之 一的
X80 管线钢焊接接头开展研究，解决前述研究中氢
分 压 较 低、 焊 接 接 头 关 注 不 足 的 问 题 ， 在 高 压
6.3 MPa 下纯氢环境中，对 X80 管线钢焊接接头试
样的热影响区和焊缝进行取样，分别在高压纯氢及
常压空气环境中开展冲击测试和慢应变速率拉伸
性能测试，研究其力学性能和拉伸断口变化规律，
对焊接接头热影响区和焊缝塑性指标及氢脆敏感
性进行了分析，获得 X80 管线钢焊接接头在高压纯
氢环境中的氢脆敏感性变化规律。
1　试验
1.1　试验材料
研究所使用的材料为 X80 管线钢，其化学成分
如表 1 所列。接头的焊接工艺采用手工半自动焊，
坡口采用 V 型设计，单边坡口角度约为 23°，焊条选
用低氢焊条 E8010-G，焊接接头组织﹑材料均符合
规定。图 1 所示为试样的正面和反面。
表 1 X80 管线钢试样化学成分
组分 质量分数/%
C 0.070 0
Si 0.210 0
Mn 1.610 0
S 0.002 5
P 0.008 1
Mo 0.130 0
Nb 0.041 0
Ni 0.120 0
Cu 0.140 0
Ti 0.012 0
Fe 97.656 0
（a）试样正面
（b）试样反面
图 1　试样正面和反面
1.2　试验方法
1.2.1　冲击试验
在 X80 管线钢试样的焊缝和热影响区位置取
样，采用高温高压反应釜，在常温、6.3 MPa 氢环境
下充氢 24 h，参照 GB/T 229 — 2020《金属材料 夏比
摆锤冲击试验方法》进行试验[20]。试样尺寸如图 2
所示，缺口分别开在焊缝和热影响区。
8
10.0
10.0
45°
55.0
27.5
图 2　冲击测试试样尺寸（单位：mm）
1.2.2　慢应变速率拉伸试验
参考 ASTM G129 — 2021 Standard practice for
slow strain rate testing to evaluate the susceptibility of
第 54 卷 第 1 期
石 油 与 天 然 气 化 工
CHEMICAL ENGINEERING OF OIL &amp;amp; GAS 119
.
metallic materials to environmentally assisted cracking
（《用于缓慢应变速率测试以评估金属材料对环境辅
助开裂的敏感性的标准实践》）[21]、GB/T 34542.2 —
2018《氢气储存输送系统 第 2 部分：金属材料与氢
环境相容性试验方法》[22]，选用缺口拉伸试样，试样
尺寸见图 3。试验预充氢 24 h 后，采用慢应变速率
拉伸试验方法，从材料在氢环境下的强度损失和塑
性损失两方面，评价 6.3 MPa 氢环境下的氢脆敏感
性。在试样的焊缝热影响区和焊缝处取样，每项试
验取 2 个平行样，慢应变速率为 2×10−6 s−1。
16.0 31.6 31.6 16.0
60°
5.0
10.0
图 3　慢应变拉伸试样尺寸（单位：mm）
为了进一步分析断口宏观和微观形貌，观察断
口主要形貌特征，获得不同位置的材料氢脆敏感性
规律，采用 SUPRA55 场发射扫描电子显微镜，对试
样拉伸后的断口进行微观观察。
2　结果分析
2.1　冲击性能
图 4 所 示 为 充 氢 后 的 冲 击 性 能 测 试 结 果 。 由
图 4 可知，热影响区的冲击吸收能量和冲击韧性均
高于焊缝处，这主要是由于焊接过程中所施加的热
量会强化在热影响区的微观结构和组织，而在焊肉
区内使材料的硬度和脆性增加，韧性和冲击吸收能
力下降。
2.2　慢应变速率拉伸性能
拉伸试验所得位移和应力曲线如图 5、图 6 所
示。由图 5、图 6 可以看到：在常压空气和 6.3 MPa
氢环境中，试样热影响区的拉伸强度均高于焊缝；
在 6.3 MPa 氢环境中，试样焊缝位置的拉伸强度与
在常压空气中相比变化不大。图 5 中 6.3 MPa H2-2
平行试验的热影响区强度有所降低，出现了应力突
然下降的异常现象，这是因为热影响区组织比较复
杂，不同取样位置的试样强度存在一定差异。
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
200
400
600
800
1 000
1 200
1 600
1 400
位移/mm
热影响区空拉-1
热影响区空拉-2
热影响区 6.3 MPa H2-1
热影响区 6.3 MPa H2-2
应力/MPa
图 5　试样热影响区在常压空气和 6.3 MPa 氢环境中的
缺口拉伸曲线
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
200
400
600
800
1 000
位移/mm
焊缝空拉-1
焊缝空拉-2
焊缝 6.3 MPa H2-1
焊缝 6.3 MPa H2-2
应力/MPa
图 6　试样焊缝在常压空气和 6.3 MPa 氢环境中的
缺口拉伸曲线
2.3　拉伸试样断口形貌
材料的韧、脆转变情况可结合断口的微观形貌
分析，当材料发生韧性断裂时，断口处为韧窝形貌，
当材料发生脆性断裂时，断口处为解理形貌。图 7~
图 11 所示为采用 SEM 观察到的拉伸试样断面的微
观形貌。
358.5
160.0
448.2
200.1
热影响区
吸收能量
焊缝吸收
能量
热影响区
冲韧性
焊缝冲击
韧性
0
100
200
300
400
500
吸收能量/J
取样位置
图 4　试样冲击性能测试结果
120 王鹏涛 等　 高压纯氢环境对 X80 管线钢焊接接头氢脆敏感性的影响 2025
.
