涉氢环境机械部件的摩擦学研究现状

氢气作为一种清洁、高效、可持续的二次能源,在未来我国终端能源体系占比至少10%,以氢能作为汽车和飞机动力学系统燃料的研究成为热点. 机械运动部件表界面与氢介质将发生复杂的物理化学反应,影响着机械运动接触面的摩擦学行为,使役过程中氢致疲劳、磨损及腐蚀失效行为,严重制约着机械动力部件运行稳定性、可靠性和安全性. 本文中重点调研了国际上氢气气氛环境下机械运动部件材料的摩擦磨损行为研究进展,总结了氢气环境下聚合物基、陶瓷基、金属基及低维度固体颗粒材料的摩擦磨损行为及其损伤失效演变规律,进一步阐述了摩擦工况下氢气和其他气体介质共存与使役材料的摩擦学行为之间的关联性. 从摩擦学角度提出了抑制氢致损伤的可行性关键技术及防护材料,并对未来涉氢机械部件服役安全性的科学问题进行了展望.      

天然气掺氢管道输运及终端应用

氢能是最有潜力的碳中和清洁能源载体,天然气掺氢在管道输运和终端应用方面具有优势。本文调研了国际上具有代表性的天然气掺氢研究及示范项目,分析了天然气掺氢管道输运和终端应用的可行性和经济性。研究结果表明：低比例的氢气（20%体积比以内）加入天然气管网系统中并不会明显增加相关事故风险及危害,对系统进行轻微改造的情况下最高可以允许50%体积比氢气加入天然气管网系统。通过经济性分析核算了天然气掺氢的成本,给电厂进行天然气掺氢提供参考。鉴于各个国家在天然气成分、管道条件和管道材料上的不同,我国应根据实际的管路、气体具体情况开展对于天然气掺氢的分析研究。     

长输氢气管道失效分析与定量风险评价

长输氢气管道是一种解决大规模输氢的有效方式,但其失效机理和泄漏扩散规律不同于常规油气管道,因此为提高氢气长距离管输的风险应对能力,本文分析了包括氢损伤在内的6类风险致因,辨识了氢气管道泄漏典型事故场景,研究了失效概率预测和潜在生命损失计算模型,从而构建了一种量化风险评价方法。通过案例分析表明：该方法解决国内缺少失效统计数据前提下的失效概率分析问题,多场景泄漏事故计算为最大限度评估后果严重性提供保障。     

铁素体/珠光体组织对管线钢中氢扩散行为的影响

长距离管道输送是氢气输送的重要发展方向之一。氢在管线钢的扩散和局部聚集导致材料力学性能下降，在外界作用下引发脆性失效。因此，氢在管线钢材中的扩散和富集是评价管线钢相容性与判断管道升级可行性的重要参考依据。以三种不同等级的管线钢（X52,X65,X70）共22种材料为研究对象，结合图像处理技术与基于材料内铁素体/珠光体组织结构的连续介质数值计算，推算长期服役后结构内部氢的扩散和富集。考虑到铁素体和珠光体组织中的氢扩散速率与晶界的扩散阻碍作用，通过对比量化不同铁素体/珠光体的结构分布和组织取向下氢质量浓度和扩散通量的差异，分析铁素体/珠光体组织对管线钢中氢的扩散和富集作用，为长距离输氢管道材料选用提供技术参考。     

天然气掺氢在管道流动中的氢浓度分布

天然气掺氢是解决氢气产地与使用地不匹配,进而实现氢气大规模、远距离输送的主要方法。由于氢气的存在会导致在役天然气管道出现氢脆引起安全事故。所以,研究天然气掺氢管路中氢气组分、速度、聚集的规律分析十分必要。本文选用天然气和氢气两种工质,构建T型掺混管路模型和变径管路模型;并基于Fluent软件对T型掺混管路和10种变径掺混管路进行数值模拟研究。结果表明,对于T型掺混管路,在管长是管径35倍处内依然有明显分层,宽度占据1/3管径。对于变径掺混管路,发现变径越靠近掺混中心、直径越窄、高度越低越容易发生氢气富集,氢气摩尔分数最高达到50%～60%,易引起管道的氢脆。研究结果可对天然气掺氢在管道中流动的氢浓度分布和管道变径选取提供参考。     

