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【内容提要】氢能作为一种绿色、高效的二次能源，被视为“21 世纪终极能源”。氢的制取、储存、运输、应用技术备受关注，而氢能产业链中储运是重要一环，文中简要比较后，说明大规模长输管道输氢比长管拖车输氢成本更低，因此，大规模长输管道发展很快。本文简述了国内外管道输氢发展现状。国内输氢管道的技术关键在于抗氢致裂，目前输氢管道建设跨入新阶段，促进管线钢管/热轧板卷市场需求向高质量发展。 1、建设输氢管道是氢能产业发展中的重要环节 目前，国家发展改革委、国家能源局联合发布《氢能产业中长期规划（2021-2035年）》，氢能正式被确立为未来国家能源体系的重要组成部分，成为实现绿色低碳转型的重要载体。该规划指出，“在中游储运侧，深入开展天然气、氢气的技术特性研究，充分利用现有天然气管网基础设施，打通氢能储运的关键堵点”。 上海市公布《上海市氢能产业发展中长期规划（2022-2035年）》指出上海到2035年建设加H2站70座，产业链的产业规模大于1000亿元；工业产氢能力达50万吨/年，建设30公里输氢管道。燃氢电池汽车保有量1万辆。金山宝山工业副产品制氢，中长期海风电制氢。建设长江氢能运输走廊，海外氢能生产基地，建设氢能进口码头。建设上海化工区、宝武园区内部氢运输网络，吴泾地区高压合成气管线资源开发利用，上海临港地区中长期加强输氢管道建设，氢冶金技术开发应用等。 从国家和各省市氢能产业发展的规划中，建设输氢管道是储运重要的一环。 2、长管拖车输氢与长输管线输氢的经济比较 关于氢气输送，现阶段主要有两种方式。一种是高压长管拖车运输氢气，一种是长输管道运输氢气。选用何种输氢方式，取决于运输成本。 高压长管拖氢在小规模、短半径用氢时经济性最佳。据测算，规模为500公斤/天，距离输氢源点100公里的加氢站，运输成本为6.50元人民币/公斤。距离500公里时运输成本达到16.14元人民币/公斤。因此，考虑到经济性问题，长管拖车运氢一般适用于200公里内的短距离运输。 管道输氢在大规模输送下，经济性最佳。据测算，当长度25公里，年输送能力10.04万吨的输氢管道，运氢成本为1.16元人民币/公斤。因为压缩每公斤氢所消耗的电量是相对固定的，管道运氢成本增加主要是与运输距离正相关的管材折旧及维护费用。 所以在大规模输送下，管道输氢量具备明显的成本优势。当输送距离为100公里时，运输氢气的成本为1.43元人民币，同等运输距离下管道输氢成本远低于高压长管拖车及低温液态输氢。因此，管道输氢得到快速发展。 3、国内外长输氢管线的现状简述 目前全世界已建设输氢管道全长约4670公里，其中美国输氢管道约2600公里，欧洲输氢管道约1770公里，北美输氢管道约150公里，其他地区包括日本、韩国、越南、澳大利亚、巴西、泰国、印尼、南非等国，其输氢管道总长度约150公里。 国内输氢管道建设起步较晚，掺氢管道和纯氢管道工程都在建设当中。据统计，国内纯氢管道已建设和正在运营的总长度目前大约为400公里。其中有：①2022年11月上海市4公里输氢管道，设计输氢能力5040吨/年，该项目作为全球第一个完全面向新能源汽车行业的输氢管道。②2022年4月甘肃省玉门油田输氢管道工程，连接玉门炼厂氢气加注站，长度5.77公里，管径φ200毫米，压力2.5Mpa,年输氢能力为7000吨。③2022年10月宁夏宁东天然气掺氢降碳示范工程，包括7.4公里的输氢主管线和一个燃气管网掺氢试验平台。④2014年4月巴陵一长岭输氢管道，全长42公里，管径φ457毫米，设计压力4Mpa，年输氢量4.42万吨，钢管材质为无缝钢管。⑤2005年8月济源-洛阳输氢管道，管径φ508毫米，设计压力4.0Mpa，钢管材质为L245无缝钢管，年输氢量10.04万吨，全长25公里。⑥2008年金陵-扬子氢气管道长度32公里，年输氢约5万吨，设计压力4Mpa，管径φ325毫米，钢管材质20#石油裂化钢。⑦2021年6月河北定州-高碑店输氢管道，全长164.7公里，年输氢量10万吨。⑧2022年7月通辽市输氢管道4.7公里，管径φ323.9毫米，设计 压力1.6Mpa，可纯氢或掺氢输送。以上项目为工业副产品氢和绿氢的输送管道，此外，还有两条煤炭行业的输氢管道，用于焦炉煤气和氢气混合运输，氢气混量占比较少。