在高压氢中不锈钢的选择

出处：按学科分类—工业技术 中国科学技术出版社《不锈钢实用手册》第1034页（1656字）

高压氢是指其压力大于15MPa的氢环境。在高压氢中，某些结构材料将变脆，有可能突然失效或延迟断裂，在工程应用中将造成严重事故，不仅造成设备破坏并可危及人员生命，因此这类材料的选择应十分慎重。

(1)在氢中不锈钢的性能变化

在高压氢或充氢条件，钢的强度和塑性将发生变化，通常以下述公式进行表述。

在高压氢中，一些不锈钢的性能变化结果见表3－2、表3－3和图3－2。

表3－2 马氏体、沉淀硬化和铁素体不锈钢在高压氢中力学性能的变化

注：H₂的压力为69MPa。

表3－3 奥氏体不锈钢在高压氢中力学性能的变化

注：①321、347在34．5MPa压力H₂中，其余为69MPaH₂，305和347为冷变形材料。

图3－2 经退火的奥氏体不锈钢在高压H₂中断面收缩率降低状况(光滑试样)

上述的试验结果表明，在高压氢中奥氏体不锈钢具有良好的性能，而马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢、铁素体不锈钢不具备使用价值。

奥氏体不锈钢形变处理既可以提高强度又可增加抗氢能力，经高能快速锤锻的(1090～1200K)304L(00Cr18Ni10)的屈服强度可由200MPa提高到520MPa，其抗氢能力显着提高，由抗氢能力较差转变成可用，00Cr18Ni10和0Cr21Ni6Mn9N钢经高能快速锤锻造后的抗氢性能改善效果见图3－3。

图3－3 00Cr18Ni10和0Cr21Ni6Mn9N(Nitronic 40)经高能锤快锻(HERF)后抗氢性能的改善

(锻造温度范围：817～927℃；高压H₂的压力为69MPa；充氢为24MPa，温度为475K(202℃)，时间为14天)

(2)在高压氢中不锈钢的选择

根据不锈钢在高压氢中的性能变化特点和受损程度，可对用于不同条件下的高压氢中的不锈钢结构材料进行选择。与高压氢相关的设备，主要是氢的输送和贮存，涉及到实验室用气输送系统和火箭发动机燃料贮存和使用系统，其安全性是非常重要的。根据使用条件，可将在高压氢中应用的不锈钢区分为结构件和非结构件。

作为在高压氢中应用的不锈钢结构件，主要应选择00Cr18Ni10，0Cr18Ni9，最安全的材料是0Cr17Ni12Mo2。对于在氢中应用的材料应具有高的纯洁度，理想的冶炼工艺是真空冶炼和真空自耗的双真空工艺。当遇到要求屈服强度大于200～250MPa的使用条件，通常的18－8型奥氏体不锈钢不能满足要求，可采用形变热处理使奥氏体不锈钢的强度提高或者选用Cr－Ni－Mn－N高强奥氏体不锈钢。

由于奥氏体不锈钢的良好抗氢能力，使其成为重要的抗氢材料，因其价格高、强度低，常常用作输送管道和加氢反应器的衬里材料。可以采用堆焊，亦可采用板材衬里。0Cr18Ni11Nb和0Cr23Ni3是经常使用的堆焊材料。在采用薄板衬里时，不要使结合面粘合太紧密或者留出逸氢孔，通常0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2、0Cr23Ni13、0Cr21Ni6Mo9N等应用较为普遍，可根据实际应用的相关条件进行选择。