鄭津洋 中國工程院院士、浙江大學教授、浙江大學能源工程學院副院長、高壓過程裝備與安全教育部工程研究中心主任

各位同行下午好，很高興有這個機會參加這個會議，我跟大家匯報一下氫能管道輸送技術發展現狀和挑戰。我將從三個方面：研究背景、發展現狀、面臨挑戰跟大家進行匯報。

一、研究背景

我們知道，氫能是能源轉型升級的重要方向，也是實現碳中和目標的重要途徑。在整個氫的產業鏈當中，安全、高效的輸送是產業鏈的重要組成部分。氫的輸送有很多技術，像長罐拖車、液氫槽車、管道，這些方法進行綜合比較，我們發現管道的輸送它具有運輸體量大、距離遠、能耗損失低這樣的特點，有望實現氫能經濟規模的長距離輸送。

要實現輸送，就需要用到管道。這個管道它廣泛應用于加氫站、燃料電池汽車、工業廠區等場景，還有一類就是利用新建的天然氣管網實現摻氫輸送，把氫摻到天然氣里邊再進行輸送。這些管道也有它的特點，一個是種類多。我們可以把管道分成為工業管道、長輸管道、公用管道和專用管道。

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。這樣一個需求就產生了兩個問題，一個問題用在役的天然氣管網能不能夠用來輸送氫氣？因為我們現在全國已經有大量的在用管道，像長輸管道我們國家的量已經超過4200公里，量很大，如果能夠用現有的管道進行輸送，我們可以節省大量的投資，提高基礎設施的利用率。另外一個問題，如果用新建的氫氣管道，新建的氫氣管道它應該滿足哪些技術條件？從材料的角度、設計制造、運行維護這些方面應該怎樣來提出針對性的要求？

二、發展現狀

我們首先來看一下管道的建設現狀。據統計，全球范圍內氫氣輸送管道已經超過4600公里，這些管道主要是由氫氣的生產商來運行。管道最多的國家是美國，它的總里程已經達到2700多公里，最高運行壓力到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，國外也開展了持續的研究，最早可以追溯到荷蘭，從2001年就開始開展相關的研究，歐盟德國、法國、英國這些國家都開展了相關的研究。

從國內來看，我們在工業管道、專用管道方面現在積累了比較豐富的經驗，工業管道主要應用在冶金、電子、建材、電力、化工等行業，現在有幾百家企業企業內部用的管道已經企業之間氫氣輸送用的管道。對于專用的管道，這些年發展最快的是跟氫燃料電池汽車關聯的，像氫燃料電池汽車我們現在運行的已經有8000多輛，每一輛車上都有供氫的管道。加氫站現在已建的200多座，在建的70多座，需要大量的專用管道。在摻氫天然氣管道方面，我們起步要遲一些?，F在主要在用的國電投在潮陽市開展了產氫方面的一些工作。

我們看一下技術的進展。

首先，管材與氫以及摻氫天然氣的相融性。因為材料與氫氣長期接觸，氫會侵入到材料內部，導致金屬材料出現損減、裂紋擴張速度加快和斷裂韌性的下降。大家看這個圖，這是兩根試驗的斷口，這個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，這個斷口杯錐狀的是典型的韌性斷裂；左邊這個是同樣的材料，在87.5兆帕的氫氣當中，就發生了脆性斷裂。對于疲勞壽命，由于氫氣的存在，它的速度會加快，疲勞壽命縮短，擴張速裂加快，導致材料的氫脆。

對于氫脆的研究，國內外非常值得重視。作為試驗研究的時候，我們希望能夠獲得材料在真實氣體環境當中的性能。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造上，也采取了不同的技術路線。

對于純氫，我們就利用純氫的環境開展試驗，對于摻氫的天然氣，它有的利用氮氣來代替天然氣，用氮氣里面摻氫來代替天然氣摻氫。還有一種，我利用真實的天然氣摻氫開展相關的研究。研究發現，在天然氣管網運行的工況下面，摻氫對我們現在常用的材料X70、X80、X52，對它的抗拉強度影響是不大的，但是會導致材料的韌性斷裂性能和疲勞性能下降。

