管道输氢能否突破氢气运输瓶颈技术研究

氢眼探索 2024-08-08

在输氢管道的过程中，上游制取的氢气经过增压站加压后，被送入输氢管道进行长距离输送。当氢气输送至用氢地的氢气储配站后，可以通过调节压力将其引入加氢站。最终，加氢机将氢气注入终端车用储氢瓶。

01 · 管道输氢的经济性

氢能运输当前主要以高压气氢运输为主。高压气氢运输可分为长管拖车和管道输送两种。管道输氢经济性最强，是未来输氢的终极发展方向。

在氢气和加氢站大规模普及之前，纯氢管道的经济性有限，因此天然气掺氢可能成为一种过渡方式。

管道输氢场景及主要装备

来源：《加氢站氢气运输方案比选》

今年4月16日，中石油宣布在宁夏宁德的天然气管道（长397公里）上实现了长距离输氢技术的突破，氢气比例逐步达到24%，整体运行平稳。这一突破将为实现大规模、低成本的远距离氢能运输提供技术支撑。中石油还在内蒙布局建设氢气管道项目，与中石化竞争输氢示范。天然气掺氢领域是目前国内较热的输氢技术，具有可复制性高、应用规模大、储运成本较低的优势，针对天然气管道的低比例掺氢改造增量投资较低。

氢对输氢管道材料的影响主要体现在以下几个方面：

氢腐蚀：氢气在管道中流动时，可能会与金属管道发生反应，导致金属管道内部产生裂纹或穿孔，从而引起氢腐蚀。这种腐蚀会随着时间的推移而逐渐加剧，最终导致管道失效。

此外，选用高强度或耐氢脆的管材，或者采用特殊的焊接工艺来提高管道的密封性和耐久性也是选材的重要考虑因素。同时，还需要定期对管道进行检查和维护，以确保管道的安全运行。

如果输氢管道需要承受较高的压力或温度，或者需要长距离输送氢气，那么可以选择强度更高、耐腐蚀性更强的材料，例如镍合金或者钛合金。这些材料能够满足高压、高温和长距离输送氢气的要求。

◆ 中石油氢能输送项目成功申报:23年1月16日消息，中石油联合14家单位的氢能输送项目成功申报，并将在项目基础上建成纯氢管道实验平台，完成100公里纯氢管网示范及10万户掺氢示范设计工作。

管道运输具有输氢量大、能耗小和成本低等优势，但建造管道的一次性投资成本较大，氢气长输管道的造价大约是天然气管道的2~3倍。目前，美国有2700公里的输氢管道，欧洲有1600公里的输氢管道，而我国仅有400公里的输氢管道。其中，管道运输的成本主要包括管材折旧和维护成本。未来，随着加氢站的大规模建设和发展，管道输氢的优势逐渐显现出来，将成为实现氢能大规模应用的重要基础。

纯氢管网，长距离运输的终极目标

建立纯氢管网输氢是未来大规模集中制氢及长距离运输的终极目标。我国当前氢气管网发展尚不成熟，输氢管道主要分布在环渤海湾、长江三角洲等地。通过监测西气东输氢气管道项目，该项目从内蒙古出发,到达燕山石化,全长400多公里。当管道运力利用率下降时，运输成本会大幅增加。运力利用率较高时，运输成本相对较为经济。例如，当管道运力利用率达到100%时，运输距离由50km增加至500km，运输成本仅从0.8元/kg增加至2.3元/kg，这明显低于气氢拖车、液氢等运输方式的成本。

02 · 天然气掺氢的可行性

将现有的天然气管网改造为纯氢管道或者进行天然气掺氢运输，可以避免输氢管道的高额前期投资，是实现氢气规模化输送的有效途径。截至2021年底，全球天然气管道总里程约为135万公里，而我国天然气管道总长约8.9万公里，已经形成了贯通全国、联通海外的天然气输送系统。因此，对现有天然气管道进行改造或进行天然气掺氢存在较大的可行性。目前，国内外已经有一些实践，但仍需要对管网进行系统性的检测与评估，以确保管道系统的安全和稳定运行。主要包括以下三个方面：

