推进输氢管道建设 助力氢能产业健康发展

 阅读提示：氢气作为一种可再生二次能源，具有来源广泛、清洁高效、应用场景丰富等优势，在世界能源转型中发挥着重要作用，全球多个发达国家均制定了氢能产业规划，并加快部署氢能全产业链建设。输氢管道运量大、能耗低、边际成本低，是实现规模化氢输运的重要方式，将成为氢能产业可持续发展的必然趋势，其发展路线可借鉴参考天然气管道。但氢气密度小、能量密度低，且爆炸范围大、点火能量低、扩散系数大、易对材料力学性能产生劣化，且氢气管道相比天然气管道输送效率更低且管输风险更大，目前国际上输氢管道降本增效和运维保障正处于技术研究与攻关阶段。中国石化拥有发展氢气输送管道的先天优势，可结合氢能全产业链规划布局，强化技术攻关，统筹推进输氢管道建设。

氢能作为一种零碳高效新能源，在世界能源转型中的角色价值日益凸显，世界主要发达国家近年纷纷出台政策大力支持氢能产业发展，美国、日本、澳大利亚、韩国等国家相继制定了氢能发展战略或规划。我国作为世界第一产氢大国，兼具氢能大规模利用的供氢条件与用氢市场，氢能产业经济发展潜力巨大。氢储运作为制氢与用氢之间的纽带和桥梁，对整条氢能产业链的持续发展至关重要。随着氢能应用市场不断扩大，氢能储运基础设施的供氢保障问题将成为制约产业规模化发展的重要因素，而管道输送是实现氢能大规模、长距离输运的重要方式。

氢气管输已成国际共识，全球范围已形成规模

利用管道输送氢气至今已有80余年历史，早在1938年，德国就建成了世界上第一条氢气长输管道，全长215公里，主要用于化工厂氢资源匹配利用。随着氢气利用量增大和应用场景多样化，目前全球范围内氢气输送管道规模越来越大，总里程已超过4600公里。美国氢气管道规模最大，总里程达到2720公里，其中建有全球最大的氢气供应管网，全长965公里、连接22个制氢厂，向墨西哥沿岸的炼油厂和化工厂供应纯氢，输氢量达到150万标准立方米/小时。欧洲输氢管道总里程目前也已超过1500公里，其中法国建有世界上最长的氢气管道，从法国北部一直延伸至比利时，全长约402公里。近年来，在“双碳”战略下氢能产业迅猛发展，尤其是在绿氢技术推动下，规模化氢储运需求日益显现，输氢管道建设已被列入世界各国氢能产业规划。欧盟正在规划西班牙、法国与葡萄牙之间的跨国输氢管道；德国提出将在全国范围内建设5900公里输氢管道，并与挪威联合建设两国跨国输氢管道；预计到2040年，欧洲将建成4万公里氢气输送管道。

我国氢能产业整体起步较晚，现有氢气输送管道总里程约400公里，其中由我国自主建设的较长距离的典型纯氢输送管道有3条，总里程不足100公里。“双碳”目标下，我国也在加快推进氢能基础设施建设，河北已启动建设定州—高碑店氢气管道工程，全长164.7公里，年最大输送量10万吨，供应燃料电池用氢。

天然气管道掺氢输送或成为经济快捷的氢气规模化输送方式。氢气掺入天然气管道输送，不仅解决了碳减排问题，而且避免了新建管道的成本投入，是短期内解决氢气长距离规模化输送的经济有效方式。天然气掺氢管输已被多个国家列入氢能产业规划，据有关统计，目前全球已开展近40个掺氢天然气管道输送系统应用示范项目。欧洲基于“NaturalHy”天然气管网掺氢研究成果，开展了多处掺氢示范项目，掺氢比例在2%~20%。英国依托“Hy Deploy” 示范项目，向基尔大学专用天然气管网和英国北部天然气管网注入20%比例的氢气，为100户家庭和30栋教学楼提供掺氢天然气。荷兰、德国、法国、意大利等国家也在积极推进天然气管道掺氢输送技术研究与探索，均基于天然气管网掺氢输送试验研究在局部区域开展了天然气掺氢管输小范围示范应用。但由于各国天然气品质、输送管网、关键设备、用户端等存在差异，国际上对于天然气管道系统中可允许的掺氢比例并未形成一致结论。

