氫能是一種綠色、高效的可再生能源，被視為21世紀的“終極能源”，其應用前景廣闊。近幾年，全球氫能產業(yè)快速發(fā)展，尤其是在我國“雙碳”目標提出的背景下，氫的生產、儲存、運輸和利用等技術備受關注。
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”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，途經內蒙古、河北、北京3省（市、區(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。
氫能產業(yè)迎來機遇期，多家鋼企紛紛助力氫能儲運領域建設，共同奔赴“氫時代”。
首鋼
近日，首鋼股份最新研制生產的高鋼級輸氫管線鋼經用戶制管加工后成功應用于包頭—臨河輸氣管道項目，成為國內首家實現高鋼級輸氫管線鋼批量生產的企業(yè)，為我國長距離、高壓輸氫管道工程應用奠定基礎。內蒙古包頭—臨河天然氣摻氫管道項目為國內首條高壓力、高鋼級、長距離、大口徑摻氫管道項目，干線全長約235km，設計壓力6.3MPa，可為沿線地區(qū)調整能源結構、實現“碳達峰”“碳中和”提供支撐。項目所應用的Ф457×8.8mm X52MS材質螺旋鋼管由首鋼股份提供板材，華油鋼管制管加工。首鋼股份研發(fā)生產的高鋼級輸氫管線鋼，滿足工程設計的10%摻氫比例要求，處于國內領先。
由于高壓輸氫管道材料過程中一直存在“氫脆”損傷，在首鋼股份輸氫管線鋼問世之前，高鋼級輸氫材料標準在國內還處于一片空白。但面對高難度的研發(fā)生產課題，首鋼股份從“零”開始，充分發(fā)揮“產銷研用”一體化優(yōu)勢，先后與國內寶雞、巨龍、華油等龍頭企業(yè)合作。其間，團隊展開了18個月的“抗氫脆”研發(fā)工作，克服了煉鋼工藝及成分控制技術難題、進行了多次檢測標準研討，制定了周密的冶煉生產方案，實現了輸氫管線鋼高質量、均質化生產，現已批量供貨5800噸。
太鋼
液氫作為氫氣大規(guī)模應用的優(yōu)質儲運方式，可以有效解決氫氣資源的地域錯配問題。目前發(fā)達國家以液氫儲運為主，但之前由于我國對液氫環(huán)境下材料的低溫組織、性能等研究還不夠完善，材料選擇缺乏理論支撐和統(tǒng)一標準，導致我國液氫主要用于航天領域，民用方面幾乎空白。
太鋼瞄準氫能行業(yè)先期介入，與國家相關部門及制造企業(yè)合作，積極參與材料的設計研發(fā)，推進相關材料標準的制定。日前，太鋼完成一批液氫專用不銹鋼訂單交付，用于國內某重點氫能項目建設。這是自2022年該產品批量投放市場，中標某亞洲最大氫能源項目之后，又一次完成國內重點氫能項目的供貨，有力助推我國氫能產業(yè)發(fā)展。
2021年10月，太鋼液氫專用不銹鋼全系產品通過相關認證，成為該領域國內唯一不銹鋼材料供應商，填補了國內民用液氫儲罐領域的空白，成功解決了“卡脖子”問題，產品化學成分、超低溫性能等指標能夠完全滿足液氫環(huán)境的苛刻要求。截至目前，太鋼已累計實現液氫專用不銹鋼供貨900噸，與行業(yè)龍頭及重點企業(yè)全部形成了合作，在國內形成了行業(yè)全覆蓋，國內市場占有率100%。
緊盯國家氫能發(fā)展政策，太鋼將繼續(xù)推進專用不銹鋼產品在液氫輸送管道，軌道用、船用儲罐等領域的應用，并積極拓展海外業(yè)務，為我國能源綠色轉型升級貢獻太鋼力量。
包鋼
（圖源：包鋼集團）
包鋼集團準確研判市場、抓住機遇、深挖潛力，研發(fā)生產摻氫天然氣管道用管線鋼獲得成功。
近日，包鋼稀土鋼板材廠接到一筆為西部天然氣包頭至臨河段管道輸送項目生產X52MS輸送摻氫天然氣管道用熱軋板卷1.12萬噸的訂單任務，這是包鋼集團贏得的首筆摻氫天然氣管道用管線鋼訂單。
據悉，早在2023年初，包鋼集團摻氫天然氣管道用管線鋼研發(fā)就取得了成果，實現了X52MS輸送摻氫天然氣管道用熱軋板卷小批量試制一次成功。產品具有超低硫、超低磷以及耐低溫沖擊韌性的特點，抗氫致開裂性能優(yōu)良，抗氫脆和止裂指標均通過權威檢驗機構評價，具備了批量化生產供貨能力。目前，首筆訂單產品正在生產中，并將分批發(fā)往上海。這些產品經焊接加工后，將全部用于西部天然氣包頭至臨河段管道輸送項目，為實現“雙碳”目標貢獻包鋼力量。
延伸閱讀——
“西氫東送”來了
輸氫管道建設跨入新階段 抗氫致裂為技術關鍵
儲運是氫能產業(yè)鏈中的重要一環(huán)。近日，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯合發(fā)布的《氫能產業(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，充分利用現有天然氣管網基礎設施，打通氫能儲運的關鍵堵點”。上海市公布的《上海市氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2022-2035年）》提出，到2035年，工業(yè)產氫能力達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)內部氫運輸網絡，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、短半徑輸氫時經濟性最佳。據測算，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，經濟性最佳。據測算，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。可見，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。據統(tǒng)計，國內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）。
國內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。制氫產地多集中在煤炭化工產業(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《中國氫能產業(yè)基礎設施發(fā)展藍皮書》預測，我國將于2030年實現長輸氫管道總長度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。國內鋼鐵企業(yè)、鋼管企業(yè)應在這些產品領域加大科研力度，助推“西氫東送”國家工程的落地。
作者：彭在美（上海鋼管行業(yè)協(xié)會專家委員會高級顧問）、劉建偉（浙金洲管道科技股份有限公司市場總監(jiān)）、陳文花（上海鋼聯電子商務股份有限公司鋼管事業(yè)部總經理助理）
