中国工程院院士郑津洋：氢能管道输送技术发展现状和挑战
一、研究背景
我们知道，氢能是能源转型升级的重要方向，也是实现碳中和目标的重要途径。在整个氢的产业链当中，安全、高效的输送是产业链的重要组成部分。氢的输送有很多技术，像长罐拖车、液氢槽车、管道，这些方法进行综合比较，我们发现管道的输送它具有运输体量大、距离远、能耗损失低这样的特点，有望实现氢能经济规模的长距离输送。
要实现输送，就需要用到管道。这个管道它广泛应用于加氢站、燃料电池汽车、工业厂区等场景，还有一类就是利用新建或在役的天然气管网实现掺氢输送，把氢掺到天然气里边再进行输送。这些管道也有它的特点，一个是种类多。我们可以把管道分成为工业管道、长输管道、公用管道和专用管道。
管径的直径有的小，有的大，小的只有几毫米，大的可以做到1.4米；压力范围也很大，低的到0.1兆帕，大的103兆帕；使用量差距也非常大。这样一个需求就产生了两个问题，一个问题用在役的天然气管网能不能够用来输送氢气？因为我们现在全国已经有大量的在用管道，像长输管道我们国家的量已经超过4200公里，量很大，如果能够用现有的管道进行输送，我们可以节省大量的投资，提高基础设施的利用率。另外一个问题，如果用新建的氢气管道，新建的氢气管道它应该满足哪些技术条件？从材料的角度、设计制造、运行维护这些方面应该怎样来提出针对性的要求？
二、发展现状
我们首先来看一下管道的建设现状。据统计，全球范围内氢气输送管道已经超过4600公里，这些管道主要是由氢气的生产商来运行。管道最多的国家是美国，它的总里程已经达到2700多公里，最高运行压力到10.3兆帕，主要是位于墨西哥湾沿岸，有1000公里左右的管线。在掺氢天然气管道方面，国外也开展了持续的研究，最早可以追溯到荷兰，从2001年就开始开展相关的研究，欧盟德国、法国、英国这些国家都开展了相关的研究。
从我们国内来看，我们在工业管道、专用管道方面现在积累了比较丰富的经验，工业管道主要应用在冶金、电子、建材、电力、化工等行业，现在有几百家企业企业内部用的管道已经企业之间氢气输送用的管道。对于专用的管道，这些年发展最快的是跟氢燃料电池汽车关联的，像氢燃料电池汽车我们现在运行的已经有8000多辆，每一辆车上都有供氢的管道。加氢站现在已建的200多座，在建的70多座，需要大量的专用管道。在掺氢天然气管道方面，我们起步要迟一些。现在主要在用的国电投在潮阳市开展了产氢方面的一些工作。
我们看一下技术的进展。
首先，管材与氢以及掺氢天然气的相融性。因为材料与氢气长期接触，氢会侵入到材料内部，导致金属材料出现损减、裂纹扩张速度加快和断裂韧性的下降。大家看这个图，这是两根试验的断口，这个材料是大家都非常熟悉的R4D不锈钢S30408，在87.5兆帕的氧气里面，这个断口杯锥状的是典型的韧性断裂；左边这个是同样的材料，在87.5兆帕的氢气当中，就发生了脆性断裂。对于疲劳寿命，由于氢气的存在，它的速度会加快，疲劳寿命缩短，扩张速裂加快，导致材料的氢脆。
对于氢脆的研究，国内外非常值得重视。作为试验研究的时候，我们希望能够获得材料在真实气体环境当中的性能。我们前面谈到，有纯氢，也有掺氢的天然气，因此在研究条件的创造上，也采取了不同的技术路线。
对于纯氢，我们就利用纯氢的环境开展试验，对于掺氢的天然气，它有的利用氮气来代替天然气，用氮气里面掺氢来代替天然气掺氢。还有一种，我利用真实的天然气掺氢开展相关的研究。研究发现，在天然气管网运行的工况下面，掺氢对我们现在常用的材料X70、X80、X52，对它的抗拉强度影响是不大的，但是会导致材料的韧性断裂性能和疲劳性能下降。
这个性能的下降会导致材料对缺陷的敏感性加大。如果有同样的缺陷，在同样的工况下面，就有可能导致管道使用寿命下降。对于掺氢的天然气，我们研究发现，因为掺氢天然气是一种混合物，除了甲烷、氢气以外，还有水分、二氧化碳、氧气，多组份的情况下，它会产生什么？有的组份会加剧材料的裂缝，有的会延迟或者阻碍材料的裂缝，这就需要去研究不同的组份对性能裂化的影响。
