李嘉良，文遠(yuǎn)靜，趙新奎，李為衛(wèi) 編譯

（1.中移系統(tǒng)集成有限公司，成都 610041；2.中國石油塔里木油田公司，新疆 庫爾勒 841000；3.中國石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司，西安 710077）

1 概 述

氫氣是未來社會(huì)無可爭議的能源載體，氫氣的生產(chǎn)有多種來源，比如可再生能源（風(fēng)能、太陽能、水電、生物質(zhì)）、化石燃料或核能等。由于燃料電池和儲(chǔ)能電池的效率在過去幾年中大幅提高，預(yù)計(jì)在不久的將來，對(duì)氫氣的需求將顯著增加。

挪威的REINERTSEN 公司開發(fā)了一種從天然氣中分離氫氣的工藝，該工藝包括天然氣的蒸汽重整以及利用SINTEF 公司開發(fā)的新膜技術(shù)從二氧化碳中分離氫氣。該工藝在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性方面都顯示出了良好的效果，工藝流程如圖1 所示。該工藝的一個(gè)重要方面是在輸送H2的同時(shí)，將CO2儲(chǔ)存到合適的地下儲(chǔ)層中，可以消除制氫過程中CO2的排放。

圖1 天然氣轉(zhuǎn)化為CO2和H2的工藝流程

根據(jù)距離和總量，可以通過管道、船舶、卡車將純氫氣或氫氣/天然氣混合物從挪威的本地工廠運(yùn)輸?shù)胶Ｉ匣蚝Ｍ獠煌胤?。然而，氫的運(yùn)輸和儲(chǔ)存對(duì)于材料的選擇和材料強(qiáng)度有較高的要求。

輸氫管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)主要問題是氫損傷。氫有許多方式可以停留在鋼中而造成損傷，純氫氣就是其中之一。目前，天然氣輸送管道和工業(yè)管道系統(tǒng)可根據(jù)ASME B31.8、ASME B31.3和ISO 13623標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，挪威大陸架內(nèi)的海底管道主要根據(jù)DNV-OS-F101 設(shè)計(jì)，然而只有少數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范/指南涉及氫氣對(duì)管道材料的影響。目前，在氫環(huán)境中運(yùn)行的工業(yè)管道和輸送管道需要符合ASME B31.12標(biāo)準(zhǔn)。歐洲工業(yè)氣體協(xié)會(huì)（EIGA）還在IGC doc 121/14號(hào)文件中給出了關(guān)于氫氣管道輸送系統(tǒng)工業(yè)實(shí)踐總結(jié)和指導(dǎo)。

“氫輸送”（Hydrogen Service）不是一個(gè)特定術(shù)語，ASME B31.12標(biāo)準(zhǔn)不包括氫含量小于10%（體積分?jǐn)?shù)）的管道輸送系統(tǒng)，EIGA也有類似的規(guī)定。本研究結(jié)合ASME B31.8 和DNV-OSF101，分析ASTM 31.12中的相關(guān)要求，從而為海底管道氫氣（純氫或摻氫）輸送提供技術(shù)參考。

2 設(shè)計(jì)有關(guān)事項(xiàng)

與ASME B31.8 相比，輸氫管道使用的ASME B31.12主要考慮了氣態(tài)氫環(huán)境引起的材料性能退化，引入了附加的保守限制，鋼制管道的設(shè)計(jì)壓力由公式（1）確定，即

式中：P——設(shè)計(jì)壓力，MPa；

Hf——?dú)涞牟牧闲阅芟禂?shù)；

F——基本設(shè)計(jì)系數(shù)；

D——公稱外徑，mm；

E——縱向焊接接頭系數(shù)；

S——規(guī)定最小屈服強(qiáng)度，MPa；

t——公稱壁厚，mm；

T——溫度降低系數(shù)。

公式（1）中，D、E、S、t、T和P是管道設(shè)計(jì)參數(shù)，不受氫氣環(huán)境的影響。當(dāng)管道在高于規(guī)定最小屈服強(qiáng)度40%的環(huán)向應(yīng)力下運(yùn)行時(shí)，需用斷裂韌性準(zhǔn)則來控制斷裂擴(kuò)展。當(dāng)使用止裂準(zhǔn)則時(shí)，應(yīng)通過確保鋼管具有足夠的延性來實(shí)現(xiàn)控制，并定義了兩種可能選擇的方法。

