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氢气长输管道市场增长可期,复合材料企业应重点关注


氢能作为一种零碳高效新能源,在世界能源转型中的应用价值日益凸显,世界主要发达国家近年纷纷出台政策大力支持氢能产业发展,美国、日本、欧盟、澳大利亚、韩国等国家和地区相继制定了氢能发展战略或规划。我国作为世界第一产氢大国,兼具氢能大规模利用的供氢条件与用氢市场,氢能产业发展潜力巨大。根据国家发改委、能源局的发展规划,到2050年,氢能将成为能源结构的重要组成部分。数据显示,中国制氢能力约4100万吨/年,生产量约3342万吨,是全球最大产氢国。

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根据氢的输送距离、用氢要求以及用户的分布情况,高压氢气可以通过氢气管道和长管拖车进行输送,对于输送量大且距离较远的场合,利用管道输送是最为高效的方式。


氢气输送管道主要有输氢管道和配氢管道。输氢管道分为两类,一类是用于场( 厂) 区内装置间或者系统内输送氢气,如企业场( 厂) 区内输氢管道、工业氢能园区内输氢管道、加氢站内输氢管道、车载供氢系统管道等,其特点是管道压力高、直径小,一般采用压力管路用管或者仪表管,压力等级为44.8 MPa(6500 psi),46.2 MPa(6700 psi),103.5 MPa(15000 psi),137.9MPa(20000 psi)等,管道直径为6.35 mm(1/4″),9.5 mm(3/8″),12.7mm(1/2″),14.28mm(9/16″),25.4mm(1″)等;另一类用于大规模、长距离输送氢气(掺氢天然气) 的长输管道,管道设计压力2.0~20.0 MPa,直径300~1000 mm。从材料上看,输氢管道一般分为钢制输氢压力管道和复合材料输氢压力管道。


配氢管道一般用于小规模、短距离输送氢气,输氢对象为小规模用户( 如民用氢能园区内连接供氢站和用户间的管道) ,其特点是管道压力较低、直径较小。从材料上看,配氢管道一般分为钢制配氢压力管道和非金属配氢压力管道。


氢气长输管道的许多规范和标准与天然气长输管道相似,但由于两种气体物理性质差异较大,因此规范和标准还存在一些不同之处,不能直接采用天然气长输管道标准规范进行设计、建设等。


国内关于氢气管道的标准有GB 50177《氢气站设计规范》、GB 4962《氢气使用安全技术规程》。GB 50177 适用于新建、改建、扩建的氢气站、 供氢站及厂区和车间的氢气管道设计。GB 4962规定了气态氢在使用、置换、储存、压缩与充(灌)装、排放过程以及消防与紧急情况处理、安全防护方面的安全技术要求,适用于气态氢生产后地面上各作业场所,不适用于液态氢、水上气态氢、航空用氢场所及车上供氢系统,氢气生产中的相应环节可参照执行。上述两个标准均不适用于埋地氢气长输管道,所以目前国内尚无针对氢气长输管道的标准体系。


国外适用于氢气长输管道的标准有美国机械工程师协会编制的ASME B31.12—2014《氢用管道系统和管道》、欧洲压缩气体协会的CGA G-5.6—2005(R2013)《氢气管道系统》和亚洲工业气体协会的AIGA 033/14《氢气管道系统》。ASME B31.12适用于将氢气从制造厂输送到使用地的长输管道、分输管道和服务管线,不适用于按照ASME锅炉和压力容器准则设计和制造的压力容器、温度高于450℉或低于-80℉的管道系统、压力超过3000 psi(1 psi=6894.76 Pa)的管道系统、水气含量大于20 mg/L 的管道系统以及氢的体积分数小于10%的管道系统。AIGA 033/14 和 CGA G-5.6 内容基本一致,不过 CGA G-5.6 因为在2013年修订过,所以部分章节内容更加详细。两者适用于纯氢及氢混合物的输送和配送系统,仅限于气态产品,温度范围在-40~175℃之间,总压力为1~21 MPa或不锈钢材质的H2压力高于0.2MPa。这两个标准由国际标准化组织成员协会(ICI)在欧洲工业气体协会(EIGA)的领导下编写,旨在供国际协调委员会所有成员在世界范围内使用和参考。

