蕭祝螽 / 工研院材化所
為實現全球於2050年達成淨零碳排的目標，氫能在能源轉型中扮演著愈加關鍵的角色。然而，氫氣在儲存和輸送過程中的基礎設施可能因氫脆現象而受損，導致材料的延展性和破裂韌性下降，加速疲勞裂縫的擴展，並增加運營風險。因此，研究氫脆劣化的預防措施與檢測技術具有重要意義。本文首先分析氫脆的機制，著重探討氫原子如何滲透金屬材料內部並改變其微觀結構。接著，探討多種應對氫脆劣化的策略，包括：提升材料本質性能、在管線內部應用塗層、使用氣體抑制劑，以及開發新型輸氫管材等。此外，本文介紹了輸氫管線的相關規範、氫脆與氫致開裂的非破壞檢測技術以及管線的管線內檢測(ILI)技術，這些技術有助於及早發現管線材料的劣化或初始裂縫，降低氫氣洩漏的風險。
【內文精選】
材料氫脆機理
1. 氫脆現象及失效模式
氫脆通常起源於氫原子在金屬內部氫陷阱處的聚集和偏析，對金屬基體的原子鍵結力或差排運動產生影響。根據氫原子與差排之交互作用的氫釘扎理論，氫原子進入金屬後會滯留在缺陷處。在應力作用下，氫原子逐漸向裂縫尖端或其他應力集中區域擴散，抑制差排運動，造成局部硬化，並增強金屬對塑性變形的抗性。在這種情況下，裂縫逐步擴展成為釋放能量的主要途徑，而氫的存在進一步加速了裂縫的成長。
在宏觀層面，氫脆會導致材料的力學性能劣化，表現為韌性與塑性的下降，並使斷裂模式從塑性斷裂轉為脆性斷裂，最終使金屬在載荷條件下發生脆化。
2. 輸氫管線氫致開裂過程與機理
輸氫管線的氫致開裂過程可分為以下幾個步驟：
① 氫分子的吸附與解離：氫分子首先吸附於管線鋼表面，並解離生成氫原子。
② 氫原子的滲透與擴散：氫原子滲透至管線鋼內部，並在鋼材中擴散和聚集。
③裂縫的形成與擴展：氫原子在鋼材內被氫陷阱(如：晶界、差排等)捕獲，如圖三所示。在局部壓力升高或塑性變形的情況下導致裂縫的形成。裂縫隨後在應力集中下逐步擴展，最終導致材料失效。
圖三、材料中氫陷阱的位置分布示意圖，(a)原子尺度；(b)微觀尺度
3. 氣態與液態環境氫脆的區別
金屬的氫脆是一個已知的長期問題，儘管管線鋼的氫脆現象在過去數十年中已被廣泛研究。大部分研究基於液體環境中的電化學反應，主要涉及由「陰極氫」產生的氫原子。然而，氫氣管線中的氫脆則發生在高壓氣相環境中，氫原子源自於氫分子在管線鋼表面的吸附和解離，被稱為「氣態氫」。雖然「陰極氫」與「氣態氫」在進入鋼內部後的氫脆機理相似，但二者在氫原子的生成和滲透過程上存在本質差異，導致許多液態環境研究的結果無法直接應用於氫氣管線的氫脆研究。
4. 不同金屬材料的氫脆特性
(1) 碳鋼
碳鋼在氫氣和天然氣管線中已有數十年使用歷史。適用於氫氣環境的碳鋼包括美國材料和試驗協會ASTM A106 B、A53 B級，以及美國石油協會API 5L X42和X52級(優先選用PSL 2級)。歐洲工業氣體協會(EIGA)和壓縮氣體協會(CGA)發布的IGC Doc 121/04/E和CGA G-5.6，提供氫氣管線的實踐指導。
(5) 鋁合金
鋁合金在乾燥氫氣中具有良好的抗氫脆性能，但在含水蒸氣的氫氣環境中可能受氫脆影響。鋁的氫溶解度極低，但在潮濕氫氣中，鋁易受到氫脆作用。測試顯示A6061-T6鋁合金在70 MPa氫氣中與空氣中的拉伸性能和疲勞性能相似，顯示其適合作為高壓氫氣瓶內襯。
5. 壓力和溫度的影響
(1) 壓力影響
隨著氫氣壓力增加，氫分子碰撞總能量升高，氫分子在裂縫表面的物理吸附、化學吸附及解離為氫原子的機率提高。高壓環境下，氫的溶解度在裂縫尖端的聚集度增大，加劇氫致開裂，例如：應力強度因數閾值KTH隨壓力增加而降低，意味著溶解氫濃度增加，從而促進氫脆發生。
(3) 銲接區氫脆
氫致開裂通常始於銲接熱影響區(Heat Affected Zone; HAZ)，如圖四所示，因其具有複雜的微結構、粗晶粒及殘留應力等特徵。此外，氫的主要來源包括工件及填充金屬中的水分或污染物，這些因素增加了銲接過程中溶解氫的含量，進一步提高了氫致開裂的風險 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖四、起始的氫致開裂位置通常位於靠近銲道的熱影響區(HAZ)
★本文節錄自《工業材料雜誌》458期，更多資料請見下方附檔。