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发布时间：2023-05-16
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关键导读：输氢管道 天然气管道掺氢 氢脆现象
日前，中石化400多公里“西氢东送”输氢管道示范工程被纳入国家规划，中石油天然气管道掺氢输送技术也取得新突破。这些进展均对我国解决氢能供需异地矛盾、推动氢能产业规模化发展具有重要意义。与此同时，输氢管道的运行安全问题也成为大家普遍关注的焦点。
据记者了解，与天然气不同，氢由于特殊的性质，可能进入到金属内部与金属基体发生交互作用，引起管道材料韧性下降进而发生脆断或开裂，即所谓的“氢脆”现象，成为影响输氢管道安全运行的最大风险之一。在多位业内人士看来，氢脆问题的研究和预防是我国未来大规模推进管道输氢技术的前提条件，必须引起高度重视。
氢脆发生机理尚不明确
“氢脆问题的研究已经有很多年了，但一直没有研究清楚。”中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院副教授刘翠伟告诉记者，“我们说的氢脆一般都是针对金属管道，氢要进入金属管道，首先得由氢分子解离成氢原子。氢分子具体怎么解离成氢原子，氢原子怎么进入管材，进入管材之后怎么在管材内部进行扩散，这个过程目前无法进行有效观测。”
据了解，目前国内外对于氢脆问题的研究，都是通过宏观的实验现象去解释其中的原理，因此，研究人员提出不同的解释理论或观点。
“目前对于氢脆机理的研究仍存在一定的片面性和浅层性，并没有一套完整的理论能够解释所有的氢脆现象，从而从根本上规避氢脆现象的发生。”中国石油大学（华东） 新能源学院副教授齐建涛等撰文指出。
机理不清，但氢对管材的脆裂作用却真实存在。
“管道材料表面在局部应力条件下会产生局部变形，表面就会有局部活化，氢分子在活化的表面可以解离成氢原子进入到材料内部，进而导致材料的变形或破坏。”中国科学院金属研究所专家王俭秋对记者表示，“这也和管材有关。有观点认为在一般的输氢碳钢管道中没有氢脆，因为氢很快就能扩散出去，但我们的研究发现，在实验室模拟应力腐蚀条件下，即使在碳钢里，也同样发现材料内部有脆性开裂现象。”
刘翠伟也对此表达了类似看法：“我们在实验室4MPa管道压力下，掺氢比由10%提高到100%，都观察到了氢气的解离、渗透、吸附、扩散现象。要产生氢脆，氢的解离必须发生，先解离成氢原子，再吸收进内表面，在内部扩散，最后发生氢脆。”
优化工艺可延缓氢脆的发生
虽然目前尚不能从根本上规避氢脆的发生，但可根据大量实验研究总结出关于氢脆现象的影响因素，以尽量减轻氢脆所带来的危害。
据介绍，输氢管道所处的状态不同，发生氢脆的风险也不同。一般情况下，发生氢脆的风险与输送压力、掺氢比例、选用的管材强度以及管道运行时间等因素有关。
“输送压力越高风险越高，掺氢比越高风险也越高。”王俭秋指出，“通过工艺的改变，可延缓氢脆的发生。一是从选材角度，可以选择耐氢脆的管道；比如，相对低压的城市管网，都是低强的材料，对氢没那么敏感，风险相对小。另外，已经服役多年的管道肯定比新建管道风险大。应该针对已服役管道进行安全性、相容性评价，不能闭着眼睛干。起初可能风险很小，但在运行过程中我们应该知道风险在哪，并且可预测。”
刘翠伟表示：“针对已经运行的天然气管道掺氢，可以先对管线进行完整性管理或适应性评估，之后，通过降低运行压力或者掺氢比例来减少氢脆发生的风险。”
相较于在役天然气管道掺氢输送，新建管道从设计阶段就可以将氢脆的影响因素考虑进去，相对来说可控性更强。
“目前的新建输氢管道在设计阶段会考虑氢气对管材的影响，这也是为什么纯氢管道成本比较高。在计算管径、壁厚时，为了规避氢脆影响，会有材料系数的考虑，把壁厚设计得更大一些，这样就留出足够安全裕量。”刘翠伟表示。
相关研究和实践不足
在碳达峰碳中和目标下，绿氢作为一种绿色低碳能源，是许多企业重点布局的领域。与此同时，氢能的发展，可以很好地解决我国中西部地区的弃风弃光问题。在多位业内人士看来，今后氢能的大规模发展是必然的，但目前我国氢能领域的研究，尤其是输氢管道标准、安全等方面的研究亟需加强。
中国工程院院士郑津洋表示，氢能管道运输未来主要存在几个方面的难关，首要的就是关键技术，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。
据了解，目前，国内企业正在做抗氢钢的研发工作，进行高钢级、大管径、高压力的抗氢钢研发，以适用于后期新建输氢管道。中国石化此前也透露，攻关团队正在开展氢能管输技术的系统性研发，通过对管材进行系统试验与应用研究，掌握氢环境下不同钢级管材及焊接接头性能的综合评估与应用技术。
刘翠伟指出：“国外针对这方面的研究，在工程应用上已经比较多，有掺氢的管线，有天然气管道改输氢气，也有油管线改输氢气，都有比较成熟的实践。我国目前相关的研究和实践还不足，与国外存在差距。”
“目前，我国针对西氢东送这种长输管道，已经制定了重点研发项目计划，研究氢气和管材的相容性。不过，普遍没有考虑在役天然气管道的老化问题。如果要用好西部能源，把现有天然气管道利用起来肯定是趋势。我国西气东输管道已有年头，在已经老化的管道里输氢，相关的风险研究是缺失的，需要先把这些问题研究清楚。”王俭秋指出。
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