金屬與氫氣的相容性探討
發布日期: 2023-05-31
金屬與氫氣的相容性探討
By Dr. Brian Somerday, Materials Engineering Consultant, Somerday
Consulting, LLC
""
Opening image: Hydrogen Embrittlement, also known as Hydrogen Induced
Cracking (HIC). Image © Uwe Aranas, dreamstime.com
隨著氫在減少碳排放的技術組合中變得越來越重要，人們越來越關注其安全運輸、
儲存和最終使用。大多數危險情境都涉及氫氣的意外洩漏，這可能是由於氫氣密閉系統
的設計、組裝或操作不當造成的。氫氣系統設計的一個重要面向是材料的選擇，特別是
那些組成氫容器元件的材料。從意外氫氣洩漏的角度來看，材料選擇主要關注與氫氣導
入的兩個問題：(1)材料的氫氣滲透率(permeation rates)，它決定了壓力界面
(pressure boundaries)的洩漏率，以及(2)氫降低材料機械性能的可能性，這可能導致
壓力界面失效和氫氣突然洩漏。本文主要關注第二個問題，更具體地說是氫引起的金屬
降解(degradation)。在接近環境溫度的氣態氫環境中，由氫引起的金屬降解導致的失
效通常稱為“氫脆”(Hydrogen embrittlement)。
氫脆的可能性始於氫進入金屬。當氫分子形式（H2)，它不能直接進入金屬，因為
氫分子的大小大於金屬原子之間的“自由體積”(free volume)。因此，氫只能進入能夠
催化氫分子在金屬表面離解成單個氫原子（H）的金屬。然後，這些氫原子可以通過佔
據金屬原子之間的自由體積進入並進一步滲透（擴散）到金屬中，導致延性下降且容易
脆性斷裂的現象。
雖然術語“氫脆”和“材料相容性”經常互換使用，但氫脆現像不僅僅是材料相容性問
題。圖 1 中的圖表說明了這一觀點，其中圓圈代表三種類型的變數：材料特性、環境條
件和機械應力特性。氫脆將發生在這三種變數類型的交叉處，該現像不僅取決於材料特
性，還取決於環境條件和機械應力特性。
""
在評估氫氣系統中外殼氫脆的可能性時，必須考慮圖1中的三種變數，並且應特別關注
下列問題：
1. 材料強度。在採購未明確認證可用於氣態氫的容器組件時，建議查看產品的材料清
單，以確定是否有任何高強度合金，例如 17-4 PH 不銹鋼 (17-4 PH stainless steel)，
這些合金會引起氫脆問題。
2. 隨時間變化的機械應力。當外殼組件受到重複機械應力時，解決氫脆問題的最有效方
法是通過定量分析。這些方法將零組件的應力分析與氫氣中的材料測試數據相結合。美
國機械工程師協會 (ASME) 的固定壓力容器規範 (ASME Boiler and Pressure Vessel
Code, Section VIII, Division 3, Article KD-10) 和管道規範 (ASME B31.12) 即為此類
方法。
3. 氫氣壓力。對於許多金屬，即使在非常低的壓力下（例如，1 bar或更低），氫氣中
的氫脆也會發生。因此，對於材料特性和機械應力特性的所有組合，不應假設存在某個
閾值壓力，低於該閾值壓力時，外殼系統不會發生氫脆。
補充說明：美國化學工程師學會(AIChE)之氫氣安全中心 (CHS)成立於 2018 年，是一
個非營利、公正的企業會員組織，旨在促進氫氣和氫氣系統在所有裝置和應用中的安全
操作、處理和使用。CHS 擁有 100 多個全球成員組織和 14 個戰略合作夥伴，並利用
最佳實踐、經驗教訓、教育資源、會議、網絡研討會、研討會和工作組來開發和分享氫
安全知識。
完整文章請參閱：https://hydrogentechworld.com/compatibility-of-metals-withhydrogen-gas