输氢管道标准化及复合材料的应用情况

氢能源作为一种零碳高效的新能源， 在世界能源转型中的应用价值日益凸显， 世界主要发达国家近年来纷纷出台政策大力支持氢能源产业发展， 美国、日本、欧盟、澳大利亚、韩国等国家和地区都制定了氢能源发展战略或规划，全球范围内氢能源产业发展战略或规划已在美国、日本、澳大利亚、韩国等国我国对氢能源的发展十分重视，并于 2022 年首次发布了《氢能源产业发展中长期规划(2021~2035 年)》，对氢能源的战略定位、发展目标以及在新能源体系中的重大举措进行了明确。根据中石化的一份报告，我国在 2060 年将有近 8600 万吨的氢能源消耗，4.6 万亿元的产业规模。同时，氢能源将成为能源结构中一个重要组成部分，直至 2050 年，按照国家发改委和能源局的发展规划。

高压氢气可以通过氢气管道和长管拖车，根据氢气的输送距离、用氢要求和用户分布进行输送，利用管道输送是最有效率的方法，可以将体积较大、距离较远的场合进行输送。

一、氢气管道的类别

输送氢气的管线主要有输送氢气的管线和输送氢气的管线。输氢管道分为两类，一类是用于场(厂)区装置间或系统内输送氢气，其特点是管道压力大，管径小，一般采用压力管路用管或仪表管路用管(hydrographic)输送氢气的管道；另一类用于大规模、长距离输送氢气(掺入氢气)、管道设计压力为 2.0~20.0MPa、直径为 300~1000mm 的长输气管道。从材质上来看，氢气输送管道一般分为钢制加压管道输送氢气，以及复合加压管道输送氢气。

配氢管道一般用于小范围、近距离输送氢气，以管道压力小、管径小为特点，输送对象为小规模用户(如连接民用氢能源园区管道， 供氢气站与用户之间)。从材质上来看，输送氢气的输送管道一般分为输送氢气的钢质压力输送管和输送氢气的非金属质压力输送管。

氢气长输管道的许多规范和标准与天然气长输管道相似，但规范和标准还存在一些差异，因为两种气体的物理性质差异很大， 所以不能直接采用设计、施工等天然气长输管道的标准规范。美国和欧洲拥有 80 多年的气氢长距离管道输送历史，是世界上氢气管网发展最早的地区。氢气输送管道随着氢能源产业的规模化发展而日益壮大。

二、国内氢气管道标准

国内关于氢气管道的标准有 GB/T34542《氢气储存与输送系统》、GB50177《氢气站设计规范》和 GB4962《氢气使用安全技术规程》。

《氢气储存与输送系统(GB/T34542)》是近几年系统氢气储存与输送系列标准中较为全面的布局。该标准分为 8 个子标准，分别是通用要求、金属材料与氢环境及相容性试验方法、金属材料氢脆敏感性试验方法、氢气存储系统技术要求、氢气输送系统技术要求、氢气压缩系统技术要求、氢气充装系统技术要求、防火防爆技术要求。

GB50177 适用于厂区和车间新建、改建和扩建的氢气站、供氢站和氢气管线设计。

《GB4962》规定了气态氢在气态氢生产后的使用、置换、储存、压缩和充( 灌)装、排放过程以及消防和应急处置、安全防护等氢气生产中的相应环节， 如液态氢、水上气态氢、航空用氢场所和汽车上的氢气供应系统等不适用于气态氢的安全技术要求。

埋地氢气长输管道不适用以上两个标准。

三、国外氢气管道标准

国外适用于氢气长输管道的标准有美国机械工程师协会编写的 ASME31.12—2019《氢气管道系统与管道》， 欧洲压缩气体协会的 CGAG—5.6—2005(R2013)《氢气管道系统》，亚洲工业气体协会的 AIGA033/14《氢气管道系统》。

不适用于按 ASME 锅炉和压力容器标准设计制造、温度高于 450 或低于-80、压力超过 3000psi 的管道系统( 1psi = 6894.76pa)、水气含量大于 20mg/l、氢气体积分小于 10%的管道系统。ASME31.12 适用于从制造厂向使用地输送氢气的长输管线、分输管线和服务管线。

AIGA033/14 和 CGAG-5.6 的内容基本相同，虽然 CGAG-5.6 部分章节的内容更加详细，因为它在 2013 年进行了修订。两者适用于仅限气态产品、温度范围在-40~175 ℃之间、总压力在 1~21MPa 或 不锈钢材质 H2 压力高于 0.2MPa 的纯氢、氢混合物的输送、配送系统。这两个标准是在欧洲工业气体协会(EIGA)的领导下，由国际标准化组织成员协会(ICI)编写的， 目的是供国际协调委员会的各成员在全球范围内使用和借鉴。

四、复合材料的应用情况

如对低合金钢的氢脆敏感性有增强作用的合金元素，如 C、Mn、S、P、Cr 等。同时，氢气压力越大，材料强度越高，产生的氢脆和氢气开裂现象就越明显，因此在实际工程中优先选用氢气管材的是低钢级钢管。ASME31.12 推荐使用 X42 和 X52 钢管，同时规定必须考虑氢脆、低温性能变换和超低温性能变换等问题。

针对氢脆敏感性试验，国内外已经有了较为系统的成套测试方法，在该领域标准化的进展，我国已逐步追赶国际的水平（下表）。

此外，每公里氢气长输管道的成本约为 63 万美元，每公里天然气管道的成本仅为 25 万美元左右， 约为天然气管道成本的 2.5 倍。美国橡树岭国家实验室和萨凡纳河国家实验室针对高压氢气条件下纤维复合材料的爆破压力、氢气环境下材料的相容性、裂纹容差、泄漏率和耐疲劳性等进行了材料性能评估，并由美国能源部燃料电池技术工作组对降低氢气管道材料成本的纤维复合材料进行了标准化的工作，对其进行了详细的分析和分析，研究2016 年，ASME31.12 在标准中加入纤维复合材料，规定其最大服役压力不得超过 17MPa。

2023 年 11 月 23 日，由中国联塑集团研制的 RTP 柔性氢气输送复合管国产化进程取得重大突破，填补了国内相关领域空白的 RTP 柔性氢气输送复合管首次纯氢爆燃试验顺利完成。该 RTP 柔性复合输氢管是一种高阻隔性能、高强度的塑料复合管，主要由内管层、铝带阻隔层、中间塑料层、玻璃纤维增强层和外管层复合而成。

在国家层面缺乏系统性顶层设计的情况下，氢能基础设施的规划建设还处于起步阶段，我国氢气输送系统建设相对滞后。随着《氢能源产业发展中长期规划(2021~2035 年)》的出台，与之配套的国家法律、规划和政策将是氢能源产业发展的头等大事。目前绝大多数企业采用ASME B31.12-2019作 为金属材料的氢气管道设计规范，而非金属材料的氢 气管道目前尚无国际公认的设计规范，需加快布局此类标准，助力规划的实施和发展。