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鄭津洋 中國(guó)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(zhǎng)、高壓過(guò)程裝備與安全教育部工程研究中心主任

各位同行下午好，很高興有這個(gè)機(jī)會(huì)參加這個(gè)會(huì)議，我跟大家匯報(bào)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(gè)方面：研究背景、發(fā)展現(xiàn)狀、面臨挑戰(zhàn)跟大家進(jìn)行匯報(bào)。

一、研究背景

我們知道，氫能是能源轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要方向，也是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要途徑。在整個(gè)氫的產(chǎn)業(yè)鏈當(dāng)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(zhǎng)罐拖車(chē)、液氫槽車(chē)、管道，這些方法進(jìn)行綜合比較，我們發(fā)現(xiàn)管道的輸送它具有運(yùn)輸體量大、距離遠(yuǎn)、能耗損失低這樣的特點(diǎn)，有望實(shí)現(xiàn)氫能經(jīng)濟(jì)規(guī)模的長(zhǎng)距離輸送。

要實(shí)現(xiàn)輸送，就需要用到管道。這個(gè)管道它廣泛應(yīng)用于加氫站、燃料電池汽車(chē)、工業(yè)廠區(qū)等場(chǎng)景，還有一類(lèi)就是利用新建的天然氣管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)摻氫輸送，把氫摻到天然氣里邊再進(jìn)行輸送。這些管道也有它的特點(diǎn)，一個(gè)是種類(lèi)多。我們可以把管道分成為工業(yè)管道、長(zhǎng)輸管道、公用管道和專(zhuān)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(gè)需求就產(chǎn)生了兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)問(wèn)題用在役的天然氣管網(wǎng)能不能夠用來(lái)輸送氫氣？因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在全國(guó)已經(jīng)有大量的在用管道，像長(zhǎng)輸管道我們國(guó)家的量已經(jīng)超過(guò)4200公里，量很大，如果能夠用現(xiàn)有的管道進(jìn)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(gè)問(wèn)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(jì)制造、運(yùn)行維護(hù)這些方面應(yīng)該怎樣來(lái)提出針對(duì)性的要求？

二、發(fā)展現(xiàn)狀

我們首先來(lái)看一下管道的建設(shè)現(xiàn)狀。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球范圍內(nèi)氫氣輸送管道已經(jīng)超過(guò)4600公里，這些管道主要是由氫氣的生產(chǎn)商來(lái)運(yùn)行。管道最多的國(guó)家是美國(guó)，它的總里程已經(jīng)達(dá)到2700多公里，最高運(yùn)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(guó)外也開(kāi)展了持續(xù)的研究，最早可以追溯到荷蘭，從2001年就開(kāi)始開(kāi)展相關(guān)的研究，歐盟德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)這些國(guó)家都開(kāi)展了相關(guān)的研究。

從國(guó)內(nèi)來(lái)看，我們?cè)诠I(yè)管道、專(zhuān)用管道方面現(xiàn)在積累了比較豐富的經(jīng)驗(yàn)，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(duì)于專(zhuān)用的管道，這些年發(fā)展最快的是跟氫燃料電池汽車(chē)關(guān)聯(lián)的，像氫燃料電池汽車(chē)我們現(xiàn)在運(yùn)行的已經(jīng)有8000多輛，每一輛車(chē)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(zhuān)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(guó)電投在潮陽(yáng)市開(kāi)展了產(chǎn)氫方面的一些工作。

我們看一下技術(shù)的進(jìn)展。

首先，管材與氫以及摻氫天然氣的相融性。因?yàn)椴牧吓c氫氣長(zhǎng)期接觸，氫會(huì)侵入到材料內(nèi)部，導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)損減、裂紋擴(kuò)張速度加快和斷裂韌性的下降。大家看這個(gè)圖，這是兩根試驗(yàn)的斷口，這個(gè)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(gè)斷口杯錐狀的是典型的韌性斷裂；左邊這個(gè)是同樣的材料，在87.5兆帕的氫氣當(dāng)中，就發(fā)生了脆性斷裂。對(duì)于疲勞壽命，由于氫氣的存在，它的速度會(huì)加快，疲勞壽命縮短，擴(kuò)張速裂加快，導(dǎo)致材料的氫脆。

對(duì)于氫脆的研究，國(guó)內(nèi)外非常值得重視。作為試驗(yàn)研究的時(shí)候，我們希望能夠獲得材料在真實(shí)氣體環(huán)境當(dāng)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(duì)于純氫，我們就利用純氫的環(huán)境開(kāi)展試驗(yàn)，對(duì)于摻氫的天然氣，它有的利用氮?dú)鈦?lái)代替天然氣，用氮?dú)饫锩鎿綒鋪?lái)代替天然氣摻氫。還有一種，我利用真實(shí)的天然氣摻氫開(kāi)展相關(guān)的研究。研究發(fā)現(xiàn)，在天然氣管網(wǎng)運(yùn)行的工況下面，摻氫對(duì)我們現(xiàn)在常用的材料X70、X80、X52，對(duì)它的抗拉強(qiáng)度影響是不大的，但是會(huì)導(dǎo)致材料的韌性斷裂性能和疲勞性能下降。

