劉向薇 付現(xiàn)橋 盧雪楓 杜明俊 苗恩博 王澤昊 李曄

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403002

摘 要 對輸氫管道的國內外標準進行梳理，對比各類標準對輸氫工況下管道選材的相關要求，對國內外輸氫管道已建工程的管材選用情況進行整理，總結出X52及以下鋼級在輸氫管道中的適用性。對X52M卷板及螺旋縫埋弧焊管材進行了試制，并對標準卷板、試制卷板及試制螺旋縫埋弧焊管材開展了氫環(huán)境下的適用性評價，評價結果顯示，X52M螺旋縫埋弧焊鋼管在輸氫管道上的應用是可行的，但需根據氫相容性要求，對化學元素、硬度、夾雜及晶粒度等性能提出更高的要求。對站場、站外輸氫管道在不同地形地貌、管徑、壁厚及組焊方式下的焊接方式適用性進行了總結，同時給出了氫環(huán)境下的特殊要求。

關鍵詞 長輸管道 氫氣 螺旋縫埋弧焊 X52M 氫脆

中圖分類號 TE973?? 文獻標志碼 A?? 文章編號 0254?6094（2024）03?0332?09

Research on Key Technologies for the Hydrogen Transmission

in X52M SAWH Steel Pipe

LIU Xiang?wei， FU Xian?qiao， LU Xue?feng ， DU Ming?jun，MIAO En?bo，

WANG Ze?hao， LI Ye

（North China Co.， China Petroleum Engineering & Construction Corp.）

Abstract?? Both domestic and foreign codes for hydrogen pipelines were discussed， including having their requirements for selecting the hydrogen pipelines compared and the pipeline materials applied in the in?service projects put in order and the applicability of X52 in hydrogen pipeline summarized. In addition， the trial production of X52M strap and SAWH pipe was implemented and the applicability of both standard strap and trial strap in hydrogen environment was evaluated to show that， through considering hydrogen compatibility， applying X52M SAWH pipe to the hydrogen pipeline is feasible and higher requirements for chemical elements， hardness， inclusion and grain size become necessary. Meanwhile， the applicability of welding methods for hydrogen transmission pipeline under different terrains， pipe diameters， wall thickness and assembly welding methods were summarized and the special requirements under hydrogen environment were proposed.

Key words?? long?distance pipeline， hydrogen， SAWH， X52M， hydrogen embrittlement

基金項目：河北省重點研發(fā)計劃項目（批準號：22314601D）資助的課題。

作者簡介：劉向薇（1992-），碩士研究生，從事油氣田地面工程材料設計與研發(fā)工作，970285652@qq.com。

引用本文：劉向薇，付現(xiàn)橋，盧雪楓，等.X52M螺旋縫埋弧焊鋼管輸氫關鍵技術研究[J].化工機械，2024，51（3）：332-339;439.

從煤炭到石油，石油到天然氣，天然氣到氫氣，能源系統(tǒng)構成正逐步趨向“低碳高氫”的態(tài)勢。在眾多新能源產業(yè)中，氫能作為一種零排放、能量密度大和轉化效率高的綠色能源和二次能源載體，其開發(fā)、利用已受到了各國的高度重視。氫能是能源轉型升級的重要方向，也是實現(xiàn)碳中和目標的重要途徑。目前，國家“十四五”規(guī)劃綱要中氫能已被列為前瞻謀劃的六大未來產業(yè)之一[1～3]。

相比于高壓儲罐輸氫和低溫液態(tài)輸氫，管道輸氫可兼顧輸氫距離、用氫需求及終端用戶分布等因素。綜合經濟性和環(huán)保性，在大輸量和長距離背景下，利用管道進行輸氫是最優(yōu)的輸送方式。與天然氣長輸管道不同，管道輸氫會存在氫脆、氫鼓泡、脫碳及氫腐蝕等風險。材料在臨氫環(huán)境中長期工作，會引起塑性損減、裂紋擴展速度加快及斷裂韌性降低等性能劣化現(xiàn)象，甚至會引發(fā)管道過早失效，危及管網運行安全。氫氣長輸管道用鋼管在鋼管類型、鋼級、合金元素及操作壓力等方面相比于天然氣管道存在一定的限制。對于氫氣管道，選用管道材料強度越高，氫脆風險越大。同時，碳、錳、磷、硫、鉻等元素也會增強低合金鋼的氫脆敏感性，焊接缺陷、殘余應力等也易導致鋼管氫致失效[4～6]。