掺氢天然气管道完整性评价技术的进展与挑战

“双碳目标”背景下,我国积极推进掺氢天然气管道发展,本文总结了国内外掺氢天然气管道完整性评价方面的研究进展与挑战,得到主要结论如下。（1）现有金属材料相容性试验结论不明确,亟需制定国际统一的金属材料掺氢相容性试验标准;掺氢后管材、焊缝性能劣化规律不清晰,需系统地开展相关试验,揭示其氢损伤机理。（2）天然气管道非金属密封材料在氢环境中的密封性能及力学性能尚不明确,亟需开展相关试验以探索其性能规律;工程上缺乏高性能的非金属输氢管道,需研发低渗透耐侵蚀的输氢管材。（3）现有无损检测技术对掺氢后天然气管道的适用性研究不足,需改进或研发更高精度的无损检测工具以满足掺氢条件下对缺陷检测精度的要求。（4）掺氢天然气管道缺陷适用性评价方法研究仍处于初级阶段,需要以丰富的试验数据为基础开展耦合考虑氢介质与应力状态的管材微观损伤本构研究,完善掺氢天然气管道缺陷适用性评价方法。本文可为掺氢天然气管道安全保障相关研究提供参考。     

X80管道单腐蚀缺陷失效研究

腐蚀是造成管道失效的重要原因之一。为了深入了解现有X80管道的单腐蚀缺陷,本文针对X80管道单腐蚀缺陷失效机理进行了研究。首先建立并验证了有限元模型,通过大量的有限元模拟计算,建立了单腐蚀X80管道失效分析数据库;其次根据计算结果对腐蚀管道的失效机理进行了研究,包括单腐蚀X80管道的破坏模式、破坏过程以及应力分析;同时对影响X80腐蚀管道失效表现的各项参数进行了分析,如深度、长度、宽度、缺陷位置及管道径厚比等;最后利用有限元计算结果,拟合了单腐蚀X80管道的失效压力预测公式,并通过对比爆破实验数据验证了回归公式的适用性。     

长距离管道纯氢与天然气掺氢输送技术专题序

<正>氢能利用涉及到制氢、储氢、输氢、用氢等全产业链。作为我国绿氢主要产地的风光大基地集中于“三北”地区,而氢气消费大户却主要分布在东部特别是沿海地区,绿氢生产和消费空间错配,客观上要求大规模储运调配以有效衔接供需。然而,当前氢能储运成本约占到“制储输用”全产业链总成本的30%～40%,已成为制约其发展的核心问题。氢能储运模式中,长距离管道纯氢与天然气掺氢输送是实现氢能大规模、网络化输送最有潜力的技术,尤其是利用已有天然气管网进行少量改造实现天然气掺氢输送,更能节约大量基础设施建设费用。     

基于J-C模型的Q235钢的失效准则

使用Instron材料试验机、霍普金森拉杆（SHTB）对Q235钢试件进行了不同温度下的准静态和动态拉伸实验,研究了温度、应变率及应力三轴度对Q235钢失效应变的影响,结果表明:Q235钢失效应变随温度的升高而增加,随应变率的增加而减小,随应力三轴度的增加先减小后增加再减小。基于实验结果对Q235钢J-C失效模型中的温度项进行了修正,并结合数值模拟提出了基于J-C失效模型的应力三轴度三分段式失效准则,通过Taylor撞击实验和数值模拟对给出的模型相关参量进行了验证,实验与模拟结果吻合较好。     

含腐蚀缺陷的管道静力性能试验测试研究

为研究腐蚀缺陷对管道承载力的影响,本文分别进行了含腐蚀缺陷管道在轴压载荷、弯曲载荷以及轴压和弯曲复合载荷作用下的静力失效过程测试。通过不同载荷作用下管道的荷载-位移曲线以及荷载-应变曲线来分析管道的失效模式和失效机理;通过有限元分析结果与试验测试结果验证其准确性。结果表明:腐蚀缺陷使管道在三种不同荷载作用下的极限承载力均有所下降;针对文中所研究的管道及其腐蚀缺陷,在轴压载荷作用下管道承载力下降了18.4%,在弯曲载荷作用下管道承载力下降了20.96%,在轴压和弯曲复合载荷作用下管道承载力下降了13.3%;管道中腐蚀缺陷位置的管壁厚度减小,该位置应变发展迅速,首先进入塑性屈服状态,最终导致该腐蚀位置发生弹塑性屈曲失效。     

