3.2　氢输送管道安全

3.2.1　氢气管道安全

氢气管道包括长距离高压输送管道和短距离低压配送管道。截至2016年，欧洲氢气管道总里程约1598km[29]，美国氢气管道总里程约2575km[30]，输氢压力为2～10MPa，管道直径为0.3～1.0m[31]。我国氢气管线较少，气态输氢发展较为缓慢。据初步统计，截至2017年底，我国氢气管道总里程约400km，主要分布在环渤海湾、长三角等地，位于河南省的济源市工业园区与洛阳市吉利区之间的输氢管道是我国目前里程最长、管径最大、输氢压力最高、输氢量最大的输氢管，其管道里程为25km，管道直径为508m，输氢压力为4MPa，年输氢量达到10.04万吨[32]。按照《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016》[33]预计，到2030年，我国氢气长输管道将达到3000km。

目前而言，世界范围内氢气管道的建设较少，随着氢能的发展，氢气管道的需求量预计在未来几十年会出现大幅的增长。Tzimas等[34]针对氢能未来可能出现的三种不同的发展模式（快速发展、中速发展和慢速发展），对世界范围内长距离高压氢气输送管道和短距离低压氢气配送管道的需求量进行了预估，如表3-1所示。

2014年，美国机械工程师协会发布了ASME B31.12—2014《Hydrogen Piping and Pipelines》标准，该标准对氢气输送管道设计、制造、铺设等方面做了详细的要求，本节依据该标准，在管材选择、设计方法、铺设要求三方面对氢气管道安全进行了介绍。

3.2.1.1　管材选择

氢气长输管道选材在合金元素、钢级、管型、操作压力等方面均具有较高的要求，这主要是因为合金元素如C、Mn、S、P、Cr等会增强低合金钢的氢脆敏感性，同时，氢气压力越高、材料的强度越高，氢脆和氢致开裂现象就越明显，因此，在实际工程中，氢气长输管道用钢管优先选择低钢级钢管。ASME B31.12—2014中推荐采用API SPEC 5L级X42、X52钢管，同时规定必须考虑氢脆、低温性能转变、超低温性能转变等问题。考虑到低压管道输氢效率较低，且低强度管线钢建设成本较高，世界范围内已有众多学者对高强度管线钢的抗氢脆能力展开了研究。

Moro等[35]针对X80管线钢材料，开展了不同压力、应变速率下的拉伸试验，试验结果表明高压氢会导致晶体沿铁素体/珠光体界面的脱粘，加速试样表面微裂纹的产生，同时推论出材料近表面处扩散氢的存在是氢脆的主要原因。Briottet等[36]同样针对X80管线钢，系统开展了材料在高压氢环境下的慢应变速率拉伸试验、断裂韧度试验、圆片试验、疲劳裂纹扩展试验和WOL试验，结果表明：氢环境下材料的弹性模量、屈服强度及抗拉强度均未发生明显变化，但材料塑性明显降低，且随着试验应变速率的减小表现更为明显，但当压力大于5MPa后，压力的升高不会对氢脆敏感度造成影响；氢环境下材料的断裂韧性显著降低，疲劳裂纹扩展速率明显加快；WOL试验未能体现出材料氢脆的发生，可能是由于静态试验条件下，试样表面金属氧化膜阻碍了氢气的扩散，也有可能是由于静态条件下试样产生的位错较少，不利于氢原子的扩散。Hardie等[37]通过电化学充氢的方法，研究了X60、X80和X100管线钢的氢脆敏感度，结果表明，充氢后材料塑性明显降低，当充氢电流较低时，材料塑性的降低程度与材料强度关系较小，而当充氢电流密度达到某一限度时，随着材料强度的增大，材料氢脆的敏感度显著增大，故对埋地管道采用阴极电保护时，应重点关注电流密度。Nanninga等[38]针对X52、X65和X100三种管线钢材料，开展了13.8MPa的高压氢环境下的慢应变速率拉伸试验，结果表明，与空气环境相比，氢环境下断裂的试样具有显著变小的断后伸长量和断面伸缩量，但材料屈服强度和抗拉强度变化很小，并且氢脆随着管线钢强度的增大逐渐加剧。

3.2.1.2　设计方法

氢气管道直管段设计公式如下：

　（3-1）

式中，p为设计压力，MPa，规定设计压力不得超过管道试验压力的85%，对于管道复验压力超过初始试验压力的情况，设计压力应不超过复验压力的85%，设计压力一般为最大工作压力的1.05～1.10倍；S为最小屈服强度，MPa；t为公称壁厚，mm；D为公称直径，mm；F为设计系数，依据表3-2选取；E为轴向接头系数，对于API 5L系列管线钢，E=1.0；T为温度折减系数，依据表3-3选取；H_f为材料性能系数，依据表3-4选取。

ASME B31.12—2014中规定输氢管道可采用两种不同的设计方法，分别为规范化设计方法（方法A）和基于材料性能的设计方法（方法B）。方法A与天然气管道设计方法基本相同，但氢气管道设计公式涉及的设计系数F取值较小，目的也是增加氢气管道的安全性。方法B依据ASME BPV Code SectionⅧ，Division 3中Article KD-10的试验要求，规定材料必须开展室温氢环境下材料应力强度因子门槛值K_th的测试试验，需满足与氢环境相容性要求。

3.2.1.3　铺设要求

标准规定地下管线主管道埋深不得低于914.4mm，管线与其他地下结构设施的间距不得少于457.2mm，不同地质条件下的地下管线埋深要求如表3-5所示。

为防止第三方对埋地管线造成人为损坏，可采取以下方法：①使用物理屏障或标记，如管道上方铺设混凝土或钢板、管道两侧垂直铺设混凝土板且延伸至地面以上、采用抗破坏较强的涂层材料和在管道所在位置设置标记；②增大埋地深度或增大管道壁厚；③管道铺设方向尽可能与道路、铁路等路线平行或垂直。

对于高压氢输送管线，与压缩机或氢源连接的管段必须设置具有足够容量的压力调节设备，以保证其工作压力不得大于最大许用操作压力，相关设备主要包括泄压阀、监测调节器、限压调节器、自动截止阀等。阀件的安装间距要求如表3-6所示，阀件的安装位置应保证足够的通风条件，不得安装于受限空间内。