技術(shù)丨輸氫管道存在的技術(shù)難點(diǎn)和突破機(jī)遇

技術(shù)丨輸氫管道存在的技術(shù)難點(diǎn)和突破機(jī)遇近日，中石化主導(dǎo)的“西氫東送”輸氫管道示范工程被納入《石油天然氣“全國(guó)一張網(wǎng)”建設(shè)實(shí)施方案》，我國(guó)首個(gè)純氫長(zhǎng)輸管道項(xiàng)目即將啟動(dòng)。氫氣管道是解決氫氣儲(chǔ)運(yùn)的重要方式之一，中石化輸氫管道的規(guī)劃建設(shè)將推動(dòng)該領(lǐng)域快速進(jìn)步，但仍然面臨著技術(shù)經(jīng)驗(yàn)不足、標(biāo)準(zhǔn)不完善等多方面的挑戰(zhàn)。能景研究經(jīng)整理研究，從技術(shù)上來(lái)看，目前管道輸氫的主要面臨幾個(gè)重要問(wèn)題仍需重點(diǎn)攻克，包括材料問(wèn)題，密封問(wèn)題，檢測(cè)維護(hù)等。01

氫氣的自身特點(diǎn)為管道運(yùn)輸帶來(lái)挑戰(zhàn)氫氣易散逸。氫是世界上最輕的元素，分子直徑小，密度小，容易在管道中和閥件間發(fā)生泄漏。并且氫氣無(wú)色無(wú)味，泄露后難以發(fā)覺(jué)，在受限空間內(nèi)泄漏后，易發(fā)生積聚形成爆炸混合物。氫氣燃燒范圍寬。氫氣是點(diǎn)火能量低，燃燒濃度范圍為4%-75%，爆炸濃度范圍是18.3%~59.0%。氫氣管道建設(shè)的周圍環(huán)境必須保持空曠。管道環(huán)境中，氫氣存在高壓射流下自燃的問(wèn)題，可能引起管道回火爆炸。而且當(dāng)氫氣爆炸范圍內(nèi)遇到障礙物時(shí)，會(huì)產(chǎn)生極高威力的爆炸波。氫氣易造成材料“氫脆”。金屬材料在高壓氫環(huán)境中服役時(shí)，氫分子能夠分解成氫原子滲透入金屬材料內(nèi)部，造成材料的性能劣化（即“氫脆”）。氫脆表現(xiàn)為“H2吸附到金屬表面→分解成H原子→滲透進(jìn)金屬內(nèi)部→在金屬內(nèi)部擴(kuò)散→聚集→引發(fā)氫致裂紋等”。當(dāng)管道中存在足夠的氫含量、對(duì)氫敏感的金相組織、應(yīng)力集中這3個(gè)條件時(shí)，易導(dǎo)致管道氫脆開(kāi)裂。02

材料要求更高氫脆對(duì)鋼材的微觀組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分十分敏感。鋼材中大量的位錯(cuò)、晶界等位置容易導(dǎo)致H原子聚集；夾雜物周圍存在大量不規(guī)則空隙，也極易聚集H原子，誘發(fā)氫脆開(kāi)裂。此外，鋼材中的C、S等摻雜元素也容易聚集H原子，其含量的控制是關(guān)鍵問(wèn)題。鋼材的強(qiáng)度與抗氫脆性能難以兼具。通常來(lái)講，鋼材強(qiáng)度越高，氫脆敏感性越高?，F(xiàn)有輸氫管道多采用X42、X52等級(jí)別，強(qiáng)度較低的管線鋼材。更高強(qiáng)度的X70、X80、X90等常常摻入S、P、Al、Mn等極易造成偏析與夾雜的元素，導(dǎo)致氫脆敏感性增強(qiáng)，現(xiàn)階段無(wú)法應(yīng)用于輸氫管道。美國(guó)ASMEB31.12標(biāo)準(zhǔn)便將輸氫管道鋼級(jí)限制在X52以下，使用更高鋼級(jí)必須展開(kāi)室溫氫環(huán)境下材料應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值Ｋth的測(cè)試試驗(yàn)。對(duì)材料的測(cè)試與評(píng)價(jià)方法要求更高。以X80鋼為例，X80鋼內(nèi)摻雜物較少，是十分有潛力的輸氫管道備選鋼材。但是研究發(fā)現(xiàn)，不同處理方法下某些X80鋼耐氫脆性能優(yōu)異，有些卻在氫氣環(huán)境下迅速速開(kāi)裂失效（與微觀組織結(jié)構(gòu)不同有關(guān)）。這就意味著在管道輸氫領(lǐng)域，相比于材料的型號(hào)，科學(xué)、合理的測(cè)試評(píng)價(jià)對(duì)于輸氫管材的選擇更加重要。管材研究是現(xiàn)在輸氫管道發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域之一，目前仍在初步階段，有著極大的發(fā)展空間。能景研究根據(jù)資料總結(jié)，管材研究的重點(diǎn)有下面8個(gè)方面：1.適當(dāng)?shù)挠捕群蛷?qiáng)度，足夠的斷裂韌性；2.嚴(yán)格控制管材組織結(jié)構(gòu)，減少夾雜物、偏析等的出現(xiàn)；3.合理控制各摻雜元素含量；4.降低殘余應(yīng)力；5.避免或減少材料冷塑性變形；6.使用奧氏體不銹鋼、鋁合金等氫脆敏感性低的材料；7.使用聚乙烯等非金屬材料；8.使用陶瓷、環(huán)氧樹(shù)脂等管道內(nèi)涂層。03

