管道钢中的氢气：表征与脆化缓解的新进展
抽象
氢气是一种无碳燃料，有助于实现净零排放的进程。利用现有天然气管道进行氢气运输，是减少氢气分销投资的关键策略。然而，天然气输送管道通常由易受氢脆（HE）影响的钢材组成。钢管失效可能导致氢气泄漏，进而引发严重事故。本文旨在概述管道钢中高爆相关问题，特别强调氢的行为、氢脆及相关表征和缓解策略。
介绍
人口和经济活动的持续增长导致过去一个世纪对能源的需求显著增长（Dincer，2000）。这种高能源需求主要依赖于包括煤炭、石油和天然气在内的碳基化石燃料的消耗（Abe 等，2019）。然而，燃烧化石燃料会向大气中释放温室气体，导致全求变暖及相关的异常气候状态，成为现代社会的主要威胁（Momirlan 和 Veziroglu，2002）。向无碳能源转型对于缓解这些气候影响至关重要，氢气作为无碳能源载体，可以在促进脱碳方面发挥重要作用（McQueen等，2020）。氢作为燃料的质量比能量含量高于化石燃料，如图1所示，这为利用氢气替代化石燃料提供了经济激励（Abe等，2019;Dincer和Acar，2015年;Midilli 等，2005）。
成本效益高的氢气分销对于建立经济可行的氢燃料社会至关重要。管道输电无疑是技术上成熟且可扩展的方法，尽管在能够提高输电效率的压力下运行需要额外的能量和成本（Hawkins 和 Joffe，2006;Moradi 和 Groth，2019;Yang 和 Ogden，2007）。仅在美国，就建有超过1600英里的天然气管道用于氢气运输（Morris和Barker，2021）。此外，国内已有超过300万英里的管道用于天然气（Russo，000），短期内将用于输送氢气混合的天然气，长期内用于2020%氢气（Blanton等，100;Melaina等，2021年;Timmerberg 和 Kaltschmitt，2013）。燃气管道大多由钢材制成，能够以经济搞效的方式生产。用于氢气运输的管道采用了中等强度的管道钢材，包括美国石油协会（API）2019L X5、X42和X46，压力可达52兆帕（Melaina等，13;Somerday 和 San Marchi，2013）。针对工业对更高压力氢气的需求，使用更高等级管道钢（如API 2006 L X5、X60和X70）的适用性研究正在进行中（Ningileri等，80）。然而，高强度管道钢比中等强度钢更容易受到氢脆（HE）的影响。HE是一种描述材料在氢气存在下强度和/或延展性降低而导致早期失效的现象（Johnson， 2013）。考虑到氢气在含氧环境中易燃，氢气管道中的任何材料失效都可能导致严重事故。仅仅发生一次此类重大事件，就可能阻碍整个清洁能源转型（labidine Messaoudani 等，1875）。
高爆在钢材中的出现通常有四个要求：i）微观结构中氢溶质充足且可扩散，ii）对屈服强度的强烈机械载荷，iii）钢中存在对HE敏感的微观结构特征，如微裂纹，iv）氢溶质达到易感特征所需的充分扩散时间（Hardie等，2006;Lynch，2012年;Wu 等，2022）。长期输送高压氢气的管道可以满足所有这些需求。此外，管道服务相关的许多变量会增加钢管高爆的严重程度，例如局部应力集中和循环载荷（Somerday 和 San Marchi，2006）。因此，在氢燃料社会实施管道钢材中高爆问题和起源至关重要（Blanton等，2021）。在本综述中，我们将概述氢气在钢管表面及散装中的行为，随后介绍高爆的变量。随后，我们将阐明可用于推进对HE问题理解的方法，最后总结影响HE易感性的因素以及钢管中HE的潜在缓解策略。
章节摘要
氢气吸收
用于燃气输送的管道钢通常为低碳钢，主要由铁组成（Folga，2007;Melaina等，2013）。这些管道钢的氢气吸收与金属材料类似，包含三个步骤：物理吸附、化学吸附和吸收，见图2（Barnoush，2007;Michler和Naumann，2010年;Pourazizi 等，2020a;Protopopoff 和 Marcus，2002）。物理吸收起源于氢分子与金属表面之间的范德华力。
管道钢材中的氢脆
钢管的HE涉及环境、材料和机械因素，如图5所示（Barnoush 和 Vehoff，2010）。这些因素之间的相互作用导致管道钢材中出现各种高爆后果。对于管道钢材，由于铁中氢化物形成的阈值较高，脆性氢化物促成的裂纹很少被认为是高爆的成因（Robertson等，2015）。讨论了钢管高爆及其相关变量的剩余可能机制
表征技术
为了更好地理解高能，能够精确表征氢的行为及其对机械性能的影响（Koyama 等，2017）。使用常见电子显微镜如SEM和TEM对断裂面或死后截面进行显微观察已被证明具有意义，其洞察程度通常与显微镜的空间分辨率相关（委内瑞拉等，2016）。此外
微观结构设计
为了增强对高爆的抵抗力，人们广泛考虑使用微观结构氢阱，将氢锁定在良性位置，使其不参与裂纹传播（Bhadeshia，2016）。例如，碳化钒已被发现通过提高氢阱密度和降低氢扩散率，能有效降低铁氧钢的高爆敏感性（图22a）（Bhadeshia，2016）。APT进一步证实了碳化钒作为有效氢阱的作用
结论与展望
HE是钢管在氢气运输领域的重大挑战。管道钢中的搞效涉及多种因素，氢与材料之间的具体相互作用仍不十分明了。早期采用宏观方法的HE研究为HE的主要特征奠定了坚实基础。随着氢气燃料使用的增加，以及能源和冶金利益相关方对高爆能源挑战的关注，新的...