我國輸氫管道建設(shè)跨入新階段 促進(jìn)管線鋼管高質(zhì)量發(fā)展

【內(nèi)容提要】氫能作為一種綠色、高效的二次能源，被視為“21世紀(jì)終極能源”。氫的制取、儲存、運(yùn)輸、應(yīng)用技術(shù)備受關(guān)注，而氫能產(chǎn)業(yè)鏈中儲運(yùn)是重要一環(huán)，文中簡要比較后，說明大規(guī)模長輸管道輸氫比長管拖車輸氫成本更低，因此，大規(guī)模長輸管道發(fā)展很快。本文簡述了國內(nèi)外管道輸氫發(fā)展現(xiàn)狀。國內(nèi)輸氫管道的技術(shù)關(guān)鍵在于抗氫致裂，目前輸氫管道建設(shè)跨入新階段，促進(jìn)管線鋼管/熱軋板卷市場需求向高質(zhì)量發(fā)展。

1、建設(shè)輸氫管道是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)

目前，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)中長期規(guī)劃（2021-2035年）》，氫能正式被確立為未來國家能源體系的重要組成部分，成為實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體。該規(guī)劃指出，“在中游儲運(yùn)側(cè)，深入開展天然氣、氫氣的技術(shù)特性研究，充分利用現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，打通氫能儲運(yùn)的關(guān)鍵堵點(diǎn)”。

 上海市公布《上海市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2022-2035年）》指出上海到2035年建設(shè)加H2站70座，產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)業(yè)規(guī)模大于1000億元；工業(yè)產(chǎn)氫能力達(dá)50萬噸/年，建設(shè)30公里輸氫管道。燃?xì)潆姵仄嚤Ｓ辛?萬輛。金山寶山工業(yè)副產(chǎn)品制氫，中長期海風(fēng)電制氫。建設(shè)長江氫能運(yùn)輸走廊，海外氫能生產(chǎn)基地，建設(shè)氫能進(jìn)口碼頭。建設(shè)上?；^(qū)、寶武園區(qū)內(nèi)部氫運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，吳涇地區(qū)高壓合成氣管線資源開發(fā)利用，上海臨港地區(qū)中長期加強(qiáng)輸氫管道建設(shè)，氫冶金技術(shù)開發(fā)應(yīng)用等。

 從國家和各省市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)劃中，建設(shè)輸氫管道是儲運(yùn)重要的一環(huán)。

2、長管拖車輸氫與長輸管線輸氫的經(jīng)濟(jì)比較

  關(guān)于氫氣輸送，現(xiàn)階段主要有兩種方式。一種是高壓長管拖車運(yùn)輸氫氣，一種是長輸管道運(yùn)輸氫氣。選用何種輸氫方式，取決于運(yùn)輸成本。

  高壓長管拖氫在小規(guī)模、短半徑用氫時經(jīng)濟(jì)性最佳。據(jù)測算，規(guī)模為500公斤/天，距離輸氫源點(diǎn)100公里的加氫站，運(yùn)輸成本為6.50元人民幣/公斤。距離500公里時運(yùn)輸成本達(dá)到16.14元人民幣/公斤。因此，考慮到經(jīng)濟(jì)性問題，長管拖車運(yùn)氫一般適用于200公里內(nèi)的短距離運(yùn)輸。

  管道輸氫在大規(guī)模輸送下，經(jīng)濟(jì)性最佳。據(jù)測算，當(dāng)長度25公里，年輸送能力10.04萬噸的輸氫管道，運(yùn)氫成本為1.16元人民幣/公斤。因?yàn)閴嚎s每公斤氫所消耗的電量是相對固定的，管道運(yùn)氫成本增加主要是與運(yùn)輸距離正相關(guān)的管材折舊及維護(hù)費(fèi)用。

  所以在大規(guī)模輸送下，管道輸氫量具備明顯的成本優(yōu)勢。當(dāng)輸送距離為100公里時，運(yùn)輸氫氣的成本為1.43元人民幣，同等運(yùn)輸距離下管道輸氫成本遠(yuǎn)低于高壓長管拖車及低溫液態(tài)輸氫。因此，管道輸氫得到快速發(fā)展。

3、國內(nèi)外長輸氫管線的現(xiàn)狀簡述

  目前全世界已建設(shè)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，北美輸氫管道約150公里，其他地區(qū)包括日本、韓國、越南、澳大利亞、巴西、泰國、印尼、南非等國，其輸氫管道總長度約150公里。