基于STAMP模型的掺氢输送放空系统风险分析

随着掺氢运输迅猛发展,原有的放空系统又产生了新的安全隐患和风险因素。为了保障掺氢管道放空作业时设备和人员的安全,本文基于事故分析模型,通过分析掺氢管道的放空流程,确定放空系统失效事故的安全约束条件,建立放空作业控制与反馈模型,识别控制模型中潜在的不安全控制行为,确定不同的不安全控制行为产生的风险及对应的安全约束,对掺氢管道的风险性进行分析研究,提高掺氢管道放空作业的安全性。     

加载速率对40Cr钢Ⅱ型动态断裂特性的影响

采用新型Ⅱ型动态断裂测试技术,对高强钢40Cr在高加载速率下的Ⅱ型动态断裂特性进行了测试研究。基于新设计的Ⅱ型动态断裂试样和分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）技术,通过实验-数值方法确定了裂尖在加载过程中的应力强度因子曲线。采用应变片法确定了试样的起裂时间,最终得到40Cr的Ⅱ型动态断裂韧性值,并对其加载速率相关性和材料的失效机理进行了研究。结果表明,在1.08～5.53 TPa·m1/2/s的加载速率范围内,40Cr的Ⅱ型动态断裂韧性基本表现为与加载速率成正相关的变化趋势。通过对试样断口形貌的分析,确定了材料的失效模式及机理,发现随着加载速率的增加,存在拉伸型失效向绝热剪切型失效模式转变的现象。     

高强钢及软钢断裂失效行为表征与仿真预测

针对汽车碰撞、结构强度等分析中无法准确模拟高强钢及软钢的断裂失效,研究了高强钢及软钢的断裂失效特性以及其仿真预测方法．以宝钢高强钢HC340/590DP及软钢DC05为研究对象,首先通过不同应变率的拉伸试验和不同应力状态的断裂失效试验,来表征两种钢材的弹塑性及断裂失效行为．并从试验数据中得到LS-DYNA中的Damage Initiation and Evolution Criteria (DIEC)失效模型所需参数,建立失效模型,通过子系统试验及仿真计算对DIEC失效模型进行验证．结果表明基于准确的材料试验数据,正向建立的DIEC失效模型可以准确预测HC340/590D及DC05的断裂失效行为．本研究方法可推广到其他高强钢和软钢的断裂失效仿真预测中．     

纸基摩擦材料与不同含碳量钢配副之间的摩擦学性能及其失效机理研究

采用湿法成型辅助热压工艺制备了纸基摩擦材料. 分别考察了纸基摩擦材料在无油状态和富油状态下与不同碳含量钢配副材料的摩擦适配性,并通过磨损表面形貌分析和探讨了其在无油状态下的失效机理. 结果表明:在无油状态下,随配副材料硬度增高,纸基摩擦材料的摩擦系数下降,摩擦稳定性提升,磨损率降低,高硬度的65Mn钢与纸基摩擦材料的适配性较好. 纸基摩擦材料在无油状态下主要表现为由疲劳裂纹引发的纤维脱粘与拔出导致的材料失效. 在富油状态下,配副材料的硬度对纸基摩擦材料的摩擦性能无显著影响,润滑油膜和摩擦膜的形成能有效减轻对配副材料的微观切削作用,从而抑制材料的磨损.      

