氫脆問題的研究和預(yù)防是我國未來大規(guī)模推進(jìn)管道輸氫技術(shù)的前提條件，必須引起高度重視。
▲中國石化濟(jì)源—洛陽氫氣管道
日前，中石化400多公里“西氫東送”輸氫管道示范工程被納入國家規(guī)劃，中石油天然氣管道摻氫輸送技術(shù)也取得新突破。這些進(jìn)展均對我國解決氫能供需異地矛盾、推動氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展具有重要意義。與此同時(shí)，輸氫管道的運(yùn)行安全問題也成為大家普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。
據(jù)記者了解，與天然氣不同，氫由于特殊的性質(zhì)，可能進(jìn)入到金屬內(nèi)部與金屬基體發(fā)生交互作用，引起管道材料韌性下降進(jìn)而發(fā)生脆斷或開裂，即所謂的“氫脆”現(xiàn)象，成為影響輸氫管道安全運(yùn)行的最大風(fēng)險(xiǎn)之一。在多位業(yè)內(nèi)人士看來，氫脆問題的研究和預(yù)防是我國未來大規(guī)模推進(jìn)管道輸氫技術(shù)的前提條件，必須引起高度重視。
氫脆發(fā)生機(jī)理尚不明確
“氫脆問題的研究已經(jīng)有很多年了，但一直沒有研究清楚。”中國石油大學(xué)（華東）儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院副教授劉翠偉告訴記者，“我們說的氫脆一般都是針對金屬管道，氫要進(jìn)入金屬管道，首先得由氫分子解離成氫原子。氫分子具體怎么解離成氫原子，氫原子怎么進(jìn)入管材，進(jìn)入管材之后怎么在管材內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，這個(gè)過程目前無法進(jìn)行有效觀測。”
據(jù)了解，目前國內(nèi)外對于氫脆問題的研究，都是通過宏觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象去解釋其中的原理，因此，研究人員提出不同的解釋理論或觀點(diǎn)。
“目前對于氫脆機(jī)理的研究仍存在一定的片面性和淺層性，并沒有一套完整的理論能夠解釋所有的氫脆現(xiàn)象，從而從根本上規(guī)避氫脆現(xiàn)象的發(fā)生。”中國石油大學(xué)（華東） 新能源學(xué)院副教授齊建濤等撰文指出。
機(jī)理不清，但氫對管材的脆裂作用卻真實(shí)存在。
“管道材料表面在局部應(yīng)力條件下會產(chǎn)生局部變形，表面就會有局部活化，氫分子在活化的表面可以解離成氫原子進(jìn)入到材料內(nèi)部，進(jìn)而導(dǎo)致材料的變形或破壞。”中國科學(xué)院金屬研究所專家王儉秋對記者表示，“這也和管材有關(guān)。有觀點(diǎn)認(rèn)為在一般的輸氫碳鋼管道中沒有氫脆，因?yàn)闅浜芸炀湍軘U(kuò)散出去，但我們的研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)室模擬應(yīng)力腐蝕條件下，即使在碳鋼里，也同樣發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部有脆性開裂現(xiàn)象。”
劉翠偉也對此表達(dá)了類似看法：“我們在實(shí)驗(yàn)室4MPa管道壓力下，摻氫比由10%提高到100%，都觀察到了氫氣的解離、滲透、吸附、擴(kuò)散現(xiàn)象。要產(chǎn)生氫脆，氫的解離必須發(fā)生，先解離成氫原子，再吸收進(jìn)內(nèi)表面，在內(nèi)部擴(kuò)散，最后發(fā)生氫脆。”
優(yōu)化工藝可延緩氫脆的發(fā)生
雖然目前尚不能從根本上規(guī)避氫脆的發(fā)生，但可根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)研究總結(jié)出關(guān)于氫脆現(xiàn)象的影響因素，以盡量減輕氫脆所帶來的危害。
