4月10日，中國石化“西氫東送”輸氫管道示范工程納入《石油天然氣“全國一張網(wǎng)”建設實施方案》，我國首個純氫長輸管道項目啟動，標志著我國氫氣長距離輸送管道進入新的發(fā)展階段。4月16日，中國石油對外發(fā)布消息，用現(xiàn)有天然氣管道長距離輸送氫氣的技術獲得了突破，這為我國今后實現(xiàn)大規(guī)模、低成本的遠距離氫能運輸提供了技術支撐。
“西氫東送”管道工程起于內(nèi)蒙古烏蘭察布，終于北京市燕山石化公司，管道全長400多公里，途經(jīng)內(nèi)蒙古、河北、北京3?。ㄊ小^(qū)）、9個縣區(qū)，是我國首條跨省區(qū)、大規(guī)模、長距離的純氫輸送管道，管道一期工程運力為10萬噸/年，預留50萬噸/年遠期提升潛力，并在沿線多地預留端口，便于接入潛在氫源。
氫能作為一種綠色、高效的二次能源，被視為“21世紀終極能源”，氫的制取、儲存、運輸、應用技術備受關注，其中，儲運是氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的重要一環(huán)。近日，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布的《氫能產(chǎn)業(yè)中長期規(guī)劃（2021-2035年）》指出，“在中游儲運側，深入開展天然氣、氫氣的技術特性研究，充分利用現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)基礎設施，打通氫能儲運的關鍵堵點”。上海市公布的《上海市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2022-2035年）》提出，到2035年，工業(yè)產(chǎn)氫能力達50萬噸/年，建設30公里輸氫管道。建設上海化工區(qū)、寶武園區(qū)內(nèi)部氫運輸網(wǎng)絡，上海臨港地區(qū)中長期加強輸氫管道建設等。
從國家和各省市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)劃中可以看出，建設輸氫管道是儲運的重要一環(huán)，對管道用鋼提出了新要求。
目前國內(nèi)純氫管道總長約400公里
成本優(yōu)勢將助推管道輸氫發(fā)展
關于氫氣輸送，現(xiàn)階段主要有兩種方式，一是高壓長管拖車運輸氫氣，二是長輸管道運輸氫氣。選用何種輸氫方式，取決于運輸成本。
高壓長管拖車在小規(guī)模、短半徑輸氫時經(jīng)濟性最佳。據(jù)測算，規(guī)模為500千克/天、距離輸氫源點100公里的加氫站，運輸成本為6.50元/千克。距離500公里時，運輸成本達到16.14元/千克。因此，考慮到經(jīng)濟性問題，長管拖車輸氫一般適用于短距離運輸。
管道在大規(guī)模輸氫時，經(jīng)濟性最佳。據(jù)測算，長度25公里、年輸送能力10.04萬噸的輸氫管道，運氫成本為1.16元/千克。因為壓縮每千克氫所消耗的電量是相對固定的，管道輸氫成本增加主要是與運輸距離正相關的管材折舊及維護費用。當輸送距離為100公里時，管道運輸氫氣的成本為1.43元/千克?？梢?，在大規(guī)模輸送時，管道輸氫量具備明顯的成本優(yōu)勢。這有利于推動管道輸氫得到快速發(fā)展。
目前，全世界已建設輸氫管道全長約4670公里。其中，美國輸氫管道約2600公里，歐洲輸氫管道約1770公里，日本、韓國、越南、澳大利亞、巴西、泰國、印尼、南非等國輸氫管道總長度約150公里。
