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】
氫脆/氫損傷非破壞檢測技術
氫氣對金屬和合金的影響可能導致多種劣化或損傷形式，包括：氫脆、氫鼓泡、氫致開裂及氫攻擊等。其中，氫脆是氫對高強度鋼材最常見的影響，指氫原子在氫氣環境中滲透，顯著降低材料的強度。由於奧斯田鐵不銹鋼對氫脆的敏感性較低，因此被廣泛用於臨氫環境的鋼材。
非破壞檢測(Non-destructive Inspection; NDT)是一種在不破壞材料或影響其使用性能的情況下，檢測材料表面及內部缺陷以及冶金狀況的技術，用於評估材料完整性。常用的NDT技術包括：目視檢測(VT)、超音波檢測(UT)、射線照相檢測(RT)、渦電流檢測(ET)、磁粒檢測(MT)、液滲檢測(PT)及聲射檢測(AE)等。
1. 氫脆檢測
利用超音波檢測法研究和分析充氫對304不銹鋼機械性質的影響，通過測量充氫試片的超音波波速與振幅，並將其數據與不同充氫濃度試片的抗拉強度進行對比分析。為了避免耦合劑對測試結果的影響，採用10 MHz浸水式探頭，在水中進行超音波檢測(參見圖六)。
圖六、充氫試片的超音波檢測實驗示意圖
結果顯示，充氫雖會導致材料脆化，但超音波縱波波速仍維持在約5,800 m/s，橫波波速約為3,200 m/s。這表明，超音波波速並不適合用作判斷304不銹鋼充氫脆化程度的依據。然而，超音波衰減係數與試片的抗拉強度呈現相關性。隨充氫時間增加，超音波衰減係數也隨之增加(無氫、充氫12小時、充氫24小時的試片超音波衰減係數分別為0.1 dB/mm、0.23 dB/mm、0.28 dB/mm)，衰減係數增加是由於材料發生氫脆後音波散射增加。同時，試片的抗拉強度隨充氫時間增加而降低，充氫24小時後，抗拉強度降低約5%。因此，可以建立試片的數據資料庫，通過計算超音波衰減係數來估計抗拉強度。
2. 氫致開裂檢測技術
在石化及煉油工業中，含氫環境中的管線、儲槽(如：硫化氫儲槽)和壓力容器(如：加氫脫硫反應器)可能出現氫致開裂(Hydrogen-induced Cracking; HIC)及高溫氫攻擊(High Temperature Hydrogen Attack; HTHA)結構劣化現象。其中，HIC通常在常溫下發生，而HTHA則多見於超過200˚C的高溫環境。
圖十展示了使用Imasonic 64L7.5-G3探頭(7.5 MHz, 64 elts)對模擬試塊No.1進行掃描的過程，檢測儀器為Eddyfi Gekko PAUT系統，解析度設定為掃描軸1 mm、指標軸3 mm，數據擷取方法為全矩陣捕獲(Full Matrix Capture; FMC)，並使用全聚焦法(Total Focusing Method; TFM)進行影像重建。
圖十、使用PAUT探頭(7.5 MHz, 64 elts)進行模擬試塊No.1掃描
TULA (TOFD Ultra Low Angle)技術採用低折射角的TOFD (Time of Flight Diffraction)方法，適用檢測較厚材料，具有快速、高靈敏的特性。實驗中使用Eddify Gekko探傷儀(64:64 PR)及10 MHz探頭(Roof Angle為0°)進行掃描，解析度達0.12 mm ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》459期，更多資料請見下方附檔。