2.1 規(guī)范化設(shè)計(jì)方法（方法A）

規(guī)范化設(shè)計(jì)方法是基于表值的Hf確定方法。表1 給出了特定鋼種和設(shè)計(jì)壓力的輸氫管道的材料性能系數(shù)Hf，數(shù)據(jù)來源于ASME B31.12 中的表IX-5A。

表1 碳鋼管道材料性能系數(shù)Hf

材料性能系數(shù)Hf說明了氫氣對(duì)碳鋼管和碳錳鋼管斷裂性能的不利影響，與碳?xì)浠衔镙斔拖啾?，將直接?dǎo)致氫氣輸送管道允許運(yùn)行壓力降低或壁厚增加。從表1可以看出，氫對(duì)較高鋼級(jí)和高壓的管道有顯著影響，采用高強(qiáng)度鋼的高壓管道系統(tǒng)的性能折減系數(shù)降至0.5～0.6，而低強(qiáng)度鋼（如X52）的低壓管道系統(tǒng)的性能系數(shù)沒有下降。

決定輸氫管道設(shè)計(jì)壓力的另一個(gè)因素是基本設(shè)計(jì)系數(shù)F，它取決于地區(qū)類別。根據(jù)ASME B31.12中表PL-3.7.1-2，對(duì)于海底管道，可假設(shè)地區(qū)類別為1類，設(shè)計(jì)系數(shù)F=0.5。

不同管線鋼的性能系數(shù)Hf×F與設(shè)計(jì)壓力的關(guān)系如圖2所示。ASME B31.8表841.1.6-1中，1類地區(qū)的設(shè)計(jì)系數(shù)F可達(dá)0.80。這表明，與使用ASME B31.8 的天然氣輸送管道相比，使用ASME B31.12的輸氫管道設(shè)計(jì)壓力降低最少約為30%～60%，具體降幅取決于設(shè)計(jì)壓力和鋼級(jí)。

圖2 常見管線鋼的性能系數(shù)Hf×F與設(shè)計(jì)壓力的關(guān)系（F=0.5）

2.2 基于性能的設(shè)計(jì)方法（方法B）

基于性能的設(shè)計(jì)方法提供了基于材料測試的方法，以確定給定壓力下材料的最大允許壓力或最小允許壁厚。該方法可采用不太保守的方法，允許更高的材料強(qiáng)度利用率。

方法B 將Hf定義為1.0，與方法A 相比，還允許1類和2類地區(qū)的基本設(shè)計(jì)系數(shù)F較不保守。對(duì)于海底管道，可以假設(shè)地區(qū)類別為1類，根據(jù)ASME B31.12 表PL-3.7.1-2，設(shè)計(jì)系數(shù)F=0.72，Hf×F（1.0×0.72=0.72）與設(shè)計(jì)壓力的關(guān)系如圖3所示。

圖3 Hf×F與設(shè)計(jì)壓力（1類地區(qū)）的關(guān)系（F=0.72）

管體和焊接材料應(yīng)根據(jù)ASME 鍋爐與壓力容器規(guī)范第VIII卷第3分卷KD-10條規(guī)定的適用規(guī)則，以及ASME B31.12規(guī)定的補(bǔ)充要求，在設(shè)計(jì)壓力或以上、環(huán)境溫度下進(jìn)行評(píng)定，應(yīng)具有足夠的抗氫氣介質(zhì)的斷裂能力。

應(yīng)確定母材、焊縫金屬和熱影響區(qū)在氫氣中的斷裂韌性KIH，以證明其抗氫脆能力。根據(jù)KD-10定義的現(xiàn)有裂紋尺寸、幾何形狀、應(yīng)力范圍和疲勞設(shè)計(jì)指南，與最大施加應(yīng)力強(qiáng)度因子KIA進(jìn)行比較，KIH必須大于KIA，也必須大于55 MPa·m1/2。另外，通常對(duì)化學(xué)成分、制造工藝、最大屈強(qiáng)比、韌性和脆性斷裂控制也有一些附加要求。