1、钢制天然气管道以及管道系统中所有临氢部分的耐氢问题。

2、零部件（如密封件、压力调节器等）在临氢环境中功能是否正常。

3、氢气是否会影响系统整体的运行。

根据《混氢天然气输氢技术研究进展》，25%混氢天然气管道风险系数如下表所示：

理论上，天然气掺氢体积比在20%以内时，不需要对天然气管道进行改造。然而，实际上掺氢或改造的途径仍存在一些局限性：

1、技术要求高：将氢气与天然气混合需要特殊设备和工艺，成本较大。同时，氢气的储存和运输要求高，存在安全风险。

2、终端应用受影响：氢气与天然气掺混后，燃烧性能会变化，可能影响系统稳定性和可靠性。此外，掺入的氢对天然气汽车的钢制储气罐存在安全影响，而随着氢能应用的推广，钢制储气罐正被耐氢材料储气罐替代。

3、经济压力：虽然一定比例内掺氢不需要改造天然气管道，但超出范围就需要改造或更新管道，带来经济压力。

4、法规限制：部分国家对天然气掺氢比例有限制，如德国上限为10%，法国为6%，意大利为5%，澳大利亚为4%等。这些限制基于对管道系统安全性和稳定性的考虑。

天然气掺氢，未来发展

预计到2030年，氢能市场将超过千亿。根据《内蒙古自治区“十四五”氢能发展规划》，内蒙古的新能源制氢产能将超过330万吨，2025年氢能供给能力达到160万吨/年，其中绿氢占比超过30%。截至2022年，中国的天然气表观消费量为3638亿立方米。假设掺氢比例为20%，那么中国将具备654万吨/年的氢气消纳能力。预计到2030年，通过天然气管道掺氢可以具备消纳氢气1078万吨/年的能力。假设届时氢气价格降低到1.5元/立方米，预计2030年掺氢产业链年产值将达到1800亿元。

目前，氢气运输成本约占总成本的30%～40%，是制约氢气行业发展的主要瓶颈。当运输距离介于150～550km时，管道输氢的运输成本在2.76～10.12CNY/kg，相比长管拖车和液氢槽车，管道输氢的价格优势更为明显。在管道输运发展初期，积极探索天然气掺氢运输对于大规模推广氢气具有积极意义。

03 · 输氢管道的选材

输氢管道，氢对输氢管道材料的影响

氢脆：氢进入金属材料内部易导致材料力学性能下降，管输工况下，由于内外应力综合影响，易出现氢鼓泡、氢致裂纹、延性降低等损伤，大大增加管材失效可能性。

氢脆是氢对金属材料造成的损伤，会导致材料的力学性能下降，严重时甚至可能导致管道破裂或爆炸。

氢气泄漏：由于氢气的分子直径小，密度小，因此在管道中容易发生泄漏。如果管道存在缺陷或密封不良，氢气可能会从管道中泄漏出来，这不仅会影响管道的正常运行，还可能引发安全事故。

输氢管道，选用高强度或耐氢脆管材

影响选材的因素主要有钢管的管型、钢级和热处理状态。

在选择钢管管型时，应优先考虑无缝钢管，以减少氢脆的发生。如果采用焊缝连接的钢管，由于焊缝部分的强度比两端要高，更容易发生氢致失效现象。

在选择钢级时，低强度钢材的疲劳性能通常比高强度钢材更优越。在同样的高压下，低强钢如API SPEC 5L PSL2 X52型号及以下的钢材对氢脆不敏感，更适合作为氢气的输送管道材料。在已有的实例中，ASTM A106 B级、ASTM A53 B级及API SPEC 5L X42和X52(PSL2级)钢管被广泛采用。

热处理状态也是选材的重要因素之一。焊接钢管采用形变热处理工艺，无缝钢管采用淬火和回火组合工艺。形变热处理主要用于焊接钢管，可以获得更高的强度、塑性和韧性；而淬火和回火的组合工艺仅适用于无缝钢管的制造，目前该工艺的成本较高。

对于输氢管道的材料选择，可以根据管道的长度、压力、温度和氢气的纯度等因素进行综合考虑。一般来说，对于中短距离、低压的输氢管道，可以选择钢材、铜材或合金材料。其中，不锈钢管道在输送氢气方面具有独特的优点，主要包括整体性好、耐酸碱腐蚀和氧化腐蚀、适用于输送高纯度氢气等。这使得不锈钢成为氢气输送的首选材料。