高速列车铁基烧结闸片材料的摩擦磨损性能研究

采用粉末冶金工艺,通过对材料组成和工艺等的实验研究,获得了一种铁基烧结闸片材料,对材料的物理机械性能、摩擦磨损性能和微观组织结构等进行了分析测试,探讨了烧结摩擦材料的摩擦磨损机理以及材料微观组织结构与摩擦磨损性能之间的关系。结果表明：该材料摩擦系数较高（0．31）,磨损率低（0．022mm/次）,摩擦稳定性优良;同时具有良好的物理机械性能,是一种潜在的高速列车制动闸片材料。烧结摩擦材料的摩擦机理归于啮合和粘着,而磨损机理归于磨粒磨损和疲劳裂纹萌生及扩展。     

夹心弹对半无限钢靶的侵彻特性

为研究夹心长杆弹在较大速度范围内的失效机理、侵彻性能及影响因素,在较大着靶速度（0.9～3.3 km/s）下开展了两种夹心弹侵彻半无限厚4340钢靶的弹道实验,并结合数值模拟方法进行了深入分析。实验和数值模拟结果表明:超高速（＞2.0 km/s）条件下,均质钨合金弹和夹心弹均呈现出显著的流体动力学侵彻特性;中低速度（0.9～1.8 km/s）条件下,均质钨合金弹始终呈现出典型的“蘑菇头”失效,而夹心弹始终呈现出“co-erosion”失效;特别地,初速为936 m/s时,1060铝外套夹心弹的失效模式由初始的“bi-erosion”在后期转变为“co-erosion”。在实验速度范围内,中低速度下,夹心弹的侵彻性能低于均质钨合金弹;而在超高速条件下,两者的侵彻性能基本一致。然而,初始入射动能相同时,夹心弹的侵彻性能显著优于均质钨合金弹;与外套材料的密度相比,其强度对夹心弹侵彻性能的影响更显著,且外套材料强度越小,弹体的侵彻性能越好。综合分析可知,进行夹心弹设计时,应优先选取密度小、强度适中的材料作为外套材料。     

掺氢可燃气体燃爆特性研究进展

随着全球新能源产业的快速发展，氢能因其高效、无污染、可持续的特点而备受关注，但由于氢气的固有特性很难保持其安全性，因此安全问题一直是氢能利用的重中之重。本文以氢气的安全利用为背景对掺氢可燃气体燃爆特性的研究进展进行了系统总结，首先介绍了掺氢可燃气体的燃爆机理，然后讨论其最小点火能、燃爆极限及其火焰行为特性，最后强调了掺氢可燃气体在能源利用中的重要意义及未来的发展方向。     

热障涂层材料性能和失效机理研究进展

热障涂层材料破坏由大尺度屈曲和层离机制产生, 而这些机制又是微裂纹形核、扩展及相互连通结果的积累.由于特殊制备工艺和使用环境, 材料性能涉及到许多特殊机制.近半个世纪的研究,人们对其性能有了充分认识.综述 近几年的研究结果,内容包括:热生长氧化现象及其热力学描述;热生长应力与材料失效的联系;材料破坏机理与性能 控制参数和材料微组织的联系;微缺陷演化产生的材料屈曲和层离所需的能量释放率;破坏 准则、服役寿命预计模型和评价标准等.     

电致失效力学

电致失效力学研究单调或交变电场载荷下由应力引起的失效行为,它包含了电致断裂、电致疲劳、电致迁移与电致损伤等新研究课题．本文概述了电致失效力学的领域与课题,并深入讨论了电致应变诱导断裂疲劳的机理及电迁移损伤的力电耦合过程．研究结果表明,电致失效力学可提供铁电陶瓷致动器和集成电路的若干关键设计参数．对铁电陶瓷多层共烧致动器,该分析提供其层厚、外加电场强度和交变电场循环周数．对集成电路内导线,该分析提供其允许电流密度和临界线长．      

氢进万家专题序(Ⅰ)——氢进万家，助力“双碳”目标实现，服务生态文明建设

<正>全球气候变化是当今世界可持续发展面临的巨大而严峻的挑战,建设生态文明社会,实现碳中和是应对挑战的重要手段。我国关于“双碳（碳达峰和碳中和）”战略目标的庄严承诺,正是作为一个负责任大国的使命与担当。氢能作为潜力巨大的清洁能源载体,是我国能源结构由高碳到低碳转型并最终实现碳中和战略目标的重要选择,甚至是实现碳中和的终极方案。目前,我国氢能产业正步入发展快车道,城镇地区用氢需求将不断提升,如何实现氢能的规模化、经济性和安全输运是制约“氢进万家”的关键问题。