由于在氫氣管輸方面缺少相應的指導標準和驗收指標，筆者對目前國內外氫氣輸送標準及已建氫氣項目進行了整理歸納。針對X52M輸氫管用管材進行了試制，并對其物理化學性能指標進行了測試，同時針對試制板材及管材開展了氫環(huán)境下的適用性評價。除此之外，還整理了各類管道環(huán)焊焊接形式的適用范圍及輸氫環(huán)境下的相關要求，以供氫氣輸送管道設計人員參考。

1 輸氫管材選用

1.1 標準要求

國際現(xiàn)行輸氫管道參考標準主要有《Hydrogen Piping and Pipelines》ASME B31.12—2019和《Hydrogen Pipeline Systems》CGA G?5.6—2013[7，8]。

氫的體積分數不高于10%的摻氫管道系統(tǒng)（CO濃度不小于200ppm，1ppm=0.001‰）設計通常參照CGA G?5.6，根據CGA G?5.6中對氫服役工況下的碳鋼和微合金鋼要求，選用碳鋼和微合金鋼材質時，強度宜不高于X52，并需滿足表1所列要求。氫比例大于10%的輸氫管道則通常參照ASME B31.12，該標準中對鋼級的允許范圍較為寬泛，但相比于天然氣輸送管道，標準中提出了氫環(huán)境材料性能系數，以提高臨氫環(huán)境下的安全裕度，相同設計工況下，氫氣介質管材壁厚計算值增大了1.44～2.65倍[9～12]。相關要求見表2。

國內標準在氫氣長輸管道方面較為欠缺，可參照的標準有《汽車加油加氣加氫站技術標準》GB 50156—2021、《加氫站技術規(guī)范》GB 50516—2010（2021版）和《氫系統(tǒng)安全的基本要求》GB/T 29729—2022[13～15]。國內標準主要針對的項目類型為加氫站、制氫站中站內工藝管道，要求相對嚴格，輸氣站場站內管道可參照執(zhí)行。GB 50156中規(guī)定：“氫氣管道材質應具有與氫良好相容的特性，設計壓力大于或等于20 MPa的氫氣管道應采用316/316L雙牌號鋼或經實驗驗證的具有良好的氫相容性的材料?！盙B 50516中規(guī)定：“加氫站氫氣管道的材料宜選用316L或其他經驗證具有良好氫相容性的材料?！背酥猓瑑蓚€標準還要求選用奧氏體不銹鋼時，其鎳含量應大于12%，鎳當量不應小于28.5%等技術要求。相比于以上兩個標準，GB/T 29729中給出的要求相對寬松，正文條款中給出的技術要求為“與氫有良好的相容性”和“無縫管”;附錄D中還明確了X42、X52可應用于工作壓力不超過21 MPa的輸氫管道，并給出了X42和X52的化學成分和力學性能要求。相比于GB/T 9711標準管材，其化學成分要求介于調質態(tài)與正火態(tài)之間，兩個標準的化學成分要求對比見表3，由表3可看，力學性能要求與調質態(tài)一

致[16]。

以上標準分析可以看出，不同標準對輸氫管道的安全性保障方式各異。其中ASME B31.12是對其壁厚設計進行增大以保障其安全性;CGAG?5.6則是要求對碳鋼/低合金鋼等進行鋼級限制，并對管材中磷、硫等危害元素、斷裂韌性及晶粒度等性能指標進行嚴控以保障輸氫安全;而國內標準則是通過對管材管型及選用耐蝕合金的方式保障輸氫安全。設計過程中應對各類標準對輸氫管道的特殊要求進行綜合考慮。

1.2 已建項目應用情況

輸氫管道的建設至今約70年歷史，國內起步相對較晚。據美國太平洋西北國家實驗室統(tǒng)計（至2016年），全球共計4 542 km輸氫管道，國內累計約100 km。其中可追溯的國內外已建項目信息見表4[17～19]。由表中數據可以看出，國內外建設氫氣輸送管道的管道材質以X52及以下鋼級為主，管型仍是以無縫鋼管為主體，但逐漸有引入焊接鋼管的趨勢。

