管道輸氫運(yùn)輸成本低、能耗小，可實現(xiàn)氫能連續(xù)性、規(guī)模化、長距離輸送，是未來氫能大規(guī)模利用的必然發(fā)展趨勢。氫氣管道輸送距今已有80余年歷史，早在1938年，德國建造了世界上第一條氫氣管道，全長約215km，外徑在150~300mm之間，輸送壓力為2.5MPa。

歐洲純氫管道主要采用X42、X52等低強(qiáng)度管線鋼，管道外徑在300~1000mm之間，輸送壓力較低。在美國，純氫管道運(yùn)行里程已超過2500km，主要采用低強(qiáng)度管線鋼，其中包括ASTM106、API5LB級鋼以及API5LX42、X52鋼。國內(nèi)在氫氣管道建設(shè)方面相較于國外還處于初步發(fā)展階段，目前實際投入運(yùn)行的純氫管道包括金陵-揚(yáng)子氫氣管道、巴陵-長嶺氫氣管道、濟(jì)源-洛陽氫氣管道等，均采用低強(qiáng)度管線鋼制造，設(shè)計壓力控制在4MPa以內(nèi)，主要管道材料以20鋼和L245為主。ASMEB31.12中將可用于氫氣長輸管道的材料分為兩大類，分別是ASTM系列和API系列，詳見表1。

此外，該標(biāo)準(zhǔn)還指出氫脆現(xiàn)象對材料的強(qiáng)度十分敏感，強(qiáng)度越高、氫脆越嚴(yán)重，所以在選擇材料時，不僅要對材料的屈服強(qiáng)度最低值提出要求，還要對材料的屈服強(qiáng)度上限值加以要求。ASMEB31.12結(jié)合歐美地區(qū)已建氫氣長輸管道20多年的安全運(yùn)營情況，推薦選用ASTMA106GradeB、ASTMA53GradeB、API5LX42和API5LX52等鋼級。

表1　氫氣長輸管道材料分類匯總

對于輸氫管道而言，由于管材與氫氣長期接觸，氫會侵入到管材內(nèi)部，導(dǎo)致管材性能出現(xiàn)損減、斷裂韌性下降。管線鋼氫脆敏感性與微觀組織、合金成分、強(qiáng)度等因素密不可分，同時還受溫度、應(yīng)力載荷、氫分壓、氣體成分等外部環(huán)境影響，且相互存在耦合作用。

綠氫管道具有氫氣純度高、距離長、外部環(huán)境變化復(fù)雜、輸送壓力升高等特點，導(dǎo)致管材脆性斷裂或疲勞失效風(fēng)險提升。程玉峰提出管道氫致開裂的發(fā)生過程主要包括6個步驟，分別是氫原子產(chǎn)生、氫原子吸附在管線鋼表面、氫原子被吸收進(jìn)入管線鋼內(nèi)、氫原子在鋼中晶格點陣中擴(kuò)散、氫原子的局部聚集以及氫致裂紋的引發(fā)。如圖1所示，在高壓臨氫環(huán)境中，氫分子易吸附于管線鋼表面，并在特定位點發(fā)生解離生成氫原子，滲透侵入金屬材料內(nèi)部。氫原子尺寸小，能夠在晶格點陣中自由擴(kuò)散，這也是導(dǎo)致金屬 （包括管線鋼） 發(fā)生脆化的直接原因。

管線鋼與其他金屬相同，含有各種類型的缺陷，如位錯、晶界、相界、夾雜物、二次相顆粒等，這些缺陷可作為“氫陷阱”捕獲氫原子，當(dāng)氫陷阱處集聚的氫原子濃度達(dá)到臨界值時，將會引發(fā)氫致裂紋，嚴(yán)重威脅管道運(yùn)行安全。綠氫長輸管道跨區(qū)域多，服役性能易受環(huán)境溫度、雜散電流等影響，特別是氫吸附位點、吸附能、解離能及氫侵入速率、侵入量、遷移能等受環(huán)境影響機(jī)制復(fù)雜。為提高運(yùn)輸效率同時降低成本，未來綠氫管道設(shè)計壓力將進(jìn)一步提高，從而對輸氫管道的強(qiáng)度和抗氫脆性能提出更高要求。

管線鋼氫脆程度普遍隨強(qiáng)度增加而升高，而材料組織和制造工藝 （焊接等） 與氫脆敏感性密切相關(guān)，如焊接過程中產(chǎn)生熱效應(yīng)和應(yīng)力集中會影響焊接接頭處的微觀組織和力學(xué)性能，而由于冷速不均勻，可能產(chǎn)生馬氏體組織，帶來的偏析、帶狀組織和高硬度均有利于氫脆發(fā)生。Lee等的研究表明，若熱影響區(qū)存在M/A 組元、帶狀鐵素體/珠光體、上貝氏體和粗大魏氏體等大量氫敏感組織，加之殘余應(yīng)力等多重因素耦合影響，焊接接頭可能成為氫致開裂的薄弱環(huán)節(jié)。因此，綠氫管道若長時間受到腐蝕、沖刷、老化、氫脆等影響或管道本身存在裂紋、加工不良、選材不當(dāng)?shù)茸陨砣毕輹r，易在薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生破裂失效。

此外，長距離輸氫管道可能存在于穿越隧道等特殊場景中，經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，隧道內(nèi)外溫差可能導(dǎo)致管道發(fā)生變形，若疊加焊接殘余應(yīng)力、氫脆等不利因素，將增大管道的失效風(fēng)險。因此，輸氫管道應(yīng)選用抗氫脆性能良好的管道材料及相應(yīng)的焊接材料及工藝，提高管道本體性能，同時還要根據(jù)具體服役環(huán)境制定合理的設(shè)計方案，減少變形及應(yīng)力集中現(xiàn)象。除此之外，還要關(guān)注管路中相關(guān)設(shè)備對氫氣的適應(yīng)性，包括壓縮機(jī)、閥門及密封接頭等。

圖1　氫氣在鐵表面解離吸附影響因素圖