3 設(shè)計(jì)規(guī)范評(píng)估

根據(jù)ASME B31.12方法A設(shè)計(jì)新管道或改造現(xiàn)有天然氣管道時(shí)，需要顯著增加管體壁厚，或者降低最大允許工作壓力；方法B應(yīng)對(duì)材料和焊縫按照ASME B31.12第PL-3.7.1節(jié)規(guī)定的使用條件，以及ASME 規(guī)范第VIII 卷第3 分卷KD-10 進(jìn)行測試和評(píng)定。對(duì)于現(xiàn)有管道輸送介質(zhì)的變更（由天然氣變?yōu)榧儦浠蚧鞖洌?guī)定要對(duì)代表性的材料進(jìn)行評(píng)定。還應(yīng)提及的是，根據(jù)KD-10，疲勞壽命計(jì)算不應(yīng)基于小求和公式以及使用S-N曲線，而應(yīng)使用斷裂力學(xué)和實(shí)際氫設(shè)計(jì)壓力下確定的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。

ASME B31.12 規(guī)范PL 部分定義了輸氫管道，這意味著純氫可以通過管道輸送，該規(guī)范不考慮氫含量低于10%的介質(zhì)?；鞖涮烊粴饪赡芎懈哌_(dá)15%的氫氣，因此符合ASME B31.12 的要求。與純氫氣相比，混氫天然氣中的氫氣分壓顯著降低，而混氫天然氣的要求并沒有放寬。因此，混氫天然氣遵守與純氫管道完全相同的限制可能有些保守，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行評(píng)估。

該評(píng)估基于ASME B31.12中的氫氣輸送，并與ASME B31.8 中的天然氣輸送進(jìn)行了比較。安裝在挪威大陸架的海底天然氣管道主要根據(jù)DNV-OS-F101 設(shè) 計(jì)，與ASME B31.8 相 比，DNV-O-F101 被認(rèn)為是一種更優(yōu)化的設(shè)計(jì)規(guī)范，允許更高的利用率。因此，將ASME B31.12應(yīng)用于按照DNV-OS-F101 設(shè)計(jì)的管道，可能會(huì)在管道材料強(qiáng)度的利用方面產(chǎn)生更大的差距。目前，DNV-OS-F101 未涉及氫的輸送，因此，在將現(xiàn)有海底管道變更為輸氫管道或重新設(shè)計(jì)輸氫管道時(shí)，必須制定設(shè)計(jì)指南。

4 輸氫管道應(yīng)關(guān)注的問題

輸氫管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要關(guān)注的一個(gè)主要問題是氫損傷的風(fēng)險(xiǎn)。氫氣通過表面吸附進(jìn)入金屬，并以原子氫方式在金屬晶格間擴(kuò)散，最終造成損傷。目前普遍認(rèn)為氫對(duì)材料有三種主要影響：氫脆、氫致疲勞、高溫氫腐蝕（HTHA）。

4.1 氫脆

氫脆通常發(fā)生在95 °C 及以下溫度環(huán)境，因?yàn)闅湓谠摐囟然虻陀谠摐囟葧r(shí)仍溶解在鋼中。而在200 °C以上時(shí)，氫敏感材料、氫和鋼中碳原子之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成甲烷氣體，導(dǎo)致高溫氫蝕（HTHA）。由于輸送管道的最高運(yùn)行溫度遠(yuǎn)低于該水平，因此HTHA與輸送管道無關(guān)，在此不做進(jìn)一步討論。

氫脆取決于材料強(qiáng)度、成分、微觀組織、氣體壓力和濃度、溫度以及力學(xué)載荷類型（如應(yīng)變率）等因素，氫脆可能導(dǎo)致開裂。許多金屬材料對(duì)氫脆敏感，特別是具有體心立方晶格（BCC）結(jié)構(gòu)的材料，用于管道的鐵素體鋼就是如此。具有面心立方晶格（FCC）的材料，如奧氏體不銹鋼（如316），則不易發(fā)生氫脆。本研究描述的對(duì)氫脆敏感的材料，僅限于鐵素體鋼，如碳鋼、碳錳鋼和低合金鋼。