⑨2021年10月乌海-银川焦炉煤气管道，用于焦炉煤气和氢气混合输送，管道总长217.5公里，管径φ610毫米，设计压力3Mpa，采用L245直缝埋弧焊管。⑩2021年义乌-郑州煤气输送管道，长194公里，管径φ426毫米，设计压力2.5Mpa，钢管材质螺旋埋弧焊管，用于优质洁净煤气和混合氢气输送。 除了以上项目，国家电投还在天然气掺氢技术和示范项目方面进行布局，最高掺氢比例已达24%（体积分数）。例如辽宁朝阳天然气掺氢项目安全运行已达1年多。 4、国内长输氢管线建设步入新阶段 以上这些管道对输氢来说，远远不够。从制氢产地来说，多集中在煤炭化工的北方地区；风光储氢一体化项目的可再生能源制氢基地也多是在北方地区。而作为氢能用户基地主要在南方地区，氢能需求量巨大，只能依靠从北方输氢来缓解氢能来源问题。目前输氢长输管道市场有待进一步开发，管道有待多建。据《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》预测，我国将于2030年实现长输氢管道总长度达到3000公里，目前，有两条重要输氢长输管道正在筹划之中。 2022年12月23日，内蒙古科学技术研究院与中国石油天然气管道工程有限公司、中太（苏州）氢能源科技有限公司三方将合作共建乌海至呼和浩特输氢管道暨“内蒙古氢能走廊”项目。该项目以乌海蓝氢基地为起点，途径黄河“几字弯”大型清洁能源基地。联结蒙东、蒙西的重要氢能储运基础设施，能够有效支撑“氢-电”耦合发展，降低风电、光伏项目的投资强度，有效促进可再生能源开发。该项目拟建设成我国压力最高、长度最大的氢气干线管道。 2023年4月10日，中国石化“西氢东送”输氢管道示范工程已纳入《石油天然气“全国一张网”建设实施方案》，我国首个纯氢长输管道项目启动，标志着我国氢气长距离输送管道进入新的发展阶段。“西氢东送”管道工程起于内蒙古乌兰察布市，终点北京市燕山石化公司，管道全长400多公里，途径内蒙古、河北、北京三省（市）、9个县区，是我国目前首条跨省区、大规模、长距离的纯氢输送管道，管道一期工程运力10万吨/年，预留50万吨/年远期提升潜力，并在沿线多地预留端口，便于接入潜在氢源。“西氢东送”管道的建设助力京津冀氢能走廊的高效发展和“双碳”目标的实现。 “西氢东送”输氢管道示范工程已经在路由选址、技术研究、工程建设方案等方面，基本完成了可行性研究报告的编制，项目各项工作正在推进。 5、输氢管道的技术关键在于抗氢致裂 从技术上来看，在管道输氢与油气管道因介质流动与燃爆特性的不同，在压力气态输氢过程中，在临氢环境下，管道中的氢气分子吸附于钢材表面，随后以原子形式渗入金属内部，使管线钢发生氢致裂，加剧管道失效的突发性，抗氢致裂是管道及管材高质量发展的方向。因此，在管材成分构成、管道工程设计与安全保障方面是输氢管道与油气管道存在明显差异。 中国石化建设运营金陵-扬子氢气管道、巴陵-长岭氢气输送管线、济源-洛阳氢气管道，最长投运时间约16年。在积累输氢管道运营实践经验基础上，中国石化率先形成氢气管道核心技术体系，掌握了氢环境下不同钢级管材及焊接接头性能的综合评估与应用技术，初步形成了氢气长输管道增压输送，安全泄放、管材评价、焊接安装和安全防护等核心技术体系。同时完成了企业中标准《氢气输送管道工程技术规范》编制，填补了国内该领域标准的空白。 此外，2021年7月，由西南市政总院主编《城镇民用氢气输配系统工程技术规程》编制工作正式启动，中国标准化协会批复了由北京市公用工程设计监理有限公司主编的《氢气输送工业管道技术规程》。 中石油承担济源-洛阳氢气管道设计以及中标定州-高碑店输氢管道可行性研究项目，以及内蒙古包头输氢管道项目的实践经验，中石油系统的钢管企业会同首钢等企业正在编制输氢钢管和热轧抗氢卷板的企业标准。 输氢管道的技术关键在于抗氢致裂。首钢企业的研究院对钢铁材料抗氢致裂进行了研究，并有突破性进展。中石油科研及钢管企业对氢的储运技术也进行系统分析研究。美国对输氢管道用钢材推荐x42、x52等低强度管线钢。抗氢钢管其关键在于化学成份、显微组织要求控制更为严格，主要包括硫（S）、磷（P）、碳（C）、非金属夹杂物及带状组织和硬度等，并选用具有低焊接当量、具有针状铁素体/贝氏体显微组织，强度级别≦x65，输氢压力≦10Mpa。焊管管型可用HFW高频钢管或埋弧焊管以及双金属复合管等。 作者：上海钢管行业协会 彭在美 浙江金洲管道科技股份有限公司 刘建伟 |
