欧阳欣１，程 磊１，彭世篧１，袁春明２，马致远２，王金华３，郭大刚２
（１.国家石油天然气管道网集团有限公司科学技术研究总院分公司，天津 ３００４５７；２.西安交通大学材料学院，金属材料强度国家重点实验室，陕西 西安 ７１００４９；３.西安交通大学绿色氢电全国重点实验室，陕西 西安 ７１００４９）
［摘 要］：阐述了隔板、回流器、密封件、叶轮、轴承等离心压缩机关键部件材料的主要研究进展及其氢相容性研究的前沿成果，系统梳理了氢相容性测试方法以及 ＨＥＤＥ、ＨＥＬＰ、ＡＩＤＥ３种氢脆机理及其协同作用，最后对未来发展趋势进行了展望。
［关键词］：掺氢天然气；离心压缩机材料；氢相容性；氢脆机理
中图分类号：ＴＨ４５２ 文献标志码：Ｂ
文章编号：１００６－２９７１（２０２６）０１－００５９－０６
1 引言
近年来，全球能源结构加速向低碳化转型，氢能因其零碳排放特性成为实现碳中和目标的关键能源载体。国际能源署 （ＩＥＡ）预测，到 ２０５０年氢能在全球终端能源消费中的占比将达到 １２％ ～１５％［１］。我国 《氢能产业发展中长期规划 （２０２１～２０３５年）》明确指出，需重点突破氢能储运技术瓶颈，推动天然气管道掺氢输送示范工程［２］。在此背景下，利用现有天然气管网进行掺氢输送成为降低氢能基础设施建设成本的重要路径。研究表明，掺氢比例控制在 １０％ ～２０％时，现有管网材料及设备兼容性较好，改造投资可减少 ５０％ ～７０％［３］。然而，氢气的高扩散性和渗透性对输送系统核心设备——离心压缩机的材料性能提出了严峻挑战。作为掺氢天然气输送系统中的关键装备，离心压缩机承担着气体增压、能量转换和稳定输送等核心功能。该设备主要由定子和转子组成，其中定子包括气缸、隔板、气封、轴承等，而转子主要由叶轮、主轴、止推盘和联轴器等构成。各关键部件在高温、高速及高压工况下均受到复杂动态载荷的作用，要求所用材料不仅需要具备传统的高强度、良好耐磨和耐腐蚀性能［４］，还必须在含氢环境中表现出良好的氢相容性，以抑制氢侵入和氢脆现象［５］。由于氢气具有较强的扩散性，渗入金属后可能导致局部晶界弱化、位错活动增加和微裂纹产生，这给设备的长期稳定运行带来了严峻挑战。因此，针对离心压缩机各关键部件的材料选择和优化，已成为解决掺氢输送安全性问题的重要研究方向。
在掺氢环境中，金属材料往往会因氢的侵袭而经历性能衰退［６］，主要表现在局部氢诱导的脆性断裂、疲劳裂纹加速扩展以及断裂韧性降低等方面。已有大量文献表明，在较高的氢分压或掺氢条件下，即使材料的静态力学性能未发生明显降低，其抗疲劳和延展性能却会大幅下降［７］。传统预充氢试验因氢逸散效应难以准确反映实际工况下的氢损伤行为。因此，在掺氢环境下如何准确评价和预测金属材料的氢相容性，成为当前亟需解决的重要课题。为此，国内外学者不断探索各种试验技术，如在线高压氢测试、慢应变速率拉伸试验 （ＳＳＲＴ）、疲劳裂纹扩展试验及低周疲劳试验等，旨在构建一套能够真实反映氢环境下材料性能的测试方法。与此同时，通过建立多尺度数值模型与原位表征技术，深入解析氢在金属材料内的扩散和聚集行为，为新型抗氢脆材料的设计提供理论依据［８］。此外，针对氢脆的机理，目前主要有氢降低内聚力 （ＨＥＤＥ）、氢致局部塑性变形 （ＨＥＬＰ）以及吸附氢致位错发射 （ＡＩＤＥ）等理论，这些机理既各有特点，又在实际应用中常呈现耦合效应，使得材料的抗氢侵蚀行为难以用单一理论完整解释。