氫分子像大氣中的許多氣體一樣吸附在金屬表面，并溶解成氫原子。與環(huán)境溫度下的其他大氣成分不同，氫將擴(kuò)散到金屬晶格中。氫的吸附有各種理論解釋，尚未形成一致的看法。

在氣態(tài)環(huán)境中，氫滲透到鋼中涉及不同的步驟：①氣態(tài)氫分子在材料表面被吸附；②氫分子溶解成氫原子；③氫原子的吸收。與水溶液中電化學(xué)反應(yīng)的氫吸附相比，在環(huán)境溫度下干燥氣體中新生氫的量不會(huì)高于主體相平衡吸收的量。在環(huán)境溫度下，清潔鋼管暴露在干燥的氫氣中，不會(huì)立即產(chǎn)生氫脆風(fēng)險(xiǎn)。如果無法保持與主體相的平衡，則由于氫增加而導(dǎo)致脆化的風(fēng)險(xiǎn)增加，這可能是由于溫度升高或局部高應(yīng)力所致，后者可以用疲勞裂紋擴(kuò)展來表示?？紤]到在環(huán)境溫度下干燥的氫氣輸送中的新生氫量不超過主體相吸收的量，可以假設(shè)不存在氫脆風(fēng)險(xiǎn)，但已發(fā)現(xiàn)氫對(duì)疲勞性能有重大影響。

4.2 氫致疲勞

與氫脆相比，氫致疲勞的機(jī)制略有不同。通?；赟-N曲線計(jì)算的疲勞壽命和基于常見結(jié)構(gòu)缺陷或裂紋的疲勞裂紋擴(kuò)展計(jì)算的疲勞壽命，與由S-N曲線確定的疲勞壽命相比，氫對(duì)疲勞性能的影響在裂紋擴(kuò)展速率方面似乎更為明顯。

ASME BPV 規(guī) 范 第VIII 卷 第3 分 卷KD-10 條規(guī)定，不允許采用基于小求和公式和S-N曲線進(jìn)行疲勞壽命驗(yàn)證。疲勞壽命驗(yàn)證應(yīng)基于疲勞裂紋擴(kuò)展速率計(jì)算和斷裂韌性KIH，KIH根據(jù)實(shí)際氫設(shè)計(jì)壓力確定。

氫致疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制目前較難確定。由于原子氫在金屬中的擴(kuò)散及吸收，可以假設(shè)原子氫存在于金屬晶格中，還可以假設(shè)濃度也取決于H2分壓，壓力越高，裂紋尖端的氫原子越容易被吸收。由于母材金屬原子之間的距離較大，裂紋尖端金屬中的高局部靜拉伸應(yīng)力也可能增強(qiáng)氫的吸收，疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制可描述為局部的強(qiáng)化滑移。裂紋尖端附近的氫濃度將減緩某些晶格平面上的位錯(cuò)移動(dòng)，并可能使滑動(dòng)變形局部化，部分或完全防止裂紋尖端鈍化。奧氏體不銹鋼的顯微照片證實(shí)了這一機(jī)理，鐵素體碳鋼的機(jī)理是否與其相似尚未完全揭示，由于不同的晶格結(jié)構(gòu)（BCC 與FCC）和不同的滑移體系，可能更為復(fù)雜。

根據(jù)ASMESTP-PT-006—2008 氫管道設(shè)計(jì)指南，大多數(shù)研究表明由于氫氣中的裂紋擴(kuò)展速率比空氣中的增加10～50 倍，因此在氫氣管道設(shè)計(jì)中應(yīng)避免疲勞情況發(fā)生。需要全面研究由于氫氣引起的整個(gè)斷裂問題，包括C-Mn 鋼的焊縫。一些研究假設(shè)焊縫金屬的性能與母材相同，或者簡單地說“將焊縫硬度保持在HRC22 以下，一切正?！保捎谠诠艿垒斔瓦^程中，管體壓力會(huì)增大，因此這種方法并不完全能提高焊縫抗脆斷能力，還需要研究和開發(fā)專用焊接工藝和焊接材料，以提供盡可能高的焊縫抗脆斷能力。

