2024年12月2日，全长5111公里的中俄东线天然气管道全线贯通，其中中国境内3371公里，经黑龙江省黑河市入境后途经9个省（自治区、直辖市）抵达上海，实现了“北气南下”，来自武汉科技大学黄峰教授团队研发的“夹杂物功能化”技术发挥了重要作用。

在钢铁领域有一个困扰全球能源界的难题：氢原子，这种世界上尺寸最小、重量最轻的原子，却能像幽灵一样钻入钢铁的晶格，导致高强度管道在毫无征兆的情况下突然脆断。黄峰教授团队首创“夹杂物功能化”设计技术，不再是简单地把钢材中的夹杂物剔除，而是巧妙地将其转化为氢原子的“囚笼”困住调皮的氢，让夹杂物获得“逆袭”，变害为利。

通过这项技术，他们与武钢联合成功开发出X65、X70、X80等系列高强油气输送用管线钢。这些“抗氢”管线钢，即便是世界上最小的原子氢也奈何不得，无法渗入。

黄峰教授检测“抗氢”管线钢。记者杨佳峰 摄

【研发者说】

武汉科技大学金属材料工程系教授黄峰：

让钢铁夹杂物“逆袭”成“囚笼”困住氢原子

管线钢往往被用来运输油和天然气，而油气中含有大量的硫化氢，管道腐蚀后产生的氢原子，极易进入钢材的晶格中造成材料强度和韧性降低，俗称“氢脆”。

追溯至2013年，我们开启了研发“抗氢”管线钢的序幕。刚开始，首先寄希望于“纯净钢”。在传统思维中，“消除夹杂物”是钢铁生产中最常见的事情，我们也很自然地采用剔除钢材中杂质物的办法实现“抗氢”。实验做了一年又一年，最终发现不可行。因为从冶金原理上，要想钢材中夹杂物完全清除干净，从机理上根本做不到，“纯净钢”根本走不通。

黄峰教授检测“抗氢”管线钢。记者杨佳峰 摄

“纯净钢”走不通，解铃还须系铃人，我们又回到钢中的“夹杂物”改性处理上。在一次夹杂物与氢相互作用微观机制研究中，最终发现氢原子进入了钢材，能在微纳米缺陷中被捕获，使氢在钢均匀分散，避免在钢中晶界或局部位置聚集，从而使钢材抵抗了氢的损伤。

戴着防毒面具，经过千百次实验，我们获得验证——当钢材中夹杂物尺寸细化都微纳米尺度，它不仅能细化晶粒，提高钢的强韧性，还能捕获氢，表现出抗氢特性。因为这些细小的颗粒就像一个个“陷阱”，能够套牢氢原子，阻止它们在材料内部游走造成钢铁的“氢脆”。这个发现让我们打开了全新的研究方向，关注这种“变害为利”的研发思路。既保留了微纳粒子强韧化作用，又赋予了抗氢的新功能。

如何让夹杂物“功能化”，化腐朽为神奇呢？我们摸索出将镁作为夹杂物改性剂，采用微镁处理技术，在钢材中生成弥散细小的球形夹杂物，显著提升材料的综合性能，成本几乎不变，生产工艺也无需大幅调整。

黄峰教授利用双电解池测量氢离子在钢材中的扩散系数。记者杨佳峰 摄

我们还发现，这种功能化的夹杂物能形成独特的“核壳结构”——坚硬的核心外包裹着柔软的外壳，这种结构能产生应力屏蔽效应，当材料承受循环载荷时，软壳能有效缓冲应力，硬核则能抵御变形，从而显著提升钢材的抗疲劳性能。

在极寒的环境下，液化天然气管道容易发生脆断。但我们的夹杂物能钉扎晶界，促进铁素体形成，细化晶粒。晶粒越细，材料的强度和韧性就越高，抗氢脆能力也越强——这可谓“一箭三雕”。2024年，该“夹杂物功能化”技术荣获湖北省科学技术进步奖一等奖。

在武钢中试时，工艺改动非常小。在微合金化处理中，我们会精确控制添加镁的时机，严格把控温度参数。较普通钢材的成本几乎不增加，但带来的效益远超投入。这种处理后的钢材，不仅具有抗氢脆的优异性能，强度和韧性也有提升。即便在后续管道焊接时，夹杂物还能有效细化热影响区的晶粒，显著提升焊接接头的韧性。这也是我们在后续研究中意外发现的额外惊喜。

黄峰教授指导学生进行“抗氢”管线钢的实验。记者杨佳峰 摄

【专家点评】

武钢研究院院长助理徐进桥：

“抗氢”管线钢性能在国内首屈一指

武科大黄峰教授团队研发的“抗氢”管线钢性能在国内首屈一指，整体上国际领先。在“中俄东线”天然气管道建设国内段获得应用，武钢提供20万吨这种“抗氢”管线钢，全部采用X80钢级（钢的强度级别最高级）。“中俄东线”天然气管道很长，每年输送380亿立方米的天然气，不加足够压力无法完成运输，压力过大又会破坏管线，这就要求管线钢的质量特别好，除了抗腐蚀外，还必须有足够的韧性和强度，来确保天然气在高压下安全输送。这批“抗氢”管线钢在“中俄东线”使用多年运行良好。

另外，黄峰教授团队研发的“抗氢”管线钢还应用在建设中的“中国石化新疆煤制气外输管道工程‌”，该项目干线起自‌新疆昌吉州木垒哈萨克自治县‌，终于‌广东韶关‌，全长‌4159公里‌，总投资‌约1300多亿元‌人民币，年设计输气量300亿立方米‌。我们供钢占工程总需求量的60%，同样是看中我们“抗氢”管线钢的优异性能，既耐腐蚀又有高强度和高韧性。

（长江日报记者杨佳峰 通讯员程毓）

【罗田甜】