近年来，我国在氢能全产业链发展推动下，也在积极开展天然气掺氢技术研究，但目前示范项目多集中于天然气掺氢应用领域，管道掺氢输送由于安全性、经济性、可行性等影响因素比较复杂，掺氢比例的确定涉及管材相容性、管道完整性、设备匹配性及下游用户适应性等多方面因素，尚未见相关示范项目落地。

我国天然气管道网络发达，截至2021年，全国主干天然气管道总里程达到11.6万公里，已形成“西气东输”“北气南下”供气格局，实现 “全国一张网”全面互联互通。相比我国天然气气源特殊性，氢气虽是二次能源，但我国内蒙古、新疆、甘肃、宁夏、青海、山西、河北、山东等地风光绿电资源富足，这意味着我国西部地区和北部地区具有大规模绿氢资源。另外，我国东部地区和南部地区经济发达，氢能无论是工业应用还是民用，都具有巨大市场潜力。因此，我国氢能产销区域特点与天然气极为相似，具有发展天然气管道掺氢输送的先天优势和广阔前景。

氢气管道泄漏危害严重，安全运维至关重要

有人认为，氢气质量轻，泄漏后向上逃逸且扩散速度快，即使燃烧，生成的水也不会对环境产生污染，因此，输氢管道泄漏后果不如天然气管道泄漏后果危害大。事实上，氢气相比天然气点火能量更低、爆炸范围更大、起爆能量更低，且氢气无色无味、燃烧火焰肉眼不易察觉，泄漏燃爆风险反而更大，输氢管道安全问题更不容忽视。

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。国际上虽已建成一定规模输氢管道并正常运营，且这些管道基本采用低等级钢材，氢损伤管材问题并不是很突出，但由于运行压力较低、设计偏保守，管道综合输送效率普遍不高。研究开发高强度或耐氢脆管材，加快实现氢气管输系统降本增效，是满足当前规模化氢储运需求的重要途径，国内外在这方面已开展大量研究，包括氢致金属材料损伤机理、氢与管材相容性、氢对焊缝性能影响、焊接工艺，以及新型非金属管材开发等。目前输氢管材在氢环境下的性能研究多是针对金属材料本身特性的研究，由于管道服役环境与运行工况差异，相关研究结论对输氢管道建设运维的指导意义尚且有限，部分结论适用条件存在一定局限性。针对在役输氢管道金属损失、凹陷等体积型缺陷及裂纹缺陷的适用性评价，以及含缺陷输氢管道承压能力评估方法，国内外正在开展相关研究，目前尚未建立公认模型或完善的方法体系。

输氢管道氢损伤最主要的失效模式是氢致开裂，管道运维管理应重点关注裂纹情况。然而，管道裂纹的内检测仍是石油天然气管道行业面临的难题，同时由于氢气特殊性，输氢管道的内检测还需要解决检测器与氢环境的相容性及运行速度控制等问题，目前国际上尚不具备输氢管道内检测的技术条件。裂纹无损检测手段主要包括磁粉检测、渗透探伤和超声检测，其中超声检测能够检测到管道内部使用磁粉及测厚都不能检测到的氢损伤缺陷，能够对缺陷进行定位、定量及定性，并能够达到一定的精度。金属磁记忆检测技术通过检测金属内部的应力集中区域，能够初步筛查管道氢损伤易发区，可用于输氢管道氢损伤的早期检测与定位预判。

针对氢气的泄漏扩散安全性与风险评估，国内外研究主要集中于氢气泄漏扩散规律、燃烧爆炸机理与后果预测、风险评估模型与工具开发等方面，我国目前在输氢管道方面的风险评价与管控技术体系尚不完备，尚未形成统一的风险评判标准。针对氢气泄漏问题，全球各大公司也正在开发氢气泄漏探测传感器，并探索光纤传感器用于氢气输送管道机械损伤和大规模泄漏的应用途径。基于拉曼光谱的微纳光纤氢气泄漏检测技术，具有本质无源、高灵敏、快响应等特点，能够解决现有大部分技术存在的与可燃气体串扰、灵敏度低、响应速率慢、有毒性、存在暗火等问题，可有效提升输氢管道、加氢站等涉氢场景痕量氢气实时检测技术能力和水平。