本文综述了离心压缩机关键部件材料及氢相容性的研究进展，重点探讨离心压缩机各关键部件材料的及其主要研究进展、氢相容性测试方法、氢相容性影响因素及氢致多机制耦合损伤理论，以期为掺氢输送装备的可靠性提升提供理论参考。
2 离心压缩机材料研究进展
离心压缩机各部件因其所承担的功能和受力环境不同，其材料要求也各有侧重：隔板要求具有优良的铸造性能、耐磨性和抗冲击能力，常采用灰铸铁或球墨铸铁；回流器要求具备较好的加工性和均匀受力性能，多采用低碳钢或不锈钢；密封件不仅要实现良好的气密性，还要保证在高速运转中具备耐磨和耐腐蚀性能，近年来ＰＥＥＫ复合材料因其高性能逐渐备受关注；叶轮作为最直接参与能量转化的部件，不仅要求高强度和耐腐蚀，同时对抗疲劳性能有严格要求，常用材料为特定不锈钢或低合金高强度钢；轴承则强调整体的疲劳寿命和抗磨性能，多采用锡基合金等具有特殊结构设计的材料。离心压缩机各部件常用材料及研究进展如表 １所示。
隔板是离心 式 压 缩 机 中 形 成 固 定 元 件 的 气 体 通道［２３］，大多采用加制铸铁或球墨铸铁材料，其中 ＱＴ４００－１８球墨铸铁和 １６Ｍｎ因其良好的综合力学性能、焊接性能、耐磨性，更适合作为隔板材料，具有很好的应用前景。
回流器是均匀提压的通道，内均设有一定数量的叶片以改善气体流动状况，引导气流顺利进入下一级叶轮，是由两块隔板和装在隔板之间的叶片构成的［２４］。回流器的材料常选用 Ｑ２３５－Ａ和 ０Ｃｒ１８Ｎｉ９，相比于 Ｑ２３５－Ａ，０Ｃｒ１８Ｎｉ９钢的综合力学性能和耐腐蚀性更好，更适合作为回流器的材料。
密封件的作用是减少压缩机转子与固定元件之间的间隙漏气。离心压缩机专用 ＰＥＥＫ材料无论是密封性还是它 的 力 学 性 能、耐 蚀 性 能 都 优 于 ＺＬ１０２、ＺＬ１０４、ＺＬ１０５。而且金属塑料一体化设计也大大节约了材料成本，在密封材料领域具有非常广泛的应用前景。
叶轮分为开式、半开式、闭式 ３种叶轮，常选用的材料有 Ｘ１２Ｃｒ１３不锈钢、ＦＶ５２０Ｂ、ＫＭＮ钢等。相比其他材料，ＫＭＮ与 ＦＶ５２０Ｂ无论是强度、韧性还是耐腐蚀性都比较好，常被压缩机厂家用作叶轮材料。
轴承是压缩机运行时受力较大且负荷复杂多变的零件，轴承材料应有较高的抗压强度、疲劳强度、足够的塑性和韧性以及高的抗振性等综合性能［２５］。常用的轴承材料有 ＺＳｎＳｂ１１Ｃｕ６、ＺＣｈＳｎＳｂ１１－６、ＱＴ５００－７等［２６］。
3 离心压缩机材料氢相容性研究进展
