浙大鄭津洋院士：氫能管道輸送技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)

鄭津洋 中國工程院院士、浙江大學(xué)教授、浙江大學(xué)能源工程學(xué)院副院長、高壓過程裝備與安全教育部工程研究中心主任

剛剛聽了郭院士和程院士兩位非常精彩的報告，下面我跟大家匯報一下氫能管道輸送技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)。

我將從三個方面：研究背景、發(fā)展現(xiàn)狀、面臨挑戰(zhàn)跟大家進行匯報。

一、研究背景

我們知道，氫能是能源轉(zhuǎn)型升級的重要方向，也是實現(xiàn)碳中和目標的重要途徑。在整個氫的產(chǎn)業(yè)鏈當中，安全、高效的輸送是產(chǎn)業(yè)鏈的重要組成部分。氫的輸送有很多技術(shù)，像長罐拖車、液氫槽車、管道，這些方法進行綜合比較，我們發(fā)現(xiàn)管道的輸送它具有運輸體量大、距離遠、能耗損失低這樣的特點，有望實現(xiàn)氫能經(jīng)濟規(guī)模的長距離輸送。

要實現(xiàn)輸送，就需要用到管道。這個管道它廣泛應(yīng)用于加氫站、燃料電池汽車、工業(yè)廠區(qū)等場景，還有一類就是利用新建或在役的天然氣管網(wǎng)實現(xiàn)摻氫輸送，把氫摻到天然氣里邊再進行輸送。這些管道也有它的特點，一個是種類多。我們可以把管道分成為工業(yè)管道、長輸管道、公用管道和專用管道。

管徑的直徑有的小，有的大，小的只有幾毫米，大的可以做到 1.4 米；壓力范圍也很大，低的到 0.1 兆帕，大的 103 兆帕；使用量差距也非常大。這樣一個需求就產(chǎn)生了兩個問題，一個問題用在役的天然氣管網(wǎng)能不能夠用來輸送氫氣？因為我們現(xiàn)在全國已經(jīng)有大量的在用管道，像長輸管道我們國家的量已經(jīng)超過 4200 公里，量很大，如果能夠用現(xiàn)有的管道進行輸送，我們可以節(jié)省大量的投資，提高基礎(chǔ)設(shè)施的利用率。另外一個問題，如果用新建的氫氣管道，新建的氫氣管道它應(yīng)該滿足哪些技術(shù)條件？從材料的角度、設(shè)計制造、運行維護這些方面應(yīng)該怎樣來提出針對性的要求？

二、發(fā)展現(xiàn)狀

我們首先來看一下管道的建設(shè)現(xiàn)狀。據(jù)統(tǒng)計，全球范圍內(nèi)氫氣輸送管道已經(jīng)超過 4600 公里，這些管道主要是由氫氣的生產(chǎn)商來運行。管道最多的國家是美國，它的總里程已經(jīng)達到 2700 多公里，最高運行壓力到 10.3 兆帕，主要是位于墨西哥灣沿岸，有 1000 公里左右的管線。在摻氫天然氣管道方面，國外也開展了持續(xù)的研究，最早可以追溯到荷蘭，從 2001 年就開始開展相關(guān)的研究，歐盟德國、法國、英國這些國家都開展了相關(guān)的研究。

從我們國內(nèi)來看，我們在工業(yè)管道、專用管道方面現(xiàn)在積累了比較豐富的經(jīng)驗，工業(yè)管道主要應(yīng)用在冶金、電子、建材、電力、化工等行業(yè)，現(xiàn)在有幾百家企業(yè)企業(yè)內(nèi)部用的管道已經(jīng)企業(yè)之間氫氣輸送用的管道。對于專用的管道，這些年發(fā)展最快的是跟氫燃料電池汽車關(guān)聯(lián)的，像氫燃料電池汽車我們現(xiàn)在運行的已經(jīng)有 8000 多輛，每一輛車上都有供氫的管道。加氫站現(xiàn)在已建的 200 多座，在建的 70 多座，需要大量的專用管道。在摻氫天然氣管道方面，我們起步要遲一些?，F(xiàn)在主要在用的國電投在潮陽市開展了產(chǎn)氫方面的一些工作。