04 · 国内的建设情况

输氢管道，建设情况

国内已建氢气输送管道基本上为中石化投资建设运营，与炼化企业相关联。未来随着管道输送氢气压力等级提高和建设规模的增加，氢能输送成本可接近天然气。

◆ 高压高比例掺氢试验取得新进展：23年7月14日，宝鸡钢管公司成功完成国内首次全尺寸螺旋焊管长周期高压高比例掺氢试验，试验各项指标均满足相关技术要求。此次试验采用钢级L415M、直径508mm的螺旋焊管，历经100天的长周期，成功完成了高压6.3Mpa、掺氢比例达到20%的试验。

◆ 高压力多管材管道纯氢试验成功完成:23年6月25日，国内首次高压力纯氢管道试验，在国家管网集团管道断裂控制试验场取得成功。试验中完成了6.3兆帕管道充氢测试和9.45兆帕管道爆破测试，各项结果均达到预期。本次试验是国内首次对输氢非金属管道进行的高压在线测试，也是国内首次对非金属管道进行高压纯氢爆破试验。

◆ 省级输氢管道项目正式点火运营:23年5月，内蒙古科技重大专项“中低压纯氢与掺氢燃气管道输送及其应用关键技术研发”项目管道实验平台部分在通辽隆圣峰甘旗卡门站点火投产。项目中纯氢与掺氢段管道长度4km，管径为D323.9mm，设计压力1.6MPa。此次点火投产，对实现氢能多元化综合利用、天然气掺氢和纯氢多场景应用产生重要的推动作用。

◆ 天然气管道长距离输氢技术突破:23年4月16日，中国石油对外发布消息，用现有天然气管道长距离输送氢气的技术获得了突破。该天然气掺氢管道长397km，掺氢比例已逐步达到24%，在100天的测试运行中整体运行安全稳定。

◆ 首条“西氢东送”管道纳入国家规划:23年4月10日，中国石化宣布“西氢东送”输氢管道示范工程已被纳入《石油天然气“全国一张网”建设实施方案》，标志着国内氢气长距离输送管道进入新发展阶段。该管道全长400多公里，管道一期运力10万吨/年，并预留着50万吨/年的远期提升潜力，是国内首条跨省区、大规模、长距离的纯氢输送管道。

◆ 2.5亿输氢管道项目开工:23年3月26日，湖北省大冶市绿电绿氢制储加用一体化氢能矿场综合建设项目开工仪式举行，项目总投资预计52亿元。该项目拟配套建设多条直径200mm、总长度约50km的输氢管道，计划总投资2.5亿元。

◆ 国内首条掺氢高压输气管道工程动工:23年3月9日，国内首条能够掺入氢气的高压输气管道工程在内蒙古正式动工。该管道全长258公里，干线管道235公里、支线管道23公里，管道设计压力6.3兆帕，全线共有10座阀室和3座场站，最大输气量每年可达12亿立方米，预计年底完工并投产。

◆ 国电投成功开展天然气掺氢入户应用示范:23年2月9日，国电投成功开展天然气掺氢入户应用示范，将“绿氢”混入天然气，通过管道输送至该小区20户居民家中，这也是国内首个面向真实居民用户掺氢天然气入户应用示范。

输氢管道，国内氢气系统相关标准

（1）氢系统安全方面有：GB/T 29729-2013 《氢系统安全的基本要求》、GB 4962-2008《氢气使用安全技术规程》

（2）氢气站和加氢站方面有：GB 50177-2005《氢气站设计规范》，以上标准均不适用于埋地氢气长输管道；

（3）氢气储存输送系统方面有：GB/T 34542《氢气存储输送系统》，该标准包括了8部分，其中GB/T 34542.4~GB/T 34542.8尚未发布。

（3）2023年2月成功申报《氢气储输管道用钢管》的国家标准立项。于2024年2月国内首个氢气储输管道用钢管国家标准正式通过立项批复！

05 · 国外的建设情况

输氢管道，国外建设情况

◆ BP氢气管道项目取得重大进展:23年8月1日，英国石油公司（BP）发布2023年第二季度业绩报告。其报告中宣布，由于美国和阿曼的项目进入概念开发阶段，上半年氢气管道项目取得重大进展，产能达到280万吨/年。

◆ 英国公司用100%氢气对管道进行极限测试:23年6月消息，英国天然气分配公司SGN已经与Oxford Flow合作，以帮助验证现有天然气网络基础设施的氢气适应性。Oxford Flow将提供氢气就绪的天然气压力调节器，用于对管道进行100%的氢气应力测试，以验证英国本地输送系统（LTS）与能源载体的兼容性。