這個性能的下降會導致材料對缺陷的敏感性加大。如果有同樣的缺陷，在同樣的工況下面，就有可能導致管道使用壽命下降。對于摻氫的天然氣，我們研究發現，因為摻氫天然氣是一種混合物，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，它會產生什么？有的組份會加劇材料的裂縫，有的會延遲或者阻礙材料的裂縫，這就需要去研究不同的組份對性能裂化的影響。

這里舉一個例子，像天然氣中的二氧化碳，如果和氫氣一起發生協同作用，來促進像碳素鋼、二碳化鋼這樣的材料，其疲勞裂紋擴張速率比在氫氣當中的還要加快。因此，對于摻氫天然氣，現在世界上面臨的問題是什么？現在都在通過一個一個案例來研究，但是還沒有找到一種普世性的可推廣、可復制的技術，它的難點就在這里，因為它是一種混合物，我們需要去研究各種組份的情況下面對它影響最大的條件是什么，我們怎么樣來獲得對材料性能影響最大的工況。 

同樣，氫氣還會對廢金屬的性能產生影響，主要是輕損傷和氫的滲漏，因為氫分子很小，有可能通過廢金屬來滲漏。除了材料之外，我們還要關注設備對氫氣或者摻氫天然氣的適應性。管路里邊的設備又涉及到壓縮機、加氣機、閥門、密封接頭等等，這些設備對氫氣或者摻氫天然氣的適應性如何，也是需要加強研究的方向。

第三個是管道運行安全保障。由于氫氣分子小，容易泄漏，而漏出來以后又跑得快，這就需要研究摻了氫以后或者在氫氣環境當中它的泄漏、擴散、爆炸的特點，就要加強這方面的研究。在加強規范標準方面，像美國機械工程師學會  、歐洲壓縮氣體協會、歐洲工業氣體協會已經發布了氫氣管道相關的標準。

我們國內到目前為止還沒有完整的氫能管道輸送的標準，只是在一些相關的標準里給出要求，像氫氣輸送系統的第一部分、第二部分、第三部分以及今年剛剛修訂的5051650156加氫站的標準里面也對管道作了一些規范。

三、面臨挑戰

要實現氫氣或者摻氫天然氣管道的安全可靠運輸，未來面臨著不小的挑戰。首先，在機制研究上，這個氫是怎么樣傾注到材料里面的，特別是多組份的時候，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構之間又是什么樣的關系，表面到內部、微觀到宏觀都要加強相關的研究。另外，現在的零氫環境當中材料的性能數據奇缺。

在氫環境當中，材料的性能除了跟材料本身的化學成分、綠色性能和微觀組織相關以外，還跟3個因素有關：第一是環境，第二是應力，第三是制造。熱環境里面，像氫氣的分壓、氫氣的純度、環境的溫度對材料性能要發生影響；制造里面，熱處理的工藝、焊接的工藝、成型的方法，也要對它影響。

因此，氫在自然界的條件下面，我們很難去說某一種材料它是不是絕對適應用某一個環境，因為它要把4個因素綜合起來，來規定出它的使用條件。正因為這樣，要繼續加強基礎數據的研究。這個基礎數據里面除了材料以外，還有零部件，系統需要從材料、零部件、系統三個層面開展相關的工作。最近修訂好的美國的管道標準，它的前言里面也提到，隨著對氫脆的進一步認識以及數據的積累，將對標準中的有關數據進行完善和修改，說明這是一個全球性的問題。

在關鍵技術上面，也需要進行攻克，包括低成本、高強度的抗氫脆材料、高性能的氫能管道的設計制造技術、氫能管道的運行和控制技術以及應急和維護的技術。

在相關裝備國產化方面，我們也面臨著不小的挑戰，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濟。如果要實現管道輸送，它的一個重要特征是流量大，那就需要大流量的壓縮機，還包括氫氣計量的設備閥門、儀表等等。

再一個挑戰是標準。我們需要加快來制定純氫管道以及摻氫管道的標準，包括零氫材料，我的材料怎么樣來篩選，能夠給出一個材料選用的指導性文件，氫能管道的設計、建造、運行、維護，管道里面涉及到密封、管道風險評估、定期檢驗等等。因此，要實現穩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，需要各位同仁我們一起來努力，一起推進相關技術進步。