随着全球能源需求量不断增长[1]，气候问题日趋严峻，清洁低碳能源的发展在世界范围内受到广泛重视[2-12]。国家发展和改革委员会制订的《能源技术革命创新行动计划》[6]明确指出要大力发展氢气的储运、利用技术。在现有氢能储运技术中，利用已有天然气管网以掺氢天然气的形式输送氢气最具经济性[13]。美国、日本等32个国家已经开展了192个掺氢天然气项目[14]。为解决掺氢天然气管道输送的瓶颈问题，中国正在积极开展中低压、高压纯氢与掺氢天然气管道及其应用安全技术研究，力图加快氢能管道发展，助力实现“双碳”目标。

在氢气管道输送关键技术中，管材评价是研究基础，是开展天然气管道掺氢输送相容性评价的关键。管线钢在临氢环境中可能发生性能劣化甚至失效，此为利用钢制管道输送氢气的一个重大限制因素。管道中的氢气分子与钢材表面碰撞并吸附于钢材表面，随后以原子形式渗入钢材，使管线钢发生氢脆、氢致开裂、氢鼓泡等氢损伤现象[15]。通常，氢脆将导致材料韧性、塑性、疲劳强度显著下降，并使材料的断裂行为从韧性断裂转变为脆性断裂[16]，加剧管道失效的突发性。在材料内部扩散的氢原子可能被氢陷阱捕获，造成氢原子局部富集，在应力作用下使裂纹形核、扩展并最终导致氢致开裂[17]。此外，被氢陷阱捕获的氢原子可能复合形成氢分子，氢分子在缺陷处不断聚集，产生局部超压，使材料产生氢鼓泡并最终失效[18]。

管线钢的氢脆可能引发重大安全事故[19]，国内外学者已针对金属管道中的氢脆现象开展了大量研究[20-22]。目前被广泛接受的理论包括氢致弱键（Hydrogen Enhanced Decohesion，HEDE）理论和氢致局部塑性（Hydrogen Enhanced Local Plasticity， HELP）理论等。HEDE理论以铁、氢原子间的电子转移导致原子键合力下降解释氢脆现象。Troiano[23]指出，金属材料中的氢原子可导致材料晶格强度和断裂能降低。Oriani[24]指出，聚集在裂纹尖端的氢原子降低了裂尖的原子键合力，使裂纹在较低的应力条件下即可发生扩展。但截至目前，尚无直接实验结果能够证明HEDE理论。HELP理论认为：在裂纹尖端处聚集的氢原子促进了位错运动，提升了位错迁移率，增强了裂纹尖端处的局部塑性并导致局部变形[25]。该理论是目前唯一得到实验结果证明的理论[26-28]。然而，各理论均存在无法解释甚至互相矛盾之处[29-34]，仍需进一步开展有关氢脆机理的研究。

除氢脆机理外，国内外学者对管线钢的氢脆行为，尤其是其中的力学行为开展了广泛的实验研究。Nanninga等[35]、Moro等[36]在纯氢环境下分别开展了X100、X80钢的慢应变速率拉伸实验，结果表明，氢压越大，材料的断面收缩率与断后伸长率越低，且断裂行为由韧性断裂转为脆性断裂，然而氢环境对材料的屈服强度与抗拉强度影响不大。目前的研究大多在纯氢环境甚至液相充氢环境下进行[37-38]，难以真实反映掺氢天然气管道中氢气与天然气并存的工况。在掺氢天然气工况下，总压与氢分压均有可能影响材料的氢脆敏感性。通常，总压越高，在材料表面分解的氢原子越有可能渗入材料内部，促使材料发生氢脆[39]。另一方面，由于国内外管线钢的冶炼、制造水平不同，国外开展的氢脆研究难以真实反映国内管线钢的氢脆行为[40-41]。因此，必须开展国产管线钢在掺氢天然气工况下的原位力学性能研究。

目前，中国城镇天然气管道大多采用X52、X42、20#等低强钢，而天然气长输干线多采用X70、X80等高强管线钢。在此，开展X52、X80两种管线钢在掺氢天然气工况下的原位力学性能研究和断口形貌分析，讨论氢分压对其力学性能参数的影响，以期为保障掺氢天然气钢制管道的安全运行提供 参考。