據(jù)介紹，輸氫管道所處的狀態(tài)不同，發(fā)生氫脆的風(fēng)險(xiǎn)也不同。一般情況下，發(fā)生氫脆的風(fēng)險(xiǎn)與輸送壓力、摻氫比例、選用的管材強(qiáng)度以及管道運(yùn)行時(shí)間等因素有關(guān)。
“輸送壓力越高風(fēng)險(xiǎn)越高，摻氫比越高風(fēng)險(xiǎn)也越高。”王儉秋指出，“通過工藝的改變，可延緩氫脆的發(fā)生。一是從選材角度，可以選擇耐氫脆的管道；比如，相對低壓的城市管網(wǎng)，都是低強(qiáng)的材料，對氫沒那么敏感，風(fēng)險(xiǎn)相對小。另外，已經(jīng)服役多年的管道肯定比新建管道風(fēng)險(xiǎn)大。應(yīng)該針對已服役管道進(jìn)行安全性、相容性評價(jià)，不能閉著眼睛干。起初可能風(fēng)險(xiǎn)很小，但在運(yùn)行過程中我們應(yīng)該知道風(fēng)險(xiǎn)在哪，并且可預(yù)測。”
劉翠偉表示：“針對已經(jīng)運(yùn)行的天然氣管道摻氫，可以先對管線進(jìn)行完整性管理或適應(yīng)性評估，之后，通過降低運(yùn)行壓力或者摻氫比例來減少氫脆發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。”
相較于在役天然氣管道摻氫輸送，新建管道從設(shè)計(jì)階段就可以將氫脆的影響因素考慮進(jìn)去，相對來說可控性更強(qiáng)。
“目前的新建輸氫管道在設(shè)計(jì)階段會考慮氫氣對管材的影響，這也是為什么純氫管道成本比較高。在計(jì)算管徑、壁厚時(shí)，為了規(guī)避氫脆影響，會有材料系數(shù)的考慮，把壁厚設(shè)計(jì)得更大一些，這樣就留出足夠安全裕量。”劉翠偉表示。
相關(guān)研究和實(shí)踐不足
在碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)下，綠氫作為一種綠色低碳能源，是許多企業(yè)重點(diǎn)布局的領(lǐng)域。與此同時(shí)，氫能的發(fā)展，可以很好地解決我國中西部地區(qū)的棄風(fēng)棄光問題。在多位業(yè)內(nèi)人士看來，今后氫能的大規(guī)模發(fā)展是必然的，但目前我國氫能領(lǐng)域的研究，尤其是輸氫管道標(biāo)準(zhǔn)、安全等方面的研究亟需加強(qiáng)。
中國工程院院士鄭津洋表示，氫能管道運(yùn)輸未來主要存在幾個(gè)方面的難關(guān)，首要的就是關(guān)鍵技術(shù)，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)。
據(jù)了解，目前，國內(nèi)企業(yè)正在做抗氫鋼的研發(fā)工作，進(jìn)行高鋼級、大管徑、高壓力的抗氫鋼研發(fā)，以適用于后期新建輸氫管道。中國石化此前也透露，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)正在開展氫能管輸技術(shù)的系統(tǒng)性研發(fā)，通過對管材進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)與應(yīng)用研究，掌握氫環(huán)境下不同鋼級管材及焊接接頭性能的綜合評估與應(yīng)用技術(shù)。
劉翠偉指出：“國外針對這方面的研究，在工程應(yīng)用上已經(jīng)比較多，有摻氫的管線，有天然氣管道改輸氫氣，也有油管線改輸氫氣，都有比較成熟的實(shí)踐。我國目前相關(guān)的研究和實(shí)踐還不足，與國外存在差距。”
“目前，我國針對西氫東送這種長輸管道，已經(jīng)制定了重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目計(jì)劃，研究氫氣和管材的相容性。不過，普遍沒有考慮在役天然氣管道的老化問題。如果要用好西部能源，把現(xiàn)有天然氣管道利用起來肯定是趨勢。我國西氣東輸管道已有年頭，在已經(jīng)老化的管道里輸氫，相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)研究是缺失的，需要先把這些問題研究清楚。”王儉秋指出。