由图 7~图 11 观察断口中心位置、过渡位置和
边缘位置的形貌特征可知，试样在常压空气中进行
慢应变拉伸试验后，断口为典型的韧窝形貌，即发
生了韧性断裂；在 6.3 MPa 氢环境中，氢原子由试样
表面进入到试样中，断口边缘开始出现脆性断裂的
解理形貌。用红色虚线将韧性断裂区域和脆性断裂
区域区分开，红圈内部为韧性断裂区域，红圈外部
为脆性断裂区域。韧性断裂区域越大，说明材料抗
氢脆敏感性越高。相比于常压空气环境， 6.3 MPa
高压纯氢环境中，试样热影响区中心位置可观察到
多处解理形貌，焊缝中心位置有大量解理形貌，说
明氢气已经导致试样中心位置发生脆性转变。断口
微观分析表明，高压纯氢环境会对试样热影响区和
焊缝位置产生显著的氢脆影响。
2.4　塑性指标
为了进一步研究高压纯氢环境对 X80 钢焊缝
和热影响区塑性损失的影响，分别计算试样在常压
空气和在 6.3 MPa 氢环境中缺口拉伸测试断面收缩
率、 延 伸 率 和 拉 伸 强 度 等 塑 性 指 标 ， 计 算 公 式 如
式（1）~式（3）所示。
A =
A0 􀀀 Af
A0
100% （1）
b
c d
（a） （b）
500 μm 10 μm
10 μm 10 μm
（c） （d）
（a）为 20 倍率；（b）~（d）为 1 000 倍率
图 7　常温常压空气环境中试样热影响区拉伸断口微观形貌
b
c d 解理
500 μm 10 μm
10 μm 10 μm
（a） （b）
（c） （d）
（a）为 20 倍率；（b）~（d）为 1 000 倍率
图 8　6.3 MPa 纯氢环境中试样热影响区拉伸断口微观形貌
第 54 卷 第 1 期
石 油 与 天 然 气 化 工
CHEMICAL ENGINEERING OF OIL &amp;amp; GAS 121
.
E =
Lf 􀀀 L0
Lf
100% （2）
 =
F
A0
100% （3）
A A0
Af E Lf
L0 
F
式 中： 表 示 断 面 收 缩 率 ， %； 表 示 原 始 截 面 积 ，
cm2； 表示断后截面积， cm2； 为延伸率，%； 表
示断后长度， cm； 表示原始长度， cm； 表示拉伸
强度，N； 表示破断载荷，N·cm2。
计算测试试样各项塑性指标，为了能更直观对
比高压纯氢环境和常温常压环境下不同取样位置
的性能差异，对计算得到的断面收缩率、延伸率和
抗拉强度取平均值，结果如图 11 和图 12 所示。
由图 11 和图 12 可见， 6.3 MPa 纯氢环境下，热
影响区和焊缝位置的断面收缩率、延伸率和抗拉强
度相比于常温常压空气环境均表现出不同程度的
下降，即高压纯氢环境导致焊接接头的力学性能下
降。这主要是因为，纯氢在高压下更易在金属晶界、
空隙、裂纹等位置聚集，同时氢还会在金属结构内
部沿着应力梯度的方向扩散，并与金属元素发生反
应，形成氢化物，加速金属的应力腐蚀和氢脆，从而
导致焊接接头延伸率下降和抗拉强度降低。
热 影 响 区 的 抗 拉 强 度 下 降 幅 度 最 大， 达 到 了
19.2%，除了上述原因之外，可能还因为高压纯氢环
b c d
500 μm 10 μm
10 μm 10 μm
（a） （b）
（c） （d）
（a）为 20 倍率；（b）~（d）为 1 000 倍率
图 9　常温常压空气环境中试样焊缝拉伸断口微观形貌
b c d
500 μm 50 μm
50 μm 10 μm
解理
（a） （b）
（c） （d）
（a）为 20 倍率；（b）~（d）为 1 000 倍率
图 10　6.3 MPa 纯氢环境中试样焊缝拉伸断口微观形貌
122 王鹏涛 等　 高压纯氢环境对 X80 管线钢焊接接头氢脆敏感性的影响 2025
.
