中石油钟桂香：输氢管道用管材选用技术探讨

2023年8月24日，第三届中国绿氢与应用发展论坛在内蒙古鄂尔多斯盛大召开，与会嘉宾共同探讨绿氢产业链发展问题及方向。

中国石油天然气管道工程有限公司高级工程师钟桂香发表《输氢管道用管材选用技术探讨》主题演讲。

钟桂香表示，我国氢能源主要分布在炼化企业集中、风光发电资源丰富的西北、中西部地区，消费市场则主要集中在东部地区，与油气资源分布格局类似，呈现出资源与市场错位分布的特点，因此氢能的运输将是未来氢能利用中最为关键的环节。

大规模氢气输送的最佳方式是利用管道运输，管道运输的成本也最低。输氢管道面临的最本质的风险就是氢脆。

环境、应力和材料是诱发氢脆的三大基本要素。

钟桂香向与会嘉宾介绍了氢气压力对钢材的影响，她表示，压力一定的条件下，优选选用低钢级材料。随着压力的增加，X52管线钢疲劳裂纹扩展速率增加，材料发生氢脆的倾向增大。随着氢含量的增加，强度未发生显著变化，延伸率呈下降趋势，含量越高，下降约大；而且一定氢含量条件下，高级越高，延伸率下降越大。相同环境（压力、纯度等）下，管线承受的应力越大，疲劳寿命越低，通过降低承受载荷、增加壁厚可以提高氢环境中管线钢疲劳寿命。

此外，氢气纯度对钢材材料也有影响。在氢气中添加氧气或一氧化碳等气体可以显著降低钢材发生氢脆的风险。“尤其是少量存在的O2、CO就可以显著降低氢脆风险。”

钢材本身材料的屈服强度对氢脆的适应情况也存在规律，相同环境（压力、纯度等）下，随着材料屈服强度的增加，断裂韧度下降趋势愈加明显；随着硬度的增加，HIC裂纹长度率，表明降低强度和硬度能有效降低管材的氢脆敏感性。

钟桂香总结氢对钢材的影响，影响材料氢脆敏感性的的因素主要有强度、硬度、化学成分、微观因素（晶粒度、带状组织、组织类型、冶金缺陷和管材本身的缺陷/缺欠。对于输氢管道环境（设计压力、氢气纯度）一定的条件下，管道设计应该从降低应力和提高材料抗氢脆性能两方面降低氢脆的影响。

目前，国内还没有统一的国家级输氢管道钢材行业标准。根据国外相关标准，氢气工况已经验证过的钢示制包括传统的ASTMA106的B级、ASTMAS3的B级、和API5L的X42级和X52级(首选PSL2级)，以及微合金化的API5L的X52级。氢气管线已经在一个≤14MPa的气体压力下运行。对氢脆问题的认识体现在限制气体压力和管线尺寸的趋势，以便在系统运行期间，壁应力低于规定最低屈服强度的30%~50%，尽管工业经验丰富，但在氢气中碳钢的补充实验室数据有限。

最后，钟桂香在材料要求方面建议，钢级不高于L485，且管体及焊缝最大抗拉强度不超过690MPa；焊管用原材料轧制工艺应为热机械控制轧制工艺（TMCP）；无缝管在连续铸造过程中，应进行低倍浸蚀试验或其他等效方法来识别合金中心线偏析，并按不应超过2级评级验收；管材的A、B、C、D类非金属夹杂物级别不应超过1.5；管材的带状组织不大于3级；焊管的晶粒度应为9级或更细。无缝钢管的晶粒度应为8级或更细；焊管的碳含量应不超过0.07%；无缝管的碳含量不应超过0.12%；硫含量不应超过0.01%；磷含量不应超过0.015%；L415及以下钢级焊管的碳当量CEpcm不应超过0.15%，无缝钢管的碳当量CEpcm不应超过0.20%；L450及以上钢级焊管的碳当量CEpcm不应超过0.17%。无缝钢管的碳当量CEpcm不应超过0.22%。

我国在输氢管道方面很长一段时间都是“空白”，近年来，由于氢能产业大火，产业链上下游迅速燃起“战火”，各大企业跑马圈地。输氢管道面临成本和技术的双重压力，更面临着标准与钢材的空白，在此背景下，国家“从零开始”，力破输氢管道难题。

今年6月，国家管网集团传出好消息：9.45MPa全尺寸非金属管道纯氢爆破试验在位于哈密的国家管网集团管道断裂控制试验场成功实施，标志着国内首次高压力多管材氢气输送管道中间过程应用试验完成，为我国今后实现大规模、低成本的远距离纯氢运输提供技术支撑。