高壓氫是指其壓力大于15MPa的氫環境。在高壓氫中,某些結構材料將變脆,有可能突然失效或延遲斷裂,在工程應用中將造成嚴重事故,不僅造成設備破壞并可危及人員生命,因此這類材料的選擇應十分慎重。
1. 在氫中不銹鋼的性能變化
在高壓氫或充氫條件,鋼的強度和塑性將發生變化,通常以下述公式進行表述。
性能降低率 = (在 He 中性能 - 在 H2 中性能)/ 在 He 中性能
在高壓氫中,一些不銹鋼的性能變化結果見表3-2、表3-3和圖3-2.
上述的試驗結果表明,在高壓氫中奧氏體不銹鋼具有良好的性能,而馬氏體不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼、鐵素體不銹鋼不具備使用價值。
奧氏體不銹鋼形變處理既可以提高強度又可增加抗氫能力,經高能快速錘鍛的(1090~1200K) 304L不銹鋼的屈服強度可由200MPa提高到520MPa,其抗氫能力顯著提高,由抗氫能力較差轉變成可用,00Cr18Ni10和0Cr21Ni6Mn9N鋼經高能快速錘鍛造后的抗氫性能改善效果見圖3-3。
2. 在高壓氫中不銹鋼的選擇
根據不銹鋼在高壓氫中的性能變化特點和受損程度,可對用于不同條件下的高壓氫中的不銹鋼結構材料進行選擇。與高壓氫相關的設備,主要是氫的輸送和貯存,涉及到實驗室用氣輸送系統和火箭發動機燃料貯存和使用系統,其安全性是非常重要的。根據使用條件,可將在高壓氫中應用的不銹鋼區分為結構件和非結構件。
作為在高壓氫中應用的不銹鋼結構件,主要應選擇304不銹鋼,304L不銹鋼,最安全的材料是316不銹鋼。對于在氫中應用的材料應具有高的純潔度,理想的冶煉工藝是真空冶煉和真空自耗的雙真空工藝。當遇到要求屈服強度大于200~250MPa的使用條件,通常的18-8型奧氏體不銹鋼不能滿足要求,可采用形變熱處理使奧氏體不銹鋼的強度提高或者選用Cr-Ni-Mn-N高強奧氏體不銹鋼。
由于奧氏體不銹鋼的良好抗氫能力,使其成為重要的抗氫材料,因其價格高、強度低,常常用作輸送管道和加氫反應器的襯里材料。可以采用堆焊,亦可采用板材襯里。0Cr18Ni11Nb和0Cr23Ni3是經常使用的堆焊材料。在采用薄板襯里時,不要使結合面粘合太緊密或者留出逸氫孔,通常0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2、0Cr23Ni13、0Cr21Ni6Mo9N等應用較為普遍,可根據實際應用的相關條件進行選擇。