常用氢气管道材料

管道输氢运输成本低、能耗小，可实现氢能连续性、规模化、长距离输送，是未来氢能大规模利用的必然发展趋势。氢气管道输送距今已有80余年历史，早在1938年，德国建造了世界上第一条氢气管道，全长约215km，外径在150~300mm之间，输送压力为2.5MPa。

欧洲纯氢管道主要采用X42、X52等低强度管线钢，管道外径在300~1000mm之间，输送压力较低。在美国，纯氢管道运行里程已超过2500km，主要采用低强度管线钢，其中包括ASTM106、API5LB级钢以及API5LX42、X52钢。国内在氢气管道建设方面相较于国外还处于初步发展阶段，目前实际投入运行的纯氢管道包括金陵-扬子氢气管道、巴陵-长岭氢气管道、济源-洛阳氢气管道等，均采用低强度管线钢制造，设计压力控制在4MPa以内，主要管道材料以20钢和L245为主。ASMEB31.12中将可用于氢气长输管道的材料分为两大类，分别是ASTM系列和API系列，详见表1。

此外，该标准还指出氢脆现象对材料的强度十分敏感，强度越高、氢脆越严重，所以在选择材料时，不仅要对材料的屈服强度最低值提出要求，还要对材料的屈服强度上限值加以要求。ASMEB31.12结合欧美地区已建氢气长输管道20多年的安全运营情况，推荐选用ASTMA106GradeB、ASTMA53GradeB、API5LX42和API5LX52等钢级。

表1　氢气长输管道材料分类汇总

对于输氢管道而言，由于管材与氢气长期接触，氢会侵入到管材内部，导致管材性能出现损减、断裂韧性下降。管线钢氢脆敏感性与微观组织、合金成分、强度等因素密不可分，同时还受温度、应力载荷、氢分压、气体成分等外部环境影响，且相互存在耦合作用。

绿氢管道具有氢气纯度高、距离长、外部环境变化复杂、输送压力升高等特点，导致管材脆性断裂或疲劳失效风险提升。程玉峰提出管道氢致开裂的发生过程主要包括6个步骤，分别是氢原子产生、氢原子吸附在管线钢表面、氢原子被吸收进入管线钢内、氢原子在钢中晶格点阵中扩散、氢原子的局部聚集以及氢致裂纹的引发。如图1所示，在高压临氢环境中，氢分子易吸附于管线钢表面，并在特定位点发生解离生成氢原子，渗透侵入金属材料内部。氢原子尺寸小，能够在晶格点阵中自由扩散，这也是导致金属 （包括管线钢） 发生脆化的直接原因。

管线钢与其他金属相同，含有各种类型的缺陷，如位错、晶界、相界、夹杂物、二次相颗粒等，这些缺陷可作为“氢陷阱”捕获氢原子，当氢陷阱处集聚的氢原子浓度达到临界值时，将会引发氢致裂纹，严重威胁管道运行安全。绿氢长输管道跨区域多，服役性能易受环境温度、杂散电流等影响，特别是氢吸附位点、吸附能、解离能及氢侵入速率、侵入量、迁移能等受环境影响机制复杂。为提高运输效率同时降低成本，未来绿氢管道设计压力将进一步提高，从而对输氢管道的强度和抗氢脆性能提出更高要求。

管线钢氢脆程度普遍随强度增加而升高，而材料组织和制造工艺 （焊接等） 与氢脆敏感性密切相关，如焊接过程中产生热效应和应力集中会影响焊接接头处的微观组织和力学性能，而由于冷速不均匀，可能产生马氏体组织，带来的偏析、带状组织和高硬度均有利于氢脆发生。Lee等的研究表明，若热影响区存在M/A 组元、带状铁素体/珠光体、上贝氏体和粗大魏氏体等大量氢敏感组织，加之残余应力等多重因素耦合影响，焊接接头可能成为氢致开裂的薄弱环节。因此，绿氢管道若长时间受到腐蚀、冲刷、老化、氢脆等影响或管道本身存在裂纹、加工不良、选材不当等自身缺陷时，易在薄弱环节发生破裂失效。

此外，长距离输氢管道可能存在于穿越隧道等特殊场景中，经调研发现，隧道内外温差可能导致管道发生变形，若叠加焊接残余应力、氢脆等不利因素，将增大管道的失效风险。因此，输氢管道应选用抗氢脆性能良好的管道材料及相应的焊接材料及工艺，提高管道本体性能，同时还要根据具体服役环境制定合理的设计方案，减少变形及应力集中现象。除此之外，还要关注管路中相关设备对氢气的适应性，包括压缩机、阀门及密封接头等。

图1　氢气在铁表面解离吸附影响因素图

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