浙大郑津洋院士丨氢能管道输送技术发展现状和挑战

报告全文如下：

各位同行下午好，很高兴有这个机会参加氢能产业大会。

刚刚听了郭院士和程院士两位非常精彩的报告，下面我跟大家汇报一下氢能管道输送技术发展现状和挑战。

我将从研究背景、发展现状、面临挑战三个方面进行汇报。

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。在整个氢能产业链中，安全、高效输送是产业链的重要组成部分。氢能输送有很多方法，像长管拖车、液氢槽车、氢能管道等。综合比较这些方法，我们发现管道输送具有运输体量大、距离远、能耗损失低等优点，有望实现氢能经济、规模的长距离输送。氢能管道广泛应用于加氢站、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，种类多，管径、压力范围大，量大面广。

我们可以把氢能管道分成为工业管道、长输管道、公用管道和专用管道。管径有的小，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，高的可以达到103兆帕。

氢能管道发展面临两个问题，一个问题是，在役天然气管网能不能够用来输送氢气？因为现在全国已经有大量的在用管道，像我国长输管道的总长已经超过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，新建的氢气管道应该满足哪些技术条件？需要从材料、设计制造、运行维护等方面提出针对性的要求。

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、化工等行业数百家企业内和企业间的输氢管线。对于专用管道，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。我国已建加氢站200多座，在建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。现在主要是国电投在朝阳市开展了掺氢方面的一些工作。

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容性。因为材料与氢气长期接触，氢会侵入到材料内部，导致金属材料出现塑性损减、裂纹扩展速度加快和断裂韧性下降。大家看这个图，这是两根试样的断口，这个材料是大家都非常熟悉的奥氏体不锈钢S30408，在87.5兆帕的氩气里面，这个杯锥状断口是典型的韧性断裂；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，疲劳寿命缩短，疲劳裂纹扩展速率加快，导致材料氢脆。

对于氢脆研究，国内外都非常重视。在试验研究的时候，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，利用真实的掺氢天然气开展相关的研究。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，对它的屈服强度、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、氧气等。有的组份会加剧材料的劣化，有的会延迟或者阻碍材料的劣化，这就需要去研究不同的组份对性能劣化的影响。

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，会促进20号钢氢脆，使其疲劳裂纹扩展速率比在氢气当中的还要快。因此，对于掺氢天然气，现在都是通过一个一个案例来研究，还没有找到一种普适性的可推广、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，我们怎么样来获得对材料性能影响最大的工况。

同样，氢气还会对非金属的性能产生影响，主要是氢损伤和氢渗漏，因为氢分子很小，有可能通过非金属渗漏。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、加氢机、阀门等等，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，这就需要加强研究掺氢之后或者在氢气环境当中它的泄漏、扩散、爆炸特点。在规范标准方面，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师学会颁布的ASME B31.12标准，这个标准涉及到设计、施工、操作、维护等。

结合这个标准，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式，这个公式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。这个公式里面红色符号指示的系数Hf，这是天然气管道计算公式里面没有的，这个系数是用来反映氢对金属材料的劣化程度。这个表里面可以看到，这个系数是小于等于1的，X42、X52钢在13.79压力以下这种影响很小，这个系数等于1，对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。

我国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《氢气储存输送系统》的第1部分、第2部分、第3部分，以及今年刚刚修订的GB50516加氢站的标准里面也对管道作了一些规定。

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，这个氢是怎么样侵入到材料里面的，特别是多组份的时候，这些组份之间是如何作相互用的。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，现在氢环境当中材料性能数据奇缺。

在氢环境当中，材料的性能除了跟材料本身的化学成分、力学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。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产生影响；制造里面，热处理的工艺、焊接的工艺、成型的方法，也要对它产生影响。

因此，在氢的影响之下，我们很难去说某一种材料它是不是绝对适用于某一个环境，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，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，包括低成本高强度抗氢脆材料、高性能氢能管道设计制造技术、氢能管道系统运行和控制技术以及氢能管道系统应急和维护技术。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，包括临氢材料怎么样来筛选，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，需要各位同仁一起来努力。一起推进相关技术进步。

我的汇报就到这里，谢谢！