1.1 國外氫氣管道現狀

國外氫氣管道建設相對比較成熟，其中美國氫氣管道規模最大，總里程超過2700公里，在墨西哥灣沿岸建有全球最大的氫氣供應管網，全長約965公里，連接22個化工企業，輸氫量達到150×104Nm³/h。歐洲也已建成超過 1500 公里的輸氫管道，管道運行壓力基本在5MPa以下，管徑在100mm～500mm之間，負責將氫氣從上游供應商輸送至下游工業用戶，用作工業原料。國外典型氫氣管道統計情況見表1。

1.2 國內氫氣管道現狀

國內氫氣管道建設起步較晚，目前已建或在建的氫氣輸送管道總里程約 100km，包括金陵-揚子氫氣管道、巴陵-長嶺氫氣提純及輸送管線、濟源 -洛陽氫氣管道、玉門油田輸氫管道等。國內典型氫氣管道統計情況見表 2。

2.1 標準規范

國外氫氣管道標準體系相對比較成熟，已頒布的標準規范包括美國機械工程師協會編制的 ASMEB31.12-2019 Hydrogen Piping and Pipe-lines（《 氫氣管道系統和管道》）、美國壓縮氣體協會編制的 CGA G-5.6—2005（R2013）Hydrogen PipelineSystems（《氫氣管道系統》）等，可用于指導氫氣輸送管道的設計、施工、運行及維護。

國內氫氣管道標準體系尚不完善，更缺少氫氣長輸管道標準。目前，國內氫氣管道設計主要參考 ASME B31.12-2019 Hydrogen Piping and Pipe-lines、GB50251-2015《輸氣管道工程設計規范》及國內其它氫氣管道相關標準規范。國內與氫氣管道相關的標準規范主要包括 GB 50177-2005《氫氣站設計規范》、GB 4962-2008《氫氣使用安全技術規程》、GB/T 34542《氫氣儲存輸送系統》等。

《氫氣站設計規范》（GB 50177）適用于氫氣站、供氫站及廠區內部的氫氣管道設計。《氫氣使用安全技術規程》（GB 4962）適用于氣態氫生產后的地面作業場所。以上兩項標準均不適用于氫氣長輸管道。

《氫氣儲存輸送系統》（GB/T 34542）適用于工作壓力不大于140MPa，環境溫度不低于-40℃且不高于65℃的氫氣儲存系統、氫氣輸送系統、氫氣壓縮系統、氫氣充裝系統及其組合系統，共包含 8個部分：第1部分 通用要求；第2部分 金屬材料與氫環境相容性試驗方法；第3部分 金屬材料氫脆敏感度試驗方法；第4部分 氫氣儲存系統技術要求；第5部分 氫氣輸送系統技術要求；第 6部分 氫氣壓縮系統技術要求；第 7 部分 氫氣充裝系統技術要求；第8部分 防火防爆術要求。其中，第1～3部分已經正式實施，第4～8部分還在起草中。

2.2 工程設計

目前國內已建的幾條氫氣管道，運行壓力均低于4MPa，鋼級基本為 L245 或同等級別，且管道長度較短（小于50公里），通常為“一站到底”的模式（僅設置首末站，中間無增壓站）。有的氫氣管道目前已運行多年，未發生安全事故。因此，低壓力、低鋼級、短距離的氫氣管道在工程設計方面已經沒有太大的技術壁壘。對標國外氫氣管道建設，國內氫氣管道在高壓力、高鋼級等技術指標方面存在差距。目前國外已大規模應用 X42、X52 鋼級輸氫管道，同時歐美國家也已經開展了提高運行壓力的相關研究。我國對于高壓力、大口徑（高鋼級）、長距離氫氣管道輸送技術研究仍處于起步階段，尚未對關鍵技術進行系統的研究。

氫氣輸送與天然氣輸送類似。但是與天然氣相比，氫氣分子量小、易引發材料氫脆、易泄漏、具有更低的點火能和更寬的爆炸極限，因此氫氣管道輸送較天然氣管道輸送危險性更高。氫氣管道設計區別于天然氣管道主要體現在以下幾個方面：