我們看一下技術(shù)的進展。

首先，管材與氫以及摻氫天然氣的相融性。因為材料與氫氣長期接觸，氫會侵入到材料內(nèi)部，導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)損減、裂紋擴張速度加快和斷裂韌性的下降。大家看這個圖，這是兩根試驗的斷口，這個材料是大家都非常熟悉的 R4D 不銹鋼 S30408，在 87.5 兆帕的氧氣里面，這個斷口杯錐狀的是典型的韌性斷裂；左邊這個是同樣的材料，在 87.5 兆帕的氫氣當中，就發(fā)生了脆性斷裂。對于疲勞壽命，由于氫氣的存在，它的速度會加快，疲勞壽命縮短，擴張速裂加快，導(dǎo)致材料的氫脆。

對于氫脆的研究，國內(nèi)外非常值得重視。作為試驗研究的時候，我們希望能夠獲得材料在真實氣體環(huán)境當中的性能。我們前面談到，有純氫，也有摻氫的天然氣，因此在研究條件的創(chuàng)造上，也采取了不同的技術(shù)路線。

對于純氫，我們就利用純氫的環(huán)境開展試驗，對于摻氫的天然氣，它有的利用氮氣來代替天然氣，用氮氣里面摻氫來代替天然氣摻氫。還有一種，我利用真實的天然氣摻氫開展相關(guān)的研究。研究發(fā)現(xiàn)，在天然氣管網(wǎng)運行的工況下面，摻氫對我們現(xiàn)在常用的材料 X70、X80、X52，對它的抗拉強度影響是不大的，但是會導(dǎo)致材料的韌性斷裂性能和疲勞性能下降。

這個性能的下降會導(dǎo)致材料對缺陷的敏感性加大。如果有同樣的缺陷，在同樣的工況下面，就有可能導(dǎo)致管道使用壽命下降。對于摻氫的天然氣，我們研究發(fā)現(xiàn)，因為摻氫天然氣是一種混合物，除了甲烷、氫氣以外，還有水分、二氧化碳、氧氣，多組份的情況下，它會產(chǎn)生什么？有的組份會加劇材料的裂縫，有的會延遲或者阻礙材料的裂縫，這就需要去研究不同的組份對性能裂化的影響。

這里舉一個例子，像天然氣中的二氧化碳，如果和氫氣一起發(fā)生協(xié)同作用，來促進像碳素鋼、二碳化鋼這樣的材料，其疲勞裂紋擴張速率比在氫氣當中的還要加快。因此，對于摻氫天然氣，現(xiàn)在世界上面臨的問題是什么？現(xiàn)在都在通過一個一個案例來研究，但是還沒有找到一種普世性的可推廣、可復(fù)制的技術(shù)，它的難點就在這里，因為它是一種混合物，我們需要去研究各種組份的情況下面對它影響最大的條件是什么，我們怎么樣來獲得對材料性能影響最大的工況。

同樣，氫氣還會對廢金屬的性能產(chǎn)生影響，主要是輕損傷和氫的滲漏，因為氫分子很小，有可能通過廢金屬來滲漏。除了材料之外，我們還要關(guān)注設(shè)備對氫氣或者摻氫天然氣的適應(yīng)性。管路里邊的設(shè)備又涉及到壓縮機、加氣機、閥門、密封接頭等等，這些設(shè)備對氫氣或者摻氫天然氣的適應(yīng)性如何，也是需要加強研究的方向。

第三個是管道運行安全保障。由于氫氣分子小，容易泄漏，而漏出來以后又跑得快，這就需要研究摻了氫以后或者在氫氣環(huán)境當中它的泄漏、擴散、爆炸的特點，就要加強這方面的研究。在加強規(guī)范標準方面，像美國機械工程師學(xué)會 、歐洲壓縮氣體協(xié)會、歐洲工業(yè)氣體協(xié)會已經(jīng)發(fā)布了氫氣管道相關(guān)的標準。

