输氢管道亟待迈过安全运行关

与天然气不同，氢由于其特殊性质，可能会渗入金属内部并与金属基质相互作用，导致管道材料的韧性下降，从而发生脆断或开裂，即所谓的“氢脆”现象。这是导致输送氢气管道安全运营风险的最大因素之一。许多业内专家认为，研究并预防氢脆问题，是我国未来大规模推广氢气管道输送技术的先决条件，必须高度重视。

氢脆发生机理尚不明确

对于氢脆现象的研究已经持续了多年，但至今尚未得出明确的结论。刘翠伟副教授是中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院的一名教师。他向记者介绍，所谓氢脆多半是指针对金属管道的，因为氢想要进入金属管道，首先需要将氢分子分离成氢原子。目前我们无法有效观测氢分子解离成氢原子的过程，以及氢原子进入管材、在管材内部扩散的具体步骤。”

据了解，目前国内外对氢脆问题的研究，都是基于宏观实验现象来解释其中的原理。因此，研究人员提出了不同的解释理论与观点。

目前，对于氢脆机理的研究仍然有一定的不全面和不深入的问题。还没有一个完整的理论可以解释所有的氢脆现象，并基本上防止氢脆现象的发生。齐建涛副教授与中国石油大学（华东）新能源学院的同仁们合作，共同撰写文章指出。

机理不清，但氢对管材的脆裂作用却真实存在。

管道的材料表面在局部应力状态下会发生局部变形，导致表面出现了局部激活。氢分子在激活的表面上可以分离成氢原子，进入材料内部，因而导致材料的改变或损坏。王俭秋专家表示，这也与管材有关。有些观点认为一般输氢碳钢管道中不存在氢脆现象，因为氢气能够迅速扩散出去。然而，我们的研究发现，在实验室模拟应力腐蚀条件下，即使是碳钢材料内部也存在着脆性开裂现象。”

刘翠伟也有类似的看法。在我们实验室的4MPa管道压力下，当掺氢比例从10％提高到100％时，我们可以观察到氢气的解离，渗透，吸附和扩散现象。产生氢脆的先决条件是氢气必须经历一系列反应过程，在解离成氢原子后，才能被吸收进入其内部表面，并在其内逐渐扩散，最终形成氢脆现象。”

优化工艺可延缓氢脆的发生

尽管无法完全根除氢脆现象，但通过大量实验研究，我们可以总结出一些影响因素，以最大程度地减轻氢脆造成的危害。

据介绍，输氢管道所处的状态不同，发生氢脆的风险也不同。通常情况下，氢脆的风险由多种因素影响，比如输送压力、氢气掺混比例、使用的管材强度和管道运行时间等。

“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。从选材的角度来看，我们可以选择一些耐氢脆的管道，特别是针对相对较低压的城市管网而言。这些管道使用低强度的材料制造，对于氢气相比较不敏感，风险较小。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。开头时的风险或许不大，但在运行中我们应当明确哪些是风险并且可以预见。”

刘翠伟指出：“针对已经投入使用的天然气管道进行氢气掺配，可以首先对管线进行完整性管理或适应性评估，然后通过降低运行压力或氢气掺配比例来减少氢脆的风险。””

与利用现有的天然气管道混合氢气进行输送相比，新建管道在设计阶段就可以充分考虑氢气的脆化风险因素，因此具有更好的可控性。

当前，在设计新的输氢管道时，需要考虑氢气对管材的影响。这也是纯氢管道成本较高的原因。为了防止氢脆的影响，在计算管径和壁厚时，需要考虑材料系数，因此需要将壁厚设计得更大一些，以确保留有足够的安全裕量。”刘翠伟表示。

相关研究和实践不足

在碳达峰和碳中和目标的背景下，绿氢作为一种绿色、低碳的能源，已经成为许多企业布局的重点领域。同时，氢能的发展能够很好地解决我国中西部地区在风电和光电能源暂时无法利用时面临的问题。许多行业专家认为，未来氢能的大规模发展势在必行。但是，当前我国氢能领域的研究仍需要加强，特别是在输氢管道标准和安全等方面的研究。

中国工程院院士郑津洋指出，氢能管道运输面临几大困难，其中最主要的难点在于关键技术方面。这包括开发低成本、高强度的抗氢脆材料，以及设计与制造高性能的氢能管道所需的技术。

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。”

当前，我国已制定了专注研发项目计划，以研究西氢东送长输管道中氢气与管材的相容性。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。我国的西气东输管道已经存在多年，但管道已经老化，其运输氢的相关风险研究尚不完备，因此需要进行进一步研究，以弄清这些问题。”王俭秋指出。