1.3 輸氫管材選用

參照國內外標準要求，并結合已建氫氣輸送管道設計情況，推薦輸氫管材的選用原則如下：

a. 管型選擇。對于輸氫管道，推薦選用無縫鋼管，當制造工藝或成本受限時，可優(yōu)先考慮直縫埋弧焊鋼管，并開展相應的氫相容性評價，尤其針對焊縫和熱影響區(qū)，應提出更高的設計要求。

b. 鋼級選擇。結合已建國內外工程的材質應用情況及國內外標準的相關技術要求，對于低壓力的長距離輸氫管道及站內輸氫管道推薦選用X52及以下鋼級管線鋼鋼管，選用更高鋼級管材應對其氫相容性進行評價，對于20 MPa以上站內高壓輸氫管線，推薦選用不低于316L等級的不銹鋼管。

c. 壁厚計算。對于輸氫管道壁厚的計算，應按照ASME B31.12執(zhí)行，以保證輸氫管材具有更高的安全裕度。除以上要求外，還需結合氫環(huán)境對管材碳當量、晶粒度、帶狀組織、化學成分、硬度及斷裂韌性等提出更高的要求。

2 X52M螺旋縫埋弧焊鋼管輸氫適用性研究

2.1 研究背景

受無縫管熱軋工藝的限制，對應管徑下無縫管的最小生產壁厚通常要遠高于設計壁厚。而焊接鋼管是由鋼板或板卷卷制成型的，其壁厚控制要遠精確于無縫管，且制造工藝相對簡單，厚壁覆蓋區(qū)間較廣。制造成本方面，焊接鋼管的單噸費用也低于無縫鋼管，無縫管整體費用要遠高于焊接鋼管。以設計壓力p=6.3 MPa，設計系數0.6工況為例，同鋼級無縫鋼管的投資費用要明顯高于焊管，如圖1、2所示。另外，隨鋼級提高，焊接鋼管的投資值有明顯降低，選用X52級別時，經濟性表現(xiàn)最優(yōu)。因此，為降低投資，提高工程效益，亟需對X52級焊管在輸氫環(huán)境下的適應性進行驗證。

2.2 管材試制

為進一步論證鋼管在輸氫環(huán)境下的適用性，對X52抗氫（以下稱X52MH）卷板進行了試制。試制過程中嚴控冶煉過程，保證板材高潔凈、低偏析，嚴控雜質元素、夾雜物等;軋制時，全流程細化晶?？刂?，控制晶粒度和析出物;控制組織以細晶鐵素體為主、控制帶狀組織及硬度等。按照以上控制要求，試制了X52MH卷板，通過對試制卷板的化學成分、力學性能、沖擊韌性、硬度、晶粒度、非金屬夾雜和金相組織進行測試，其試制效果明顯超出標準中的規(guī)定數值（表5）。另外，卷板的微觀組織整體表現(xiàn)為鐵素體組織，并伴有少量珠光體出現(xiàn)，符合組織控制需求（圖3）。

為論證低成本螺旋縫埋弧焊管的可行性，采用上述試制卷板，用埋弧焊方法、自動埋弧焊工藝生產帶有一條直焊縫的螺旋縫埋弧焊鋼管，內外焊縫均不少于一個焊道。結合國內外設計標準，對管材母體、焊縫和熱影響區(qū)中的化學元素、晶粒度、非金屬夾雜、硬度、低溫沖擊、HIC、導向彎曲及CTOD等指標提出了設計要求，并對試制管材中的以上設計要求進行了驗證，測試結果顯示，所有指標均遠優(yōu)于設計要求，見表6。