这里举一个例子，像天然气中的二氧化碳，如果和氢气一起发生协同作用，来促进像碳素钢、二碳化钢这样的材料，其疲劳裂纹扩张速率比在氢气当中的还要加快。因此，对于掺氢天然气，现在世界上面临的问题是什么？现在都在通过一个一个案例来研究，但是还没有找到一种普世性的可推广、可复制的技术，它的难点就在这里，因为它是一种混合物，我们需要去研究各种组份的情况下面对它影响最大的条件是什么，我们怎么样来获得对材料性能影响最大的工况。
同样，氢气还会对废金属的性能产生影响，主要是轻损伤和氢的渗漏，因为氢分子很小，有可能通过废金属来渗漏。除了材料之外，我们还要关注设备对氢气或者掺氢天然气的适应性。管路里边的设备又涉及到压缩机、加气机、阀门、密封接头等等，这些设备对氢气或者掺氢天然气的适应性如何，也是需要加强研究的方向。
第三个是管道运行安全保障。由于氢气分子小，容易泄漏，而漏出来以后又跑得快，这就需要研究掺了氢以后或者在氢气环境当中它的泄漏、扩散、爆炸的特点，就要加强这方面的研究。在加强规范标准方面，像美国机械工程师学会 、欧洲压缩气体协会、欧洲工业气体协会已经发布了氢气管道相关的标准。
在国际上现在影响比较大的是美国机械工程市学会颁布的B31.12标准，这个标准涉及到设计、施工、操作、维护等。
这个标准里面我举一个例子，说明氢气管道跟天然气管道之间的差异。这里给出了一个计算公示，这个公示是用来计算某一厚度、直径材质的管道能够承受的压力的大小。这个公示里面一个红的“*”号“HF”，这是跟天然气管道里面计算公示里面没有的，这个系数是用来反映氢的进入材料的裂况。这个表里面可以看到，这个系数是小于等于1的，等于1的话只有两个情况，一个是对于X42、X52钢在13.79压力以下这种影响很小，在其他的材料或者其他的压力等级下面这个系数都是小于1的。这说明什么？同样的管道，如果输送氢气的话，它输送的压力要比输送天然气的压力要小。
我们国内到目前为止还没有完整的氢能管道输送的标准，只是在一些相关的标准里给出要求，像氢气输送系统的第一部分、第二部分、第三部分以及今年刚刚修订的5051650156加氢站的标准里面也对管道作了一些规范。
三、面临挑战
要实现氢气或者掺氢天然气管道的安全可靠运输，未来面临着不小的挑战。首先，在机制研究上，这个氢是怎么样倾注到材料里面的，特别是多组份的时候，这些组份之间相互是如何作用的。材料的宏观性能和微观结构之间又是什么样的关系，表面到内部、微观到宏观都要加强相关的研究。另外，现在的零氢环境当中材料的性能数据奇缺。
在氢环境当中，材料的性能除了跟材料本身的化学成分、绿色性能和微观组织相关以外，还跟3个因素有关：第一是环境，第二是应力，第三是制造。热环境里面，像氢气的分压、氢气的纯度、环境的温度对材料性能要发生影响；制造里面，热处理的工艺、焊接的工艺、成型的方法，也要对它影响。
因此，氢在自然界的条件下面，我们很难去说某一种材料它是不是绝对适应用某一个环境，因为它要把4个因素综合起来，来规定出它的使用条件。正因为这样，要继续加强基础数据的研究。这个基础数据里面除了材料以外，还有零部件，系统需要从材料、零部件、系统三个层面开展相关的工作。最近修订好的美国的管道标准，它的前言里面也提到，随着对氢脆的进一步认识以及数据的积累，将对标准中的有关数据进行完善和修改，说明这是一个全球性的问题。
在关键技术上面，也需要进行攻克，包括低成本、高强度的抗氢脆材料、高性能的氢能管道的设计制造技术、氢能管道的运行和控制技术以及应急和维护的技术。
在相关装备国产化方面，我们也面临着不小的挑战，像高性能、低成本的输氢的管道，用什么样的管道输氢更加经济。如果要实现管道输送，它的一个重要特征是流量大，那就需要大流量的压缩机，还包括氢气计量的设备阀门、仪表等等。
再一个挑战是标准。我们需要加快来制定纯氢管道以及掺氢管道的标准，包括零氢材料，我的材料怎么样来筛选，能够给出一个材料选用的指导性文件，氢能管道的设计、建造、运行、维护，管道里面涉及到密封、管道风险评估、定期检验等等。因此，要实现稳定可靠的氢能或者掺氢天然气的管道的输送，我们还面临着诸多的挑战，需要各位人同仁我们一起来努力。一起推进相关技术进步。
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