在掺氢天然气输送系统中，离心压缩机作为核心设备，其材料在服役过程中所面临的氢相容性问题日益突出。氢气渗入金属内部，往往会导致材料出现氢脆现象，降低延性、疲劳寿命及断裂韧性，从而可能引发设备失效甚至事故。为此，国内外学者对离心压缩机材料的氢相容性展开了大量试验和理论研究，并相继提出了预充氢试 验、 在 线 高 压 氢 测 试、 慢 应 变 速 率 拉 伸 试 验
（ＳＳＲＴ）、疲劳裂纹扩展试验，以及低周疲劳试验等多种氢相容性测试方法。同时，借助原位表征技术与多尺度数值模拟方法，对氢扩散、吸附、偏聚以及裂纹扩展等微观过程进行了深入探讨。目前，关于氢脆机理的主流观点主要包括氢降低内聚力 （ＨＥＤＥ）、氢致局部塑性变形 （ＨＥＬＰ）以及吸附氢致位错发射 （ＡＩＤＥ），而最新研究显示，在实际工况下，这 ３种机理往往呈耦合作用，共同决定材料的氢脆敏感性。
３.１ 氢相容性测试方法
常用的氢相容性测试方法如表 ２所示。在材料氢脆研究领域，传统预充氢方法存在明显局限性。该方法通过电化学或气体环境预充氢后开展力学测试，但无法准确模拟实际服役条件下氢与应力的协同作用。相比之下，高压氢气环境试验实现了环境、应力场和氢浓度场 ３个维度与真实工况的三重相似性。这类试验通常采用高压氢气环境下直接开展慢应变速率拉伸、疲劳裂纹扩展和低周疲劳等测试方法，并结合扫描电镜断口分析，从宏微观层面揭示氢对离心压缩机材料的损伤机制。这种动态耦合试验方法，能同步观测氢的吸附、扩散、聚集行为与材料变形过程的相互作用，为工程应用提供更可靠的数据支撑。
３.２ 氢相容性影响因素
３.２.１ 环境气压
高压氢环境下，金属材料中部分区域氢浓度达到临界值，其韧性显著降低并发生氢致滞后断裂现象［２８］，而且氢原子在铁等金属中的溶解度与氢压平方根呈正比关系［２９］。另有研究表明，在一定范围内，增大环境气压会促进氢原子在金属中进一步溶解［３０］，尤其增大金属内部裂纹尖端氢原子富集，促进脆化发生［３１］。
近年来，对金属材料氢脆问题的研究备受各国材料领域学者关注。ＡＮＤＲＥＷ 等［３２］研究了 Ｘ５２和 Ｘ１００两种管线钢合金在氢压为 １.７～４８ＭＰａ范围内的疲劳裂纹扩展行为，发现这两种材料在氢气与空气环境下均表现出显著不同的疲劳裂纹扩展速率，前者比后者高出 １～２个
数量级，且在一定强度因子范围内这种劣化效应随氢气压力的增加而加剧。ＡＭＡＲＯ等［３３］进一步研究了这 ２种管线钢合金在氢气环境下的拉伸和疲劳裂纹扩展性能。
研究表明，２种钢材拉伸试样在 １３.８ＭＰａ高压氢环境下的伸长率明显小于空气环境，且前者韧性损失显著高于后者；在一定的应力强度因子范围内，２种钢材疲劳裂纹扩展速率随氢压增加而增加，当氢压从 １.７２ＭＰａ增至２０.６８ＭＰａ后，Ｘ１００钢疲劳裂纹扩展速率提高 ２～１０倍。
值得注意的是，当氢气压力达到一定阈值后，材料的性能劣化程度趋于稳定，这一现象在 Ｘ７０钢焊接热影响区的研究中得到进一步验证［３４］。目前关于氢气压力对各种工程管道钢材料发生氢脆的临界阈值及其氢脆响机理仍需要进一步系统深入研究。
３.２.２ 掺氢比