境导致材料中的氢原子含量增加，从而降低了热影
响区中的晶界能量，导致晶界损伤和裂纹扩展，造
成热影响区的抗拉强度显著下降。
2.5　高压纯氢环境对氢脆敏感性的影响
用暴露到含氢环境中和非含氢（常温常压空气）
环境中相同试样的塑性指标比值来评定氢脆敏感
性，记为 P，如式（4）所示。比值偏离越大，则氢脆
敏感性越高。
P =
试样在含氢环境中得到的结果
试样在非含氢环境中得到的结果
（4）
试样在 6.3 MPa 纯氢环境下断面收缩率和延伸
率的测试结果与在常压空气下的结果比值如图 13
所示。
0.41 0.39
0.86
0.70
热影响区 焊缝
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
取样位置
断面收缩率 延伸率
塑性指标比值 （P）
图 13　试样在 6.3 MPa 氢气和常温常压空气中
拉伸塑性指标的比值
由图 13 可知，热影响区和焊缝的断面收缩率
比值分别达到了 0.41 和 0.39。通常超过 0.3 的断面
收缩率损失即认为材料具有明显脆性，表明 X80 管
线钢热影响区和焊缝在 6.3 MPa 纯氢环境中存在显
著的氢脆敏感性。相比于热影响区，焊缝的断面收
缩率和延伸率损失更大，即焊缝在 6.3 MPa 纯氢环
境下的氢脆敏感性更高。
另外，延伸率下降率也是评价材料的氢脆敏感
性的指标之一。延伸率下降率的计算公式见式（5），
计算结果如图 14 所示。
yE =
Eair 􀀀 EH2
Eair
100% （5）
yE Eair
EH2
式中： 表示延伸率下降率，%； 表示试样在空气
中的延伸率，%； 表示在氢气中的延伸率，%。
由图 14 可知，热影响区延伸率下降率为 13.98%，
焊缝为 29.80%。延伸率下降率越大，氢脆敏感性越
高，即相比于热影响区，焊缝在高压纯氢环境下的
氢脆敏感性更高，这是由于焊缝经历了液态金属形
成过程中的应力、形变和裂缝扩展等影响，容易出
现应力集中和应力腐蚀等现象，而热影响区仅受到
加热和冷却过程的影响，存在一定的残余应力和晶
粒结构变化。由此说明，高压纯氢环境对应力集中
和应力腐蚀集中区域的氢脆影响更为显著。
8.86 8.89
3.66 3.47
热影响区 焊缝
0
2
4
6
8
10
取样位置
4.65 4.43
4.00
3.11
热影响区 焊缝
0
1
2
3
4
5
延伸率/%
取样位置
空气环境 6.3 MPa 氢环境
空气环境 6.3 MPa 氢环境
断面收缩率/%
（a） 断面收缩率
（b） 延伸率
图 11　断面收缩率及延伸率对比
1 386.7
866.2
1 121.1
867.5
热影响区 焊缝
0
200
400
600
800
1 000
1 200
1 400
抗拉强度/MPa
取样位置
空气环境 6.3 MPa 氢环境
图 12　抗拉强度对比
第 54 卷 第 1 期
石 油 与 天 然 气 化 工
CHEMICAL ENGINEERING OF OIL &amp;amp; GAS 123
.
3　结论
1） 6.3 MPa 纯氢环境下， X80 管线钢焊接接头
表现出一定的氢脆敏感性，相比于热影响区，焊缝
对氢脆更为敏感。
2） 相比于常压空气环境， 6.3 MPa 纯氢环境下
慢应变拉伸试验试样断口边缘出现脆性断裂的解
理形貌，发生了韧性断裂向脆性断裂转变。
3） 6.3 MPa 纯氢环境下断面收缩率、延伸率和
抗拉强度均低于常压空气环境，塑性指标比值偏离１，
焊缝的延伸率下降率明显，高压纯氢环境中焊接接
头抗氢脆敏感性显著下降。
参 考 文 献
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GB/T 34542.2 — 2018[S]. 北京：中国标准出版社，2018.
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收稿日期：2023-10-12；编辑：张寅晖
13.98
29.80
热影响区 焊缝
0
10
20
30
取样位置
延伸率下降率/%
图 14　试样在 6.3 MPa 纯氢和常温常压空气中延伸率下降率
124 王鹏涛 等　 高压纯氢环境对 X80 管线钢焊接接头氢脆敏感性的影响 2025

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