密封要求更高輸氫管道連接部位多，潛在泄露位置多。輸氫管道連接有管道之間的連接以及管道與附件的連接，閥門等的內(nèi)部結(jié)構(gòu)處也有大量連接點(diǎn)，加上氫氣本身的易滲透易泄露性質(zhì)，給輸氫管道的密封提出了更高要求。此外，附件位置的潛在泄露點(diǎn)更多，僅管線閥門處就比靜態(tài)儲(chǔ)氫罐相應(yīng)位置多10項(xiàng)左右。密封方式與密封材料要求更高。《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)輸氫管道之間連接必須使用焊接，連接管道與附件之間的連接可以使用法蘭或錐管螺紋連接，但螺紋連接時(shí)必須使用密封性能更高的聚四氟乙烯等填料。在這一環(huán)節(jié)，更可靠的連接方式，更高性能的密封材料，密封性更好的管線閥門等是研究的重點(diǎn)。04

監(jiān)測(cè)遇到挑戰(zhàn)現(xiàn)在主流的管道無(wú)損檢測(cè)技術(shù)器件也會(huì)受到氫脆等的威脅。以內(nèi)檢測(cè)器件漏磁檢測(cè)器為例，T.D.Williamson公司發(fā)現(xiàn)，向甲烷中僅注入10%氫氣時(shí)，漏磁檢測(cè)器的使用就會(huì)產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)；僅僅500ppm的氫就會(huì)對(duì)磁鐵以及高強(qiáng)度鋼材造成永久性損傷。目前對(duì)于其他內(nèi)檢測(cè)器在摻氫天然氣管道中的應(yīng)用及風(fēng)險(xiǎn)也還缺乏研究。專門應(yīng)用于輸氫管道的檢測(cè)策略及器件值得研究。05

氣體雜質(zhì)含量要求更嚴(yán)格水蒸氣、硫化氫等雜質(zhì)氣體都會(huì)增強(qiáng)管道對(duì)于氫脆的敏感性。電解水制得的綠氫中含有較多的水蒸氣；天然氣摻氫管道中，天然氣本身會(huì)帶有硫化氫、二氧化碳等氣體。加之輸氫管道途徑地域廣，內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜多變，使得管道對(duì)于這些雜質(zhì)氣體更加敏感。水蒸氣的不利影響最為突出，作用機(jī)理最為復(fù)雜，是首要關(guān)注的雜質(zhì)成分。輸氫管道跨地域廣，途經(jīng)氣候情況復(fù)雜，在某些氣溫較低的線段極有可能致使水蒸氣凝結(jié)為水膜，促進(jìn)氫氣溶解吸附，導(dǎo)致氫脆加劇。美國(guó)ASMEB31.12—2019標(biāo)準(zhǔn)與CGAG-5.6標(biāo)準(zhǔn)都要求管道輸送介質(zhì)含水量低于20ppm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水露點(diǎn)-55℃）。此外，其他氣體的影響也不可忽視，各氣體的影響及機(jī)理統(tǒng)計(jì)如下。低成本、高可靠性的氣體干燥、純化工藝以及裝置研發(fā)將是輸氫管道發(fā)展的重點(diǎn)之一。另外，雖然O2等不適合與氫氣一起傳輸，但是其他抑制氫脆的氣體添加劑的也是值得關(guān)注的一個(gè)方向。06

管道建設(shè)及維護(hù)更加細(xì)致管道的裂紋含量與大小、內(nèi)部清潔度、應(yīng)力情況、變形情況等都關(guān)系到氫致開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)大小，相較于靜態(tài)儲(chǔ)氫、天然氣管道等更加敏感。尤其是在天然氣管道改造成摻氫管道的情況下，舊管道可能存在大量微小裂紋，容易引發(fā)管道氫脆開(kāi)裂。能景研究整理了管道方面存在的潛在不利因素，見(jiàn)下表。輸氫管道的建設(shè)及維護(hù)過(guò)程中都需要充分考慮氫脆等的影響。這要求在管道狀況監(jiān)測(cè)、內(nèi)部清理、應(yīng)力釋放、焊接、防潮防腐蝕等領(lǐng)域開(kāi)發(fā)新的技術(shù)與方案。07

小結(jié)國(guó)內(nèi)氫氣管道規(guī)模化建設(shè)剛剛起步，相較于已經(jīng)比較成熟的儲(chǔ)氫罐、天然氣輸送管道等，在防氫脆、材料、密封、監(jiān)測(cè)、氣體雜質(zhì)含量、維護(hù)等方面提出了更高的要求，同時(shí)也在材料研究、氣體純化、管道維護(hù)等方面誕生了更多的需求與機(jī)遇。另外，輸氫管道的輸氫壓力、壓縮機(jī)改進(jìn)、數(shù)據(jù)庫(kù)建立、標(biāo)準(zhǔn)完善等方面也都還需要更多的工作，由于這些問(wèn)題的核心大多與前面講過(guò)的材料研究、管理維護(hù)等有關(guān)，本文不再一一贅述。參考文獻(xiàn)[1]鐘桂香,郗祥遠(yuǎn).輸氫管道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].焊管,2023,46(03):59-64.[2]韓秀林,孫宏,李建一,宗秋麗.輸氫管道鋼管研究進(jìn)展[J].鋼管,2023,52(01):1-7.[3]周立國(guó),張?zhí)K,石磊,王曉霖,王雨新,楊靜.長(zhǎng)輸氫氣管道失效分析與定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J/OL]