這個(gè)性能的下降會(huì)導(dǎo)致材料對(duì)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(duì)于摻氫的天然氣，我們研究發(fā)現(xiàn)，因?yàn)閾綒涮烊粴馐且环N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(huì)產(chǎn)生什么？有的組份會(huì)加劇材料的裂縫，有的會(huì)延遲或者阻礙材料的裂縫，這就需要去研究不同的組份對(duì)性能裂化的影響。

這里舉一個(gè)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(lái)促進(jìn)像碳素鋼、二碳化鋼這樣的材料，其疲勞裂紋擴(kuò)張速率比在氫氣當(dāng)中的還要加快。因此，對(duì)于摻氫天然氣，現(xiàn)在世界上面臨的問(wèn)題是什么？現(xiàn)在都在通過(guò)一個(gè)一個(gè)案例來(lái)研究，但是還沒(méi)有找到一種普世性的可推廣、可復(fù)制的技術(shù)，它的難點(diǎn)就在這里，因?yàn)樗且环N混合物，我們需要去研究各種組份的情況下面對(duì)它影響最大的條件是什么，我們?cè)趺礃觼?lái)獲得對(duì)材料性能影響最大的工況。 

同樣，氫氣還會(huì)對(duì)廢金屬的性能產(chǎn)生影響，主要是輕損傷和氫的滲漏，因?yàn)闅浞肿雍苄?，有可能通過(guò)廢金屬來(lái)滲漏。除了材料之外，我們還要關(guān)注設(shè)備對(duì)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(jī)、加氣機(jī)、閥門(mén)、密封接頭等等，這些設(shè)備對(duì)氫氣或者摻氫天然氣的適應(yīng)性如何，也是需要加強(qiáng)研究的方向。

第三個(gè)是管道運(yùn)行安全保障。由于氫氣分子小，容易泄漏，而漏出來(lái)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(dāng)中它的泄漏、擴(kuò)散、爆炸的特點(diǎn)，就要加強(qiáng)這方面的研究。在加強(qiáng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)方面，像美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)  、歐洲壓縮氣體協(xié)會(huì)、歐洲工業(yè)氣體協(xié)會(huì)已經(jīng)發(fā)布了氫氣管道相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

我們國(guó)內(nèi)到目前為止還沒(méi)有完整的氫能管道輸送的標(biāo)準(zhǔn)，只是在一些相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)里面也對(duì)管道作了一些規(guī)范。

三、面臨挑戰(zhàn)

要實(shí)現(xiàn)氫氣或者摻氫天然氣管道的安全可靠運(yùn)輸，未來(lái)面臨著不小的挑戰(zhàn)。首先，在機(jī)制研究上，這個(gè)氫是怎么樣傾注到材料里面的，特別是多組份的時(shí)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(qiáng)相關(guān)的研究。另外，現(xiàn)在的零氫環(huán)境當(dāng)中材料的性能數(shù)據(jù)奇缺。

在氫環(huán)境當(dāng)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(gè)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(duì)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(duì)它影響。

因此，氫在自然界的條件下面，我們很難去說(shuō)某一種材料它是不是絕對(duì)適應(yīng)用某一個(gè)環(huán)境，因?yàn)樗?/span>4個(gè)因素綜合起來(lái)，來(lái)規(guī)定出它的使用條件。正因?yàn)檫@樣，要繼續(xù)加強(qiáng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的研究。這個(gè)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(gè)層面開(kāi)展相關(guān)的工作。最近修訂好的美國(guó)的管道標(biāo)準(zhǔn)，它的前言里面也提到，隨著對(duì)氫脆的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)以及數(shù)據(jù)的積累，將對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行完善和修改，說(shuō)明這是一個(gè)全球性的問(wèn)題。

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

在相關(guān)裝備國(guó)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(jì)。如果要實(shí)現(xiàn)管道輸送，它的一個(gè)重要特征是流量大，那就需要大流量的壓縮機(jī)，還包括氫氣計(jì)量的設(shè)備閥門(mén)、儀表等等。

再一個(gè)挑戰(zhàn)是標(biāo)準(zhǔn)。我們需要加快來(lái)制定純氫管道以及摻氫管道的標(biāo)準(zhǔn)，包括零氫材料，我的材料怎么樣來(lái)篩選，能夠給出一個(gè)材料選用的指導(dǎo)性文件，氫能管道的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行、維護(hù)，管道里面涉及到密封、管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、定期檢驗(yàn)等等。因此，要實(shí)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)，需要各位同仁我們一起來(lái)努力，一起推進(jìn)相關(guān)技術(shù)進(jìn)步。