天然气管道掺氢输送是大规模输送氢气的有效途径［３５－３６］，尤其是通过天然气管网系统进行掺氢输送为居民及商业用户提供燃气是当前公认的一种极其高效的可行性策略。然而，为了尽量降低氢气掺入后导致管网金属材料力学性能 （如断裂韧性和疲劳性能等）显著下降的问题，首先要确定合适的掺氢比范围。
近年来，国内外学者对不同掺氢比的天然气掺氢环境下的钢材性能进行了研究。ＮＧＵＹＥＮ等［３７－３８］对 Ｘ７０管线钢在掺氢天然气环境中氢脆行为的研究表明，在总压为 ５～１０ＭＰａ的掺氢天然气中，该材料氢脆敏感性随着掺氢比的增大而显著增强。当氢气体积分数达到一临界值时，材料断裂模式由韧性断裂转变为脆性断裂。ＡＮ等［３９］研究了 Ｘ８０管线钢在 １２ＭＰａ总压掺氢环境下的研究发现，随掺氢比的增大，缺口试样的疲劳循环次数迅速减小 （降幅达 ２０％ ～９０％），而紧凑拉伸试样的裂纹扩展速率则急剧增加 （增幅达 ７～１４倍）。该研究进一步指出，裂纹扩展速率增加是导致 Ｘ８０钢疲劳寿命降低的主要原因。ＭＥＮＧ等［４０］在 １２ＭＰａ压力下对含氢体积分数０～５０％的天然气、氢气混合气体对 Ｘ８０管线钢力学性能影响的研究中，也得出了相似的结论。
目前，掺氢环境下掺氢比对钢材氢脆敏感性的影响研究虽取得了重要进展，重新建立了材料领域学者们新的认知，其影响规律与程度普遍也得到了认同，然而各种管道钢材料在掺氢环境下安全运行的气压与掺氢比范围，目前尚无统一定论，仍需开展深入系统研究，这将对于大规模输送氢气策略具有至关重要的意义。
３.３ 氢脆机理
氢气掺入天然气管道后可能会使得管道材料产生氢脆、氢鼓泡、脱碳及氢腐蚀等风险，其中氢脆和氢腐蚀的风险最大、危害最重。管道的氢脆和氢腐蚀是氢气与管道金属或金属中的添加物形成固溶物、氢化物、分子状氢气和气体产物的复杂过程，可以使金属晶界结合力减弱，致使管材塑性下降而产生脆断或微小裂纹或点蚀［４１－４３］。影响氢脆的因素除了气压、掺氢比之外，还有环境温度、管道材料强度水平、变形速率和微观组织等。
实际上，管道中氢气状态也会影响到其与金属的交互作用方式，从而引发的氢脆类型也有所不同。根据氢气原子聚集行为差异，氢脆可分为内部氢脆 （ＩＨＥ）、环境氢脆 （ＥＨＥ）及氢反应氢脆 （ＨＲＥ）３种类型［４４］。其中，内部氢脆与氢原子进入金属晶格内产生的晶格畸变、位错钉扎及裂纹形核有关，环境氢脆与高压氢气条件下裂纹尖端形成氢分子聚集区、局部应力促进氢吸附或表面能下降等有关，而氢反应氢脆与与材料中特定元素 （如碳、合金元素等）发生不可逆反应有关。此外，氢脆机理极其复杂，依据氢致损伤的微观作用机制，目前主要有三大主流理论：氢降低内聚力理论 （ＨＥＤＥ），氢致局部塑性 变 形 理 论 （ＨＥＬＰ），吸 附 氢 致 位 错 发 射 机 理（ＡＩＤＥ）。
３.３.１ 氢降低内聚力 （ＨＥＤＥ）理论
ＨＥＤＥ理论认为氢原子在金属晶界、裂纹尖端或缺陷处富集，降低了原子间的结合力，导致材料在低应力下发生脆性断裂。该理论尤其适用于解释高强钢在压力较大氢环境下氢致开裂的机制［４５］。ＯＲＩＡＮＩ［４６］通过热力学分析提出，氢在金属内部的偏析会显著降低晶界能，从而弱化晶界强度。第一性原理计算进一步验证了此观点：ＪＩＡＮＧ和 ＣＡＲＴＥＲ［４７］发现氢在 α－Ｆｅ晶界的吸附可使界面结合能下降 ３０％以上。ＮＡＧＵＭＯ等［４８］通过氢热分析 （ＴＤＳ）证实，氢在钢的晶界处富集浓度可达基体的