◆ 德国天然气运营商协会公布氢气管网计划:23年6月消息，德国最大的天然气管网运营商FNB公布一项计划：到2032年，在德国打造长度超过1.1万公里的核心氢气管网。据该项目计划，到2030年，该管网将满足从德国所有10GW的电解槽产能的氢气输送，到2032年，目标是有足够的能力输送15GWth的氢气。

◆ Everfuel支持丹麦的氢管道计划:23年5月消息，Everfuel支持丹麦政府建设和运营氢气管道基础设施的计划。该计划包括政府与支持政党之间的协议，为丹麦输电系统运营商Energinet和国家配电运营商Evida在开发未来的氢管道基础设施时提供路线图。

◆ 保加利亚运营商建设氢气管道项目:23年4月消息，保加利亚公共天然气传输系统运营商Bulgatransgaz表示，它正处于开发新的氢基础设施项目的早期阶段，该项目预计需要近期总投资8.6亿欧元。该项目将包括一条穿越保加利亚西南部的新的250公里管道，其将实现保加利亚和希腊之间的双向氢气流动，预计将于2029年投入使用，适用于输送高达100%的氢气。

◆ KOGAS评估韩国氢能管道过渡的可行性:23年2月消息，DNV已被韩国天然气公司(KOGAS)选中，评估将氢气混合到韩国输气网络的可行性。DNV将评估管网是否适合混合氢气，为韩国天然气在济州岛的混合氢测试项目提供技术和咨询支持，并支持韩国天然气公司满足韩国在监督氢整合和吸收方面的要求。

◆ 德国和挪威计划建立大规模氢气管道:23年1月5日，德国和挪威同意进一步加强两国在氢能方面的伙伴关系，并打算在两国之间建立一条大规模的管道。两国已经委托进行一项联合可行性研究，以评估从挪威到德国的氢气运输，以及从德国到挪威的二氧化碳运输。

输氢管道，国外氢气系统相关标准

◆ ASME B31.12-2019《氢用管道系统和管道》，适用于将氢气和液态氢从制造厂输送到使用地的长输管道、分输管道和服务管道，适用范围涵盖工业管道和长输管道，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232℃或低于-62℃的管道系统、压力超过21MPa的管道系统、水汽含量大于20mg/L的管道系统以及氢的体积分数小于10%的管道系统。ASME B31.12要求应用表GR-2.1.1-2中所有材料的最大操作压力不能超过21MPa，除非材料在氢气条件下的性能指标满足ASME B&PVC VIII.3。ASME B31.12-2019的钢级包括ASTM和API Spec 5L两种标准体系。一般，材料的断裂韧性随着强度的提高而降低，也越容易产生氢脆。ASME B31.12-2019推荐采用API Spec 5L标准PSL2 X42/52钢管。输氢管材涵盖了电阻焊管、无缝钢管及埋弧焊管等3种类型的钢管。该标准相比天然气管道标准增加了材料性能系数，相应地增大了钢管设计壁厚。

◆ CGA G-5.6-2005（R2013）《氢气管道系统》由欧洲压缩气体协会制定，适用于气态纯氢及气态氢混合物的输送和配送系统，温度范围-40℃~175℃，总压力为1MPa~21MPa，对不锈钢，氢气分压高于0.2MPa。该标准还规定了对纯度至少为99.995%超高纯度氢气管道的特殊要求。

◆ AIGA 033/14《氢气管道系统》由亚洲工业气体协会发布，转载于CGA G-5.6。

◆ 临氢材料试验方法标准有：

ISO 11114-4：2017《移动气瓶 - 气瓶及瓶阀材料与盛装气体的相容性第4部分：选择抗氢脆钢的试验方法》；

ASME B&PVC VIII.3-2019 ARTICLE KD10 《氢服役用容器的特殊要求》；

ANSI/CSA CHMC 1-2014《用于评估压缩氢应用中材料相容性的试验方法-金属》;

ASTM G 142 《测定高压、高温或两者条件下含氢环境中金属脆化敏感性的标准试验方法》；

ASTM G129 《用于慢应变速率测试以评估金属材料对环境致开裂的敏感性标准做法》；

ASTM F1459 《测定金属材料对氢气氢脆（HGE）敏感度的试验方法》。

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