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与天然气环境相比,金属材料长期工作在氢环境下会造成力学性能的劣化,称为环境氢脆。金属材料的高压氢脆性能的主要研究方法是进行氢环境原位试验,即将材料直接置于氢环境中进行试验,试验类型主要包括慢应变速率拉伸试验、断裂韧性试验、裂纹扩展速率试验、疲劳寿命试验和圆盘压力试验等。


由于环境氢脆的影响,氢气管道用材在合金元素、钢级、管型、操作压力等方面与天然气管道相比存在一定的限制范围。ASME B31.8—2018中规定的天然气管道可用材料包括APISPEC5L中所有钢管,但在实际工程中,为减小管道壁厚,一般优先选择高强度钢管,常用管型有直缝埋弧焊管(SAWL)、螺旋缝埋弧焊管(SAWH)、高频电阻焊管(HFW)及无缝钢管(SMLS)。在氢气管道中,由于氢环境的存在会诱导管道发生氢脆,进而有可能引发管道失效,而钢管成型工艺、焊缝质量、缺陷大小、钢材强度等因素都会影响其失效概率。


合金元素如C,Mn,S,P,Cr等会增强低合金钢的氢脆敏感性。同时,氢气压力越高、材料的强度越高,氢脆和氢致开裂现象就越明显,因此,在实际工程中,氢气管道用钢管优先选择低钢级钢管。ASME B31.12—2014中推荐采用X42,X52钢管,同时规定必须考虑氢脆、低温性能转变、超低温性能转变等问题。


气氢长距离管输已有80余年历史,美欧是世界上最早发展氢气管网的地区。随着氢能产业的规模化发展,氢气输送管道规模越来越大。据统计,全球范围内氢气输送管道总里程不到5000公里。美国氢气管道规模最大,总里程达2700多公里,最大运行压力5.5~10.3MPa,基本采用低碳钢。加拿大氢气输送管道长度约150公里。在全球现有氢气管道管网系统的其他地区包括日本、韩国、越南、澳大利亚、荷兰、巴西、泰国、印度尼西亚、南非等,这些地区的氢气管道系统总长度大约为190公里。


全球范围内输氢管道的数量加起来不到5000公里,与油气管道相比,是几个数量级的差别。成本是制约长距离输氢管道发展的一个重要因素。由于氢气自身体积能量密度小、容易对管材产生“氢脆”现象,其管道运输成本往往大于同能量流率下天然气管道运输的成本。目前,氢气长输管道的造价约为63万美元/公里,而天然气管道的造价仅为25万美元/公里左右,氢气管道的造价约为天然气管道的2.5倍。


高昂的投资成本构成了扩展氢气管道输送基础设施的主要障碍。当今的研究重点是克服与管道传输有关的技术和成本问题,包括氢使钢和用于制造管道的焊缝变脆的可能性(氢脆);控制氢渗透和泄漏的需求(小分子特性);需要更低成本,更可靠和更耐用的氢气压缩技术。

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为降低氢气管道的材料成本,美国橡树岭国家实验室和萨凡纳河国家实验室开展了高压氢气条件下纤维复合材料的爆破压力、材料在氢环境下的相容性、裂纹容差、泄漏率和抗疲劳性等材料性能评估工作,美国能源部燃料电池技术工作组开展了纤维复合材料的标准化工作。2016年,ASME B31.12将纤维复合材料纳入标准,规定其最大服役压力不超过17MPa。


我国氢气输送系统建设较为滞后,现有氢气输送管道总里程仅约400公里,氢能基础设施规划建设尚处于初期阶段,在国家层面缺乏系统的顶层设计。不过,国家能源局最新发布的《中华人民共和国能源法(征求意见稿)》(2020年)明确将氢能纳入能源种类,预示着氢能产业发展迈出了重要一步,随之而来的国家配套法律、规划、政策等将成为氢能产业发展的重中之重。


随着氢能的发展,输氢管道的需求量预计会在未来几十年出现大幅增长。按照《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》预计,到2030年,我国氢气管道将达到3000公里。复合材料行业企业应对此给予高度关注,提前布局,捕捉商机。


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