  國內(nèi)輸氫管道建設(shè)起步較晚，摻氫管道和純氫管道工程都在建設(shè)當(dāng)中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)純氫管道已建設(shè)和正在運(yùn)營的總長度目前大約為400公里。其中有：①2022年11月上海市4公里輸氫管道，設(shè)計(jì)輸氫能力5040噸/年，該項(xiàng)目作為全球第一個完全面向新能源汽車行業(yè)的輸氫管道。②2022年4月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φ200毫米，壓力2.5Mpa,年輸氫能力為7000噸。③2022年10月寧夏寧東天然氣摻氫降碳示范工程，包括704公里的輸氫主管線和一個燃?xì)夤芫W(wǎng)摻氫試驗(yàn)平臺。④2014年4月巴陵一長嶺輸氫管道，全長42公里，管徑φ457毫米，設(shè)計(jì)壓力4Mpa，年輸氫量4.42萬噸，鋼管材質(zhì)為無縫鋼管。⑤2005年8月濟(jì)源-洛陽輸氫管道，管徑φ508毫米，設(shè)計(jì)壓力4.0Mpa，鋼管材質(zhì)為L245無縫鋼管，年輸氫量10.04萬噸，全長25公里。⑥2008年金陵-揚(yáng)子氫氣管道長度32公里，年輸氫約5萬噸，設(shè)計(jì)壓力4Mpa，管徑φ325毫米，鋼管材質(zhì)20#石油裂化鋼。⑦2021年6月河北定州-高碑店輸氫管道，全長164.7公里，年輸氫量10萬噸。⑧2022年7月通遼市輸氫管道4.7公里，管徑φ323.9毫米，設(shè)計(jì) 壓力1.6Mpa，可純氫或摻氫輸送。以上項(xiàng)目為工業(yè)副產(chǎn)品氫和綠氫的輸送管道，此外，還有兩條煤炭行業(yè)的輸氫管道，用于焦?fàn)t煤氣和氫氣混合運(yùn)輸，氫氣混量占比較少。⑨2021年10月烏海-銀川焦?fàn)t煤氣管道，用于焦?fàn)t煤氣和氫氣混合輸送，管道總長217.5公里，管徑φ610毫米，設(shè)計(jì)壓力3Mpa，采用L245直縫埋弧焊管。⑩2021年義烏-鄭州煤氣輸送管道，長194公里，管徑φ426毫米，設(shè)計(jì)壓力2.5Mpa，鋼管材質(zhì)螺旋埋弧焊管，用于優(yōu)質(zhì)潔凈煤氣和混合氫氣輸送。

  除了以上項(xiàng)目，國家電投還在天然氣摻氫技術(shù)和示范項(xiàng)目方面進(jìn)行布局，最高摻氫比例已達(dá)24%（體積分?jǐn)?shù)）。例如遼寧朝陽天然氣摻氫項(xiàng)目安全運(yùn)行已達(dá)1年多。

4、國內(nèi)長輸氫管線建設(shè)步入新階段

以上這些管道對輸氫來說，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。從制氫產(chǎn)地來說，多集中在煤炭化工的北方地區(qū)；風(fēng)光儲氫一體化項(xiàng)目的可再生能源制氫基地也多是在北方地區(qū)。而作為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。目前輸氫長輸管道市場有待進(jìn)一步開發(fā)，管道有待多建。據(jù)《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書》預(yù)測，我國將于2030年實(shí)現(xiàn)長輸氫管道總長度達(dá)到3000公里，目前，有兩條重要輸氫長輸管道正在籌劃之中。

2022年12月23日，內(nèi)蒙古科學(xué)技術(shù)研究院與中國石油天然氣管道工程有限公司、中太（蘇州）氫能源科技有限公司三方將合作共建烏海至呼和浩特輸氫管道暨“內(nèi)蒙古氫能走廊”項(xiàng)目。該項(xiàng)目以烏海藍(lán)氫基地為起點(diǎn)，途徑黃河“幾字彎”大型清潔能源基地。聯(lián)結(jié)蒙東、蒙西的重要?dú)淠軆\(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施，能夠有效支撐“氫-電”耦合發(fā)展，降低風(fēng)電、光伏項(xiàng)目的投資強(qiáng)度，有效促進(jìn)可再生能源開發(fā)。該項(xiàng)目擬建設(shè)成我國壓力最高、長度最大的氫氣干線管道。

