技术丨输氢管道存在的技术难点和突破机遇

技术丨输氢管道存在的技术难点和突破机遇近日，中石化主导的“西氢东送”输氢管道示范工程被纳入《石油天然气“全国一张网”建设实施方案》，我国首个纯氢长输管道项目即将启动。氢气管道是解决氢气储运的重要方式之一，中石化输氢管道的规划建设将推动该领域快速进步，但仍然面临着技术经验不足、标准不完善等多方面的挑战。能景研究经整理研究，从技术上来看，目前管道输氢的主要面临几个重要问题仍需重点攻克，包括材料问题，密封问题，检测维护等。01

氢气的自身特点为管道运输带来挑战氢气易散逸。氢是世界上最轻的元素，分子直径小，密度小，容易在管道中和阀件间发生泄漏。并且氢气无色无味，泄露后难以发觉，在受限空间内泄漏后，易发生积聚形成爆炸混合物。氢气燃烧范围宽。氢气是点火能量低，燃烧浓度范围为4%-75%，爆炸浓度范围是18.3%~59.0%。氢气管道建设的周围环境必须保持空旷。管道环境中，氢气存在高压射流下自燃的问题，可能引起管道回火爆炸。而且当氢气爆炸范围内遇到障碍物时，会产生极高威力的爆炸波。氢气易造成材料“氢脆”。金属材料在高压氢环境中服役时，氢分子能够分解成氢原子渗透入金属材料内部，造成材料的性能劣化（即“氢脆”）。氢脆表现为“H2吸附到金属表面→分解成H原子→渗透进金属内部→在金属内部扩散→聚集→引发氢致裂纹等”。当管道中存在足够的氢含量、对氢敏感的金相组织、应力集中这3个条件时，易导致管道氢脆开裂。02

材料要求更高氢脆对钢材的微观组织结构和化学成分十分敏感。钢材中大量的位错、晶界等位置容易导致H原子聚集；夹杂物周围存在大量不规则空隙，也极易聚集H原子，诱发氢脆开裂。此外，钢材中的C、S等掺杂元素也容易聚集H原子，其含量的控制是关键问题。钢材的强度与抗氢脆性能难以兼具。通常来讲，钢材强度越高，氢脆敏感性越高。现有输氢管道多采用X42、X52等级别，强度较低的管线钢材。更高强度的X70、X80、X90等常常掺入S、P、Al、Mn等极易造成偏析与夹杂的元素，导致氢脆敏感性增强，现阶段无法应用于输氢管道。美国ASMEB31.12标准便将输氢管道钢级限制在X52以下，使用更高钢级必须展开室温氢环境下材料应力强度因子门槛值Ｋth的测试试验。对材料的测试与评价方法要求更高。以X80钢为例，X80钢内掺杂物较少，是十分有潜力的输氢管道备选钢材。但是研究发现，不同处理方法下某些X80钢耐氢脆性能优异，有些却在氢气环境下迅速速开裂失效（与微观组织结构不同有关）。这就意味着在管道输氢领域，相比于材料的型号，科学、合理的测试评价对于输氢管材的选择更加重要。管材研究是现在输氢管道发展的关键领域之一，目前仍在初步阶段，有着极大的发展空间。能景研究根据资料总结，管材研究的重点有下面8个方面：1.适当的硬度和强度，足够的断裂韧性；2.严格控制管材组织结构，减少夹杂物、偏析等的出现；3.合理控制各掺杂元素含量；4.降低残余应力；5.避免或减少材料冷塑性变形；6.使用奥氏体不锈钢、铝合金等氢脆敏感性低的材料；7.使用聚乙烯等非金属材料；8.使用陶瓷、环氧树脂等管道内涂层。03

密封要求更高输氢管道连接部位多，潜在泄露位置多。输氢管道连接有管道之间的连接以及管道与附件的连接，阀门等的内部结构处也有大量连接点，加上氢气本身的易渗透易泄露性质，给输氢管道的密封提出了更高要求。此外，附件位置的潜在泄露点更多，仅管线阀门处就比静态储氢罐相应位置多10项左右。密封方式与密封材料要求更高。《氢气站设计规范》等标准输氢管道之间连接必须使用焊接，连接管道与附件之间的连接可以使用法兰或锥管螺纹连接，但螺纹连接时必须使用密封性能更高的聚四氟乙烯等填料。在这一环节，更可靠的连接方式，更高性能的密封材料，密封性更好的管线阀门等是研究的重点。04

监测遇到挑战现在主流的管道无损检测技术器件也会受到氢脆等的威胁。以内检测器件漏磁检测器为例，T.D.Williamson公司发现，向甲烷中仅注入10%氢气时，漏磁检测器的使用就会产生风险；仅仅500ppm的氢就会对磁铁以及高强度钢材造成永久性损伤。目前对于其他内检测器在掺氢天然气管道中的应用及风险也还缺乏研究。专门应用于输氢管道的检测策略及器件值得研究。05

气体杂质含量要求更严格水蒸气、硫化氢等杂质气体都会增强管道对于氢脆的敏感性。电解水制得的绿氢中含有较多的水蒸气；天然气掺氢管道中，天然气本身会带有硫化氢、二氧化碳等气体。加之输氢管道途径地域广，内部环境复杂多变，使得管道对于这些杂质气体更加敏感。水蒸气的不利影响最为突出，作用机理最为复杂，是首要关注的杂质成分。输氢管道跨地域广，途经气候情况复杂，在某些气温较低的线段极有可能致使水蒸气凝结为水膜，促进氢气溶解吸附，导致氢脆加剧。美国ASMEB31.12—2019标准与CGAG-5.6标准都要求管道输送介质含水量低于20ppm（标准大气压下水露点-55℃）。此外，其他气体的影响也不可忽视，各气体的影响及机理统计如下。低成本、高可靠性的气体干燥、纯化工艺以及装置研发将是输氢管道发展的重点之一。另外，虽然O2等不适合与氢气一起传输，但是其他抑制氢脆的气体添加剂的也是值得关注的一个方向。06

管道建设及维护更加细致管道的裂纹含量与大小、内部清洁度、应力情况、变形情况等都关系到氢致开裂的风险大小，相较于静态储氢、天然气管道等更加敏感。尤其是在天然气管道改造成掺氢管道的情况下，旧管道可能存在大量微小裂纹，容易引发管道氢脆开裂。能景研究整理了管道方面存在的潜在不利因素，见下表。输氢管道的建设及维护过程中都需要充分考虑氢脆等的影响。这要求在管道状况监测、内部清理、应力释放、焊接、防潮防腐蚀等领域开发新的技术与方案。07

小结国内氢气管道规模化建设刚刚起步，相较于已经比较成熟的储氢罐、天然气输送管道等，在防氢脆、材料、密封、监测、气体杂质含量、维护等方面提出了更高的要求，同时也在材料研究、气体纯化、管道维护等方面诞生了更多的需求与机遇。另外，输氢管道的输氢压力、压缩机改进、数据库建立、标准完善等方面也都还需要更多的工作，由于这些问题的核心大多与前面讲过的材料研究、管理维护等有关，本文不再一一赘述。参考文献[1]钟桂香,郗祥远.输氢管道工程设计要点[J].焊管,2023,46(03):59-64.[2]韩秀林,孙宏,李建一,宗秋丽.输氢管道钢管研究进展[J].钢管,2023,52(01):1-7.[3]周立国,张苏,石磊,王晓霖,王雨新,杨静.长输氢气管道失效分析与定量风险评价[J/OL]