1）管材

氫氣易導致材料氫脆，主要失效形式包括氫致開裂、氫鼓泡、機械性能劣化等，以上特性使氫氣管道管材選擇與天然氣管道相比更加嚴格。氫氣管道運行壓力越高、材料強度越高，氫脆現象就越明顯。所以目前國內外氫氣管道運行壓力基本在5MPa 以下，且優先選擇 X52 及以下的低鋼級鋼管。參考 ASME B31.12-2019，氫氣管道壁厚計算公式與天然氣相比增加了“材料性能系數”，鋼管計算壁厚會相對增大，有利于增加氫氣長輸管道的安全性。另外，考慮氫脆對焊縫區域的影響，氫氣管道用鋼管一般選擇無縫鋼管、高頻電阻焊管或直縫埋弧焊管，不建議使用螺旋埋弧焊管。

2）壓縮機

氫氣管道用壓縮機基于輸量、壓比、壓縮效率等因素考慮，一般采用往復式壓縮機。由于氫氣分子量小，往復式壓縮機比離心式壓縮機更高效。國內往復式壓縮機單機功率一般在 10MW 以下，制造技術比較成熟，主要應用業績為石化等工業領域。國外往復式氫氣壓縮機功率等級更高，部分廠家最大單機功率可達 33MW。隨著輸氫技術的進步和氫氣管道規模的擴大，大排量高功率的氫氣壓縮機將成為未來的發展趨勢。

3）閥門及其它機械設備

氫氣管道閥門選型與天然氣管道類似，主要閥門類型包括球閥、截止閥等。兩者的主要區別在于閥門材質的選擇。GB 50177-2005《氫氣站設計規范》中對閥門選材做出了規定，具體如下。

其它機械設備如過濾器、收發球筒等與天然氣管道類似，但臨氫環境對材質、焊接、檢驗等方面的要求更高，導致設備造價較天然氣管道更高。

4）碳鋼中氫氣最大流速限制

GB 50177-2005《氫氣站設計規范》中對站內及廠間氫氣管道的流速作出了規定，設計壓力 3MPa以上的碳素鋼管中氫氣最大流速不超過 10m/s。國內已建輸氫管道大多參考該規范選擇了較為保守的氫氣流速，大規模氫氣管道還缺乏應用實踐，經濟流速尚有待探討。相關研究認為，該流速限定對小管徑小輸量適用，但在大管徑規模化氫氣輸送場景下則偏保守，建議適當提高氫氣的管內流速，有利于減小管徑，降低建設投資。

5）最小覆土層厚度及最小間距

ASME B31.12-2019 Hydrogen Piping and Pipe-lines 中對管道最小覆土層厚度和管道與其它地下管道及建構筑物的最小間距做出了規定（詳見表4），比天然氣管道（GB50251-2015《輸氣管道工程設計規范》中規定）數值更大，有利于避免第三方破壞。

6）預防氫氣積聚

氫氣在 PE 管和鋼管中的擴散系數遠高于天然氣，易造成泄露。但氫氣在空氣中的擴散系數也遠大于天然氣，在開放空間不容易造成擴散后的聚集。但是對于相對密閉的空間，為防止氫氣積聚，需要采取通風措施。參考 GB 4962-2008《氫氣使用安全技術規程》中要求，機械通風的建筑物進風口宜設置在建筑物下方，排風口設在上方，使氫氣使用區域通風良好，保證空氣中氫氣最高含量不超過1%（體積）。另外，氫氣站場一般盡量避免管道或設備處于密閉空間，例如氫氣壓縮機廠房經常設置為有棚無墻式結構。