目前，在氫氣輸送環(huán)境中，碳鋼或不銹鋼的焊縫可能是最易發(fā)生氫脆的部位，這是由于焊縫冶金不均勻，熱影響區(qū)、焊縫殘余應(yīng)力分布以及可能存在焊縫缺陷，這些缺陷會(huì)逐漸增長到臨界尺寸并導(dǎo)致泄漏或失效。氫氣中的疲勞擴(kuò)展增強(qiáng)是否也是這種情況尚不明確，必須對(duì)這些特性進(jìn)行研究，并積累數(shù)據(jù)供管道設(shè)計(jì)過程中使用。

5 管道材料選擇

北海和挪威?，F(xiàn)有的天然氣輸送管道由C-Mn鋼制成，強(qiáng)度等級(jí)為典型的400～450 MPa，相當(dāng)于API X60～X65鋼級(jí)。在少數(shù)情況下也采用了較高強(qiáng)度鋼級(jí)，如X70鋼級(jí)。碳鋼和碳錳鋼在流體輸送合規(guī)性方面被認(rèn)為是等效的，但應(yīng)注意，通常高強(qiáng)度材料更容易發(fā)生氫脆。

無論輸送的是純氫氣、混氫天然氣還是CO2，它們都將以干燥氣體的形式存在。因此，不考慮管線鋼暴露于導(dǎo)致腐蝕的液體中。氫致疲勞可能會(huì)限制C 鋼、C-Mn 鋼的使用，特別是在懸空跨度較大的區(qū)域。假設(shè)VIV 型懸空跨度可以緩解，那么疲勞將不是管道設(shè)計(jì)的主要問題。目前，C 鋼或C-Mn 鋼仍然是首選材料，是干燥氣體管道輸送最具經(jīng)濟(jì)效益的解決方案。

6 管道輸送介質(zhì)轉(zhuǎn)換

美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)對(duì)現(xiàn)有天然氣管道中摻氫進(jìn)行了評(píng)估，天然氣技術(shù)研究所已經(jīng)編寫了一份報(bào)告，該報(bào)告也得到了挪威國家石油公司的支持。該報(bào)告中的一個(gè)結(jié)論是，向天然氣輸送管道中添加高達(dá)50%的氫氣可能不會(huì)導(dǎo)致管體失效，可接受的氫氣比例取決于高壓管道所用的鋼材類型。該報(bào)告是為分輸管道編寫的，分輸管道的運(yùn)行壓力比集輸管道的運(yùn)行壓力低很多，并采用低鋼級(jí)材料建造。

EIGA 和ASME B31.12 已經(jīng)制定了將天然氣管道轉(zhuǎn)換為輸氫管道的推薦做法。ASME B31.12第PL.3-21 節(jié)提出了包括風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、管線管材料和焊接、設(shè)計(jì)和安裝以及運(yùn)行壽命的相關(guān)規(guī)定。

ASME B31.12是以安裝在陸上的天然氣輸送管道為基礎(chǔ)，根據(jù)ASME B31.8《氣體輸送和分輸管道系統(tǒng)》進(jìn)行設(shè)計(jì)。安裝在挪威大陸架上的大多數(shù)海底天然氣管道是根據(jù)DNV-OS-F101 設(shè)計(jì)的。因此，必須修改規(guī)范和文件，以符合現(xiàn)有設(shè)計(jì)要求。

需要確定的重要參數(shù)是輸氫管道疲勞裂紋擴(kuò)展速率。對(duì)于現(xiàn)有管道，之前可接受的懸空跨度可能變得至關(guān)重要，需要在輸送氫氣之前通過海床干預(yù)來緩解。對(duì)于新管道，與天然氣管道相比，需要減少更多的懸空跨度。

7 建 議

為了簡化海底管道輸氫的設(shè)計(jì)問題，應(yīng)基于綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫建立疲勞壽命估算的相關(guān)數(shù)據(jù)庫，包括H2分壓、試驗(yàn)頻率、焊接規(guī)程、材料選擇要求、應(yīng)力范圍等變量?；蛘呖梢圆捎脤?shí)際材料、焊接規(guī)程、氫環(huán)境和負(fù)載條件進(jìn)行特定的評(píng)定試驗(yàn)，包括斷裂韌性試驗(yàn)和疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)，作為疲勞設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。