2023年4月10日，中國石化“西氫東送”輸氫管道示范工程已納入《石油天然氣“全國一張網(wǎng)”建設(shè)實(shí)施方案》，我國首個純氫長輸管道項(xiàng)目啟動，標(biāo)志著我國氫氣長距離輸送管道進(jìn)入新的發(fā)展階段。“西氫東送”管道工程起于內(nèi)蒙古烏蘭察布市，終點(diǎn)北京市燕山石化公司，管道全長400多公里，途徑內(nèi)蒙古、河北、北京三?。ㄊ校?個縣區(qū)，是我國目前首條跨省區(qū)、大規(guī)模、長距離的純氫輸送管道，管道一期工程運(yùn)力10萬噸/年，預(yù)留50萬噸/年遠(yuǎn)期提升潛力，并在沿線多地預(yù)留端口，便于接入潛在氫源。“西氫東送”管道的建設(shè)助力京津冀氫能走廊的高效發(fā)展和“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

“西氫東送”輸氫管道示范工程已經(jīng)在路由選址、技術(shù)研究、工程建設(shè)方案等方面，基本完成了可行性研究報(bào)告的編制，項(xiàng)目各項(xiàng)工作正在推進(jìn)。

5、輸氫管道的技術(shù)關(guān)鍵在于抗氫致裂

從技術(shù)上來看，在管道輸氫與油氣管道因介質(zhì)流動與燃爆特性的不同，在壓力氣態(tài)輸氫過程中，在臨氫環(huán)境下，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，抗氫致裂是管道及管材高質(zhì)量發(fā)展的方向。因此，在管材成分構(gòu)成、管道工程設(shè)計(jì)與安全保障方面是輸氫管道與油氣管道存在明顯差異。

 中國石化建設(shè)運(yùn)營金陵-揚(yáng)子氫氣管道、巴陵-長嶺氫氣輸送管線、濟(jì)源-洛陽氫氣管道，最長投運(yùn)時間約16年。在積累輸氫管道運(yùn)營實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，中國石化率先形成氫氣管道核心技術(shù)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(yīng)用技術(shù)，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(hù)等核心技術(shù)體系。同時完成了企業(yè)中標(biāo)準(zhǔn)《氫氣輸送管道工程技術(shù)規(guī)范》編制，填補(bǔ)了國內(nèi)該領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的空白。

  此外，2021年7月，由西南市政總院主編《城鎮(zhèn)民用氫氣輸配系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》編制工作正式啟動，中國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會批復(fù)了由北京市公用工程設(shè)計(jì)監(jiān)理有限公司主編的《氫氣輸送工業(yè)管道技術(shù)規(guī)程》。

  中石油承擔(dān)濟(jì)源-洛陽氫氣管道設(shè)計(jì)以及中標(biāo)定州-高碑店輸氫管道可行性研究項(xiàng)目，以及內(nèi)蒙古包頭輸氫管道項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，中石油系統(tǒng)的鋼管企業(yè)會同首鋼等企業(yè)正在編制輸氫鋼管和熱軋抗氫卷板的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

  輸氫管道的技術(shù)關(guān)鍵在于抗氫致裂。首鋼企業(yè)的研究院對鋼鐵材料抗氫致裂進(jìn)行了研究，并有突破性進(jìn)展。中石油科研及鋼管企業(yè)對氫的儲運(yùn)技術(shù)也進(jìn)行系統(tǒng)分析研究。美國對輸氫管道用鋼材推薦x42、x52等低強(qiáng)度管線鋼?？箽滗摴芷潢P(guān)鍵在于化學(xué)成份、顯微組織要求控制更為嚴(yán)格，主要包括硫（S）、磷（P）、碳（C）、非金屬夾雜物及帶狀組織和硬度等，并選用具有低焊接當(dāng)量、具有針狀鐵素體/貝氏體顯微組織，強(qiáng)度級別≦x65，輸氫壓力≦10Mpa。焊管管型可用HFW高頻鋼管或埋弧焊管以及雙金屬復(fù)合管等。

作者：上海鋼管行業(yè)協(xié)會  彭在美                  浙江金洲管道科技股份有限公司  劉建偉

上海鋼聯(lián)電子商務(wù)股份有限公司 陳文花

備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。