数百倍，与脆性断裂的临界氢浓度一致。然而，ＨＥＤＥ理论难以解释氢脆中观察到的局部塑性变形特征。近年来，多尺度模拟 （如分子动力学与连续介质力学耦合）表明，氢可能通过协同作用同时降低内聚力并促进位错运动，推动 ＨＥＤＥ与其他理论的融合［４９］。
３.３.２ 氢致局部塑性变形 （ＨＥＬＰ）理论
ＨＥＬＰ理论认为氢增强位错运动能力，导致局部塑性变形集中，进而引发裂纹萌生与扩展。ＢＥＡＣＨＥＭ［５０］通过断口分析发现，氢环境中裂纹尖端存在显著的塑性流变痕迹，提出氢通过屏蔽位错间相互作用促进局部滑移。
ＢＩＲＮＢＡＵＭ和 ＳＯＦＲＯＮＩＳ［５１］进一步提出氢降低位错形核能垒的机制，并通过原位透射电镜观察到氢环境下位错增殖速率显著提高。ＲＯＢＥＲＴＳＯＮ等［５２］利用环境透射电镜 （ＥＴＥＭ）证实，氢可促进不锈钢中位错的交滑移和攀移，导致局部软化。分子动力学模拟显示，氢原子通过降低 Ｐｅｉｅｒｌｓ应力使位错运动活化能降低约 ４０％［５３］。但ＨＥＬＰ理论对低氢浓度下脆性断裂的解释仍存争议，部分学者认为其更适用于高氢浓度或动态加载条件［５４］。
３.３.３ 吸附氢致位错发射 （ＡＩＤＥ）理论
ＡＩＤＥ机理由 ＬＹＮＣＨ提出，认为氢在裂纹表面的吸附降低了位错发射所需的表面能，促进位错从裂纹尖端发射，导致裂纹通过交替的位错发射与解理扩展［５５］。ＸＩＮＧ等［５６］通过密度泛函理论 （ＤＦＴ）计算表明，氢吸附可使 Ａｌ裂纹尖端的表面能降低 ３５％，显著促进位错形核。ＺＨＡＯ等［５７］结合原子探针断层扫描 （ＡＰＴ）和第一性原理计算，揭示了铝合金中氢陷阱的原子尺度分布及其对脆化的影响。ＡＩＤＥ理论成功解释了氢脆断口中混合型 （韧窝 ＋解理）形貌的形成，但其对体相氢作用的忽视受到质疑。ＫＩＲＣＨＨＥＩＭ［５８］研究提 出，ＡＩＤＥ可 能 与ＨＥＤＥ／ＨＥＬＰ协 同 作 用， 例 如 氢 吸 附 促 进 位 错 发 射（ＡＩＤＥ），而体相氢进一步加速位错运动 （ＨＥＬＰ）。
4 展望
掺氢天然气输送技术的快速发展对离心压缩机材料性能提出了愈来愈高的要求。当前研究通过合金化设计、表面改性与先进制造技术，显著提升了隔板、叶轮等关键部件的力学性能与耐蚀性，其中新型复合材料与功能化涂层技术展现出重要应用潜力。然而，氢环境下材料的脆化问题依然突出，氢分压与掺氢比的增加导致材料韧性损失与裂纹扩展速率激增，其本质源于氢在晶界处的富集及多机制耦合作用。未来需围绕抗氢脆材料开发、多尺度损伤机理解析及工程适用性评价体系等方面展开攻关。重点探索新型抗氢脆材料体系，结合多种表征技术揭示氢 －应力 －环境交互作用机制，并建立涵盖复杂工况的材料性能数据库与智能预测模型。通过材料组成－结构 －性质三要素协同创新，推动掺氢压缩机向高压化、长寿命方向发展，为氢能基础设施的高效安全运行提供支撑。