我國輸氫管道建設則起步較晚，摻氫管道和純氫管道工程都在建設當中。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)純氫管道已建設和正在運營的總長度目前大約為400公里。如2022年11月投運的上海市4公里輸氫管道，設計輸氫能力5040噸/年，是全球第一個完全面向新能源汽車行業(yè)的輸氫管道；2022年4月開工的甘肅省玉門油田輸氫管道工程，連接玉門煉廠氫氣加注站，長度5.77公里，管徑200毫米，壓力2.5兆帕，年輸氫能力為7000噸；2021年10月開工的烏海-銀川焦爐煤氣管道，用于焦爐煤氣和氫氣混合輸送，管道總長217.5公里，管徑610毫米，設計壓力3兆帕，采用L245直縫埋弧焊管；2021年義烏—鄭州煤氣輸送管道，用于優(yōu)質(zhì)潔凈煤氣和混合氫氣輸送，長194公里，管徑426毫米，設計壓力2.5兆帕，采用螺旋埋弧焊管；等等。
除了以上項目，國家電投還在天然氣摻氫技術和示范項目方面進行布局，最高摻氫比例已達24%（體積分數(shù)）。
國內(nèi)長輸氫管線建設步入新階段
抗氫致裂技術亟待突破
以上這些管道對輸氫來說，遠遠不夠。制氫產(chǎn)地多集中在煤炭化工產(chǎn)業(yè)聚焦的北方地區(qū)，風光儲氫一體化項目的可再生能源制氫基地也多是在北方地區(qū)。而氫能用戶基地主要在南方地區(qū)，氫能需求量巨大，只能依靠從北方輸氫來緩解氫能來源問題。目前，長輸氫管道市場有待進一步開發(fā)。據(jù)《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎設施發(fā)展藍皮書》預測，我國將于2030年實現(xiàn)長輸氫管道總長度3000公里。目前，有2條重要輸氫長輸管道建設正在籌劃之中。
從技術上來看，在高壓氣態(tài)輸氫過程中，管道中的氫氣分子吸附于鋼材表面，隨后以原子形式滲入金屬內(nèi)部，使管線鋼發(fā)生氫致裂，加劇管道失效的突發(fā)性，抗氫致裂是管材高質(zhì)量發(fā)展的方向。因此，管材成分構成、管道工程設計與安全保障是輸氫管道與油氣管道的明顯差異。
中國石化建設運營金陵—揚子氫氣管道、巴陵—長嶺氫氣輸送管線、濟源—洛陽氫氣管道，最長投運時間約16年。在積累輸氫管道運營實踐經(jīng)驗的基礎上，中國石化形成氫氣管道核心技術體系，掌握了氫環(huán)境下不同鋼級管材及焊接接頭性能的綜合評估與應用技術，初步形成了氫氣長輸管道增壓輸送，安全泄放、管材評價、焊接安裝和安全防護等核心技術體系，同時完成了《氫氣輸送管道工程技術規(guī)范》編制，填補了國內(nèi)該領域標準的空白。
輸氫管道的技術關鍵在于抗氫致裂。目前首鋼技術研究院對抗氫致裂的鋼鐵材料進行了研究，并已取得突破性進展；中石油科研及鋼管企業(yè)對氫的儲運技術進行了系統(tǒng)分析研究；美國對輸氫管道用鋼材推薦X42、X52等低強度管線鋼。
抗氫鋼管的關鍵在于對化學成分、顯微組織的要求更為嚴格，主要包括硫（S）、磷（P）、碳（C）、非金屬夾雜物及帶狀組織等，要求具有低焊接當量、針狀鐵素體/貝氏體顯微組織，強度級別≦X65，輸氫壓力≦10兆帕；焊管管型可用HFW（高頻直縫鋼管）或埋弧焊管以及雙金屬復合管等。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)、鋼管企業(yè)應在這些產(chǎn)品領域加大科研力度，助推“西氫東送”國家工程的落地。
（彭在美 劉建偉 陳文花）（作者彭在美系上海鋼管行業(yè)協(xié)會專家委員會高級顧問，劉建偉系浙江金洲管道科技股份有限公司市場總監(jiān)，陳文花系上海鋼聯(lián)電子商務股份有限公司鋼管事業(yè)部總經(jīng)理助理）