2.3 氫相容性評價

金屬在氫環(huán)境下的相容性主要評價指標為氫脆。氫脆是氫原子與金屬相互作用而導致金屬失效現(xiàn)象的總稱，涵蓋多種金屬失效模式。第1種失效模式是氫原子在金屬局部發(fā)生富集，當超過限值時，在外應力作用下產生金屬裂紋的失效模式，即氫致開裂;第2種失效模式是氫原子滲透到金屬內部后再結合成氫分子，隨氫分子濃度增大導致的局部壓力過大，從而導致氫鼓包的失效模式;第3種失效模式則是由于低濃度氫原子滲透，從而降低金屬的機械性能的失效模式[20，21]。由于氫致開裂和氫鼓包通常需要氫原子聚集到一定程度方可發(fā)生，即機械性能衰減才是最普遍的氫脆失效模式。因此本次X52M的氫相容性評價，主要為氫環(huán)境下的機械性能衰減評價，該指標的測試通常采用充氫前后的斷后伸長率和截面收縮率來表征氫脆塑性損失，其計算公式如下：

HEI=×100%（1）

HEI=×100%（2）

式中 HEI——氫脆敏感指數（斷后伸長率）;

HEI——氫脆敏感指數（截面收縮率）;

δ——非氫環(huán)境下斷后伸長率;

δ——氫環(huán)境下斷后伸長率;

φ——非氫環(huán)境下截面收縮率;

φ——氫環(huán)境下截面收縮率。

卷板方面，試驗過程選用了兩種標準卷板制備的拉伸試樣與試制板材試樣進行了對比，試驗拉伸速率為10-5 s-1。試驗結果顯示，標準卷板試樣的HEI和HEI值均相對較高，經性能控制獲得的試制試樣在氫脆敏感度性能方面得到了較好提升。即采用普通的標準型X52M卷板在氫環(huán)境下的失效概率較大，但經過對C、P、S等化學元素、硬度、晶粒度及夾雜等指標的有效控制，可大幅減小氫對X52M鋼級卷板機械性能的影響。

管材方面，在試制首批產品中抽檢兩根，選用相同的試驗參數針對焊縫及熱影響區(qū)開展了氫相容性評價，評價結果顯示，試制管材中的焊縫及熱影響區(qū)的HEI和HEI值均不大于3%，具有較好的氫相容性，見表8。

3 管道焊接

站內輸氫工藝管道的焊接方式選用已相對成熟。可參照GB 50156中要求，對于碳鋼管線采用氬弧焊打底+手工焊填充蓋面的方式，對于不銹鋼管線采用氬弧焊焊接方式。標準中暫未涉及氫氣長輸管道的焊接方式選用原則。如參照站內管道選用手工焊焊接形式，當管線長度較長時會嚴重影響施工周期。因此，需對自動化程度較高的焊接形式的適用性進行分析。在焊接方式選擇方面，需要結合不同焊接工藝特點、長輸管道所處地形、管徑、鋼級、施工隊伍焊接設備配備情況、投資等綜合確定，結合我國長輸管道焊接歷程、不同焊接工藝特點及項目應用情況，手工焊、半自動焊及自動焊焊接工藝的適用范圍總結見表9。表中適用性僅考慮了地形地貌、管徑、壁厚及組焊方式等因素。對于輸氫管道還應對介質特殊性對焊接方式進行二次篩選。如：對于自保護藥芯半自動焊接方式，其沖擊韌性數值離散，沖擊功不穩(wěn)定，且焊接接頭擴散氫含量較高，不易控制。因此，輸氫管道焊接方式應盡量避免選用自保護藥芯半自動焊接方式。

值得注意的是，氫氣介質輸送管材在硬度和韌性指標方面，相比于天然氣介質要求更高，因此焊接工藝評定內容中應提高低溫沖擊試驗、硬度試驗、CTOD試驗及低溫施工時的韌脆轉變曲線的測定等要求。但由于缺少標準指導，各類性能指標要求仍有待完善，因此亟需開展氫氣管道焊接方面的相關研究。

4 結束語

從國內外氫氣輸送標準的歸納結果和工程應用情況來看，氫氣管道宜選用無縫鋼管及低鋼級管材，通常認為X52及以下鋼級是適用的。通過X52M板材試制及對應的氫相容性評價結果來看，X52M螺旋縫埋弧焊鋼管在輸氫管道上的應用是可行的，但需根據氫相容性要求，對化學元素、硬度、夾雜及晶粒度等性能提出更高的要求。關于輸氫管道焊接方式的選擇，站內管道宜選用手工焊（氬電聯(lián)焊/氬弧焊）的焊接方式，長距離站外輸氫管道應根據其地形地貌、管徑、壁厚及組焊方式選用適用的自動焊焊接方式。但由于缺少標準指導，各類焊接性能指標要求仍有待完善。