在國際上現(xiàn)在影響比較大的是美國機械工程市學(xué)會頒布的 B31.12 標準，這個標準涉及到設(shè)計、施工、操作、維護等。

這個標準里面我舉一個例子，說明氫氣管道跟天然氣管道之間的差異。這里給出了一個計算公示，這個公示是用來計算某一厚度、直徑材質(zhì)的管道能夠承受的壓力的大小。這個公示里面一個紅的 "*" 號 "HF"，這是跟天然氣管道里面計算公示里面沒有的，這個系數(shù)是用來反映氫的進入材料的裂況。這個表里面可以看到，這個系數(shù)是小于等于 1 的，等于 1 的話只有兩個情況，一個是對于 X42、X52 鋼在 13.79 壓力以下這種影響很小，在其他的材料或者其他的壓力等級下面這個系數(shù)都是小于 1 的。這說明什么？同樣的管道，如果輸送氫氣的話，它輸送的壓力要比輸送天然氣的壓力要小。

我們國內(nèi)到目前為止還沒有完整的氫能管道輸送的標準，只是在一些相關(guān)的標準里給出要求，像氫氣輸送系統(tǒng)的第一部分、第二部分、第三部分以及今年剛剛修訂的 5051650156 加氫站的標準里面也對管道作了一些規(guī)范。

三、面臨挑戰(zhàn)

要實現(xiàn)氫氣或者摻氫天然氣管道的安全可靠運輸，未來面臨著不小的挑戰(zhàn)。首先，在機制研究上，這個氫是怎么樣傾注到材料里面的，特別是多組份的時候，這些組份之間相互是如何作用的。材料的宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)之間又是什么樣的關(guān)系，表面到內(nèi)部、微觀到宏觀都要加強相關(guān)的研究。另外，現(xiàn)在的零氫環(huán)境當中材料的性能數(shù)據(jù)奇缺。

在氫環(huán)境當中，材料的性能除了跟材料本身的化學(xué)成分、綠色性能和微觀組織相關(guān)以外，還跟 3 個因素有關(guān)：第一是環(huán)境，第二是應(yīng)力，第三是制造。熱環(huán)境里面，像氫氣的分壓、氫氣的純度、環(huán)境的溫度對材料性能要發(fā)生影響；制造里面，熱處理的工藝、焊接的工藝、成型的方法，也要對它影響。

因此，氫在自然界的條件下面，我們很難去說某一種材料它是不是絕對適應(yīng)用某一個環(huán)境，因為它要把 4 個因素綜合起來，來規(guī)定出它的使用條件。正因為這樣，要繼續(xù)加強基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的研究。這個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)里面除了材料以外，還有零部件，系統(tǒng)需要從材料、零部件、系統(tǒng)三個層面開展相關(guān)的工作。最近修訂好的美國的管道標準，它的前言里面也提到，隨著對氫脆的進一步認識以及數(shù)據(jù)的積累，將對標準中的有關(guān)數(shù)據(jù)進行完善和修改，說明這是一個全球性的問題。

在關(guān)鍵技術(shù)上面，也需要進行攻克，包括低成本、高強度的抗氫脆材料、高性能的氫能管道的設(shè)計制造技術(shù)、氫能管道的運行和控制技術(shù)以及應(yīng)急和維護的技術(shù)。

在相關(guān)裝備國產(chǎn)化方面，我們也面臨著不小的挑戰(zhàn)，像高性能、低成本的輸氫的管道，用什么樣的管道輸氫更加經(jīng)濟。如果要實現(xiàn)管道輸送，它的一個重要特征是流量大，那就需要大流量的壓縮機，還包括氫氣計量的設(shè)備閥門、儀表等等。

再一個挑戰(zhàn)是標準。我們需要加快來制定純氫管道以及摻氫管道的標準，包括零氫材料，我的材料怎么樣來篩選，能夠給出一個材料選用的指導(dǎo)性文件，氫能管道的設(shè)計、建造、運行、維護，管道里面涉及到密封、管道風險評估、定期檢驗等等。因此，要實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的氫能或者摻氫天然氣的管道的輸送，我們還面臨著諸多的挑戰(zhàn)，需要各位人同仁我們一起來努力。一起推進相關(guān)技術(shù)進步。