有序推进氢气管输业务，助力氢能产业健康发展

“十四五”期间，中国石化将加快培育并壮大氢能产供销一体化产业链，推进打造中国第一氢能公司。伴随氢能业务的快速发展，作为制、储、运、加、用的业务链中的关键环节，氢的大规模高效运输将成为中国石化氢能产业发展的重要内容之一。管道输氢工艺简单、经济高效、管理方便，是有效解决氢气大规模储运问题的重要方式。中国石化已建成3条氢气长输管道和多条输氢工艺管道，积累了较丰富的输氢管道设计建设及运行管理经验。

作为中国最大的氢能源供应商之一，中国石化具有强大的制氢基础，氢气年产量高达390万吨，占全国氢气产量的11%。目前，中国石化正在积极推动制氢技术从灰氢、蓝氢向绿氢方向转变，规划布局的新疆太阳能发电制氢和内蒙古太阳能发电加风电制氢两个百万吨级绿氢示范项目，年产绿氢规模都超过世界上现有的同类项目，建成后有望成为世界上最大的绿氢生产项目。强大的制氢供氢能力成为中国石化发展氢全产业链、推进氢储运基础设施建设的先天优势。

中国石化拥有中国最大的加油站供应网络，站址遍布全国各地。在加油站的基础上改建、扩建加氢站已被美国、日本等国家证实是加氢站网络布局最快的方式。由于中国石化具备国内最大的交通能源营销网络，且对加油站进行改扩建成本低、效率高，因此加氢站建设布局成为氢能走廊规划及输送供应体系建设的重要决定因素。

当前氢能产业发展如火如荼，输氢管道各项关键核心技术尚处于研发与优化阶段，标准规范体系尚不完善，建议中国石化结合自身传统领域及技术优势，分阶段有序部署氢储运技术及产业发展，从标准体系构建、核心技术攻关及工程项目示范等3个维度同步推进氢储运相关工作：

⒈标准先行引领高质量发展

统筹推进氢能产业标准体系谋划布局，加快构建完善氢气管输标准，加强标准实施与监督，通过标准先行引领氢储运领域高质量发展。初期可借鉴国际通用的输氢管道相关标准规范，在我国相关标准规范框架下，融合中国石化氢能产业链技术及管理要求，编制中国石化输氢管道/微网设计建设、运行管理规范，为标准化建设和规范化运营提供支撑。

⒉技术攻关夯实产业基础

由于氢气与天然气或其他工业气体存在较大差别，无论是在管材选择、输送工艺优化，还是在风险管理、泄漏检测、完整性管理等安全保障措施方面，当前油气管道或工业管道相关技术均难以完全适用，因此需要结合氢气物理化学性质及燃烧爆炸特征，开展相关技术研究或优化升级，推动关键核心技术突破和提升，形成适用于输氢管道的建设运维管理技术及模式，夯实中国石化氢能产业基础。

⒊工程示范抢占市场先机

为加速推进中国石化高质量发展行动，确保氢能发展走在行业最前列，中国石化应立足氢能全产业链协调发展战略布局，加快推进氢能产销一体化示范项目，统筹规划输氢管道示范建设项目，打通氢源地与用氢市场的联通动脉，以示范引领效应抢占氢能市场先机，主动引导政府布局氢能发展。

未来，随着氢能产业的快速发展，氢的规模化储运需求将大幅提升，管道和管网将成为一定区域内氢气经济高效输送的重要方式。因此，立足氢能产业发展要求，全面统筹并科学推进输氢管道及输氢微管网建设，对中国石化氢产业链全面协调发展具有重要作用。

作者单位：中石化（大连）石油化工研究院有限公司