7）預防遇明火爆炸

由于氫氣爆炸范圍廣，點火能量小，具有較高的自燃概率，因此氫氣放空管的管口處通常設阻火設施，接至用氫設備的支管一般設切斷閥，有明火的用氫設備通常設阻火設施。

2.3 建設、驗收、運營

鑒于氫氣管道較天然氣管道危險性更高，所以在建設、驗收、運行等方面要求更為嚴格。

（1）建設

需要確保管線、管件、設備及其它管道附件的質量（例如 管道內、外表面無銹蝕、損傷，閥門、法蘭等的密封性能、設備安全可靠等）；選擇合理的焊材及焊接方式（例如 碳鋼管道可采用氬弧焊打底、低氫型焊條，手工焊焊接方式等），保證每道焊縫質量；嚴格進行焊接檢驗（例如 采用 100%的射線照相檢驗，再用超聲波探傷儀對所選取的焊縫全周長進行 100% 復驗）；嚴格把控施工質量，施工人員考核合格后方準上崗，杜絕粗暴施工造成管道破壞；充分發揮監理的現場監查、信息掌握記錄、檢查督促施工質量及落實安全措施等職責；可參照智能管道建設進行設計、采辦、施工、運行數據采集及智能化管理。

（2）驗收

在參照天然氣管道驗收的基礎上，可結合氫氣管道失效分析及定性定量風險評價，進行氫氣管道竣工驗收。

（3）運營

針對氫氣管道特性，修正、完善完整性管理及事故應急預案；建立健全管道運行管理制度（包括日常巡檢、風險查勘、管道維護、運行監測、完整性管理、事故應急、質量體系完善等），保證管道運行安全。

2.4 建設及輸送成本

氫氣管道建設成本遠高于天然氣管道。以美國為例，現有的一些研究表明，氫氣管道造價為31～ 94萬美元 / 公里，而天然氣管道的造價僅為12.5 ～ 50 萬美元 / 公里，氫氣管道的造價是天然氣管道造價的 2 倍多。氫氣管道輸送成本也高于天然氣管道，除了較高的建設成本外，還受到以下因素的影響：

（1）由于氫脆問題對管道材質和設計壓力帶來的限制，目前國內氫氣管道基本均為低壓力小口徑管道，由此限定了大輸量下的輸送效率。

（2）氫氣體積能量密度低（同等條件下天然氣能量密度約為氫氣的3.3倍），意味著輸送同等能量的氫氣相比天然氣需要更大的管徑和更多壓縮能耗，也就意味著更高的運輸成本。

（3）氫氣流速也是影響運輸成本的一個重要因素。目前國內最大流速選取較為保守，氫氣管道的經濟流速還有待進一步研究。

3.1 標準規范

目前，國內尚沒有專門針對氫氣長輸管道的標準規范用以指導氫氣管道的設計、施工、運行及維護。建議加快完善氫氣管道標準體系的建立，加強標準的實施與監督。

3.2 工程設計

目前，國內對于低壓力、低鋼級、短距離的氫氣管道已有工程實例，在工程設計方面也沒有太大的技術壁壘。但是對于高壓力、大口徑（高鋼級）、長距離氫氣管道方面的研究仍處于起步階段，需要對關鍵技術進行系統的研究。

1）臨氫環境下不同因素對高鋼級管材性能影響的定量分析

包括：管材氫脆機理研究；氫氣管道不同影響因素（材料組分、材料微觀組織、氫氣壓力、溫度、焊縫、環境應力等）對管道氫脆的影響及定量分析；氫氣環境下管材力學性能基礎數據庫（具備條件的情況下，需要建立全尺寸測試裝置，模擬服役狀態下不同因素對氫脆敏感性的影響）；研究預防氫脆的措施（管材的選擇、管材中化學元素的控制或添加、熱處理工藝、阻氫涂層、焊接工藝等）。

2）氫氣管道失效后果及防控措施研究

研究管道失效后果（可通過泄露擴散數值模擬、泄漏噴射火試驗、定量風險評價分析、與天然氣管道設計對比分析等方式），制定相應的防控措施（明確管道影響范圍及防火間距、提出防控管道腐蝕、泄露等危險有害因素的措施）。

3.3 建設、驗收、運營

目前，國內缺少專門針對氫氣管道的完整性管理技術，需要結合臨氫環境的特殊性進行完善和修正。

3.4 建設及輸送成本

氫氣管道建設及輸送成本較高，是制約氫氣管道發展的關鍵因素。未來，成本的下降主要源于技術的進步。采用更先進更經濟的管材，在保證安全的情況下進一步提升輸氫壓力和管內流速，有助于降低輸氫成本。