隨著氫能需求的不斷擴大，更高壓力、更大管徑的輸氫管道建設將成為未來開發(fā)重點。因此以下內容亟待解決：研發(fā)氫環(huán)境的相容性較好的高鋼級管材;氫環(huán)境下，不同鋼級、不同管型管材的性能驗收標準的確認;焊接方式可行性論證及焊接工藝評定中各類指標的驗收標準確認。

參 考 文 獻

[1] 陳偉鋒，尚娟，邢百匯，等.關于天然氣管網安全摻氫比10%的商榷[J].化工進展，2022，41（3）：1487-1493.

[2] 李星國.氫氣制備和儲運的狀況與發(fā)展[J].科學通報，2022，67（Z1）：425-436.

[3] 劉超廣，馬貴陽，孫東旭.氫氣管輸技術研究進展[J].太陽能學報，2023，44（1）：451-458.

[4] 朱珠，廖綺，邱睿，等.長距離氫氣管道運輸的技術經濟分析[J].石油科學通報，2023，8（1）：112-124.

[5] 徐東，劉巖，李志勇，等.氫能開發(fā)利用經濟性研究綜述[J].油氣與新能源，2021，33（2）：50-56.

[6] LEE J?S， CHERIF A， YOON H?J，? et al.Largescale

overseas transportation of hydrogen：Comparative techno?economic and environmental investigation[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2022，

165：112556.

[7]?? NAYYAR M L.Hydrogen Piping and Pipelines：ASME B31.12—2019[S].New York：The American Society of Mechanical Engineers，2019.

[8]?? European Industrial Gases Association.Hydrogen Pipe?

line Systems：CGA G?5.6?005（R2013）[S].Chantilly：European Industrial Gases Association，2013.

[9] 時浩，呂楊，譚更彬.天然氣管道摻氫輸送可行性探究[J].天然氣與石油，2022，40（4）：23-31.

[10] 郭亞軍.淺談?chuàng)綒涮烊粴夤艿垒斔桶l(fā)展現(xiàn)狀[J].石化技術，2021，28（12）：98-99.

[11] 王曉峰，蒲明，宋磊，等.氫氣與天然氣長輸管道設計對比探討[J].油氣與新能源，2022，34（5）：21-26.

[12] 李妍，張國慶，陽利軍，等.輸氫海底管道選材探討[J].腐蝕與防護，2022，43（9）：99-102.

[13] 中國石油化工集團有限公司.汽車加油加氣加氫站技術標準：GB 50156—2021[S].北京：中國計劃出版社，2021.

[14] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部.加氫站技術規(guī)范：GB 50516—2010[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[15] 全國氫能標準化技術委員會.氫系統(tǒng)安全的基本要求：GB/T 29729—2022[S].北京：中國標準出版社，2021.

[16] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管：GB/T 9711—2017[S].北京：中國標準出版社，2017.

[17] 蔣慶梅，王琴，謝萍，等.國內外氫氣長輸管道發(fā)展現(xiàn)狀及分析[J].油氣田地面工程，2019，38（12）：6-8;64.

[18] GILLETTE J L， KOLPA R L. Overview of interstate hydrogen pipeline systems[R].Argonne National Laboratory，2008.

[19] 趙博鑫，彭瑩.氫氣長輸管道的鋼管及材料適應性分析[J].現(xiàn)代化工，2017，37（5）：217-219.

[20] 程玉峰.高壓氫氣管道氫脆問題明晰[J].油氣儲運，2023，42（1）：1-8.

[21] CAZENAVE P，JIMENEZ K，GAO M，et al.Hydrogen assisted cracking driven by cathodic protection operated at near?1 200 mV CSE?an onshore natural gas pipeline failure[J].Journal of Pipeline Science and Engineering，2021，1（1）：100-121.

（收稿日期：2023-06-08，修回日期：2024-05-06）