氫能是一種綠色、高效的可再生能源，被視為21世紀(jì)的“終極能源”，其應(yīng)用前景廣闊。近幾年，全球氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，尤其是在我國“雙碳”目標(biāo)提出的背景下，氫的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和利用等技術(shù)備受關(guān)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(wǎng)”建設(shè)實(shí)施方案》，我國首個(gè)純氫長輸管道項(xiàng)目啟動(dòng)，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。4月16日，中國石油對(duì)外發(fā)布消息，用現(xiàn)有天然氣管道長距離輸送氫氣的技術(shù)獲得了突破，這為我國今后實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本的遠(yuǎn)距離氫能運(yùn)輸提供了技術(shù)支撐?！拔鳉鋿|送”管道工程起于內(nèi)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(jīng)內(nèi)蒙古、河北、北京3?。ㄊ?、區(qū)）、9個(gè)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(yùn)力為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。
氫能產(chǎn)業(yè)迎來機(jī)遇期，多家鋼企紛紛助力氫能儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域建設(shè)，共同奔赴“氫時(shí)代”。
首鋼
近日，首鋼股份最新研制生產(chǎn)的高鋼級(jí)輸氫管線鋼經(jīng)用戶制管加工后成功應(yīng)用于包頭—臨河輸氣管道項(xiàng)目，成為國內(nèi)首家實(shí)現(xiàn)高鋼級(jí)輸氫管線鋼批量生產(chǎn)的企業(yè)，為我國長距離、高壓輸氫管道工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。內(nèi)蒙古包頭—臨河天然氣摻氫管道項(xiàng)目為國內(nèi)首條高壓力、高鋼級(jí)、長距離、大口徑摻氫管道項(xiàng)目，干線全長約235km，設(shè)計(jì)壓力6.3MPa，可為沿線地區(qū)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”提供支撐。項(xiàng)目所應(yīng)用的Ф457×8.8mm X52MS材質(zhì)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(chǎn)的高鋼級(jí)輸氫管線鋼，滿足工程設(shè)計(jì)的10%摻氫比例要求，處于國內(nèi)領(lǐng)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(jí)輸氫材料標(biāo)準(zhǔn)在國內(nèi)還處于一片空白。但面對(duì)高難度的研發(fā)生產(chǎn)課題，首鋼股份從“零”開始，充分發(fā)揮“產(chǎn)銷研用”一體化優(yōu)勢，先后與國內(nèi)寶雞、巨龍、華油等龍頭企業(yè)合作。其間，團(tuán)隊(duì)展開了18個(gè)月的“抗氫脆”研發(fā)工作，克服了煉鋼工藝及成分控制技術(shù)難題、進(jìn)行了多次檢測標(biāo)準(zhǔn)研討，制定了周密的冶煉生產(chǎn)方案，實(shí)現(xiàn)了輸氫管線鋼高質(zhì)量、均質(zhì)化生產(chǎn)，現(xiàn)已批量供貨5800噸。
太鋼
液氫作為氫氣大規(guī)模應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)運(yùn)方式，可以有效解決氫氣資源的地域錯(cuò)配問題。目前發(fā)達(dá)國家以液氫儲(chǔ)運(yùn)為主，但之前由于我國對(duì)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(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致我國液氫主要用于航天領(lǐng)域，民用方面幾乎空白。
太鋼瞄準(zhǔn)氫能行業(yè)先期介入，與國家相關(guān)部門及制造企業(yè)合作，積極參與材料的設(shè)計(jì)研發(fā)，推進(jìn)相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)某重點(diǎn)氫能項(xiàng)目建設(shè)。這是自2022年該產(chǎn)品批量投放市場，中標(biāo)某亞洲最大氫能源項(xiàng)目之后，又一次完成國內(nèi)重點(diǎn)氫能項(xiàng)目的供貨，有力助推我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
2021年10月，太鋼液氫專用不銹鋼全系產(chǎn)品通過相關(guān)認(rèn)證，成為該領(lǐng)域國內(nèi)唯一不銹鋼材料供應(yīng)商，填補(bǔ)了國內(nèi)民用液氫儲(chǔ)罐領(lǐng)域的空白，成功解決了“卡脖子”問題，產(chǎn)品化學(xué)成分、超低溫性能等指標(biāo)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(jì)實(shí)現(xiàn)液氫專用不銹鋼供貨900噸，與行業(yè)龍頭及重點(diǎn)企業(yè)全部形成了合作，在國內(nèi)形成了行業(yè)全覆蓋，國內(nèi)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(jìn)專用不銹鋼產(chǎn)品在液氫輸送管道，軌道用、船用儲(chǔ)罐等領(lǐng)域的應(yīng)用，并積極拓展海外業(yè)務(wù)，為我國能源綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)貢獻(xiàn)太鋼力量。
包鋼
（圖源：包鋼集團(tuán)）
包鋼集團(tuán)準(zhǔn)確研判市場、抓住機(jī)遇、深挖潛力，研發(fā)生產(chǎn)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(xiàng)目生產(chǎn)X52MS輸送摻氫天然氣管道用熱軋板卷1.12萬噸的訂單任務(wù)，這是包鋼集團(tuán)贏得的首筆摻氫天然氣管道用管線鋼訂單。
據(jù)悉，早在2023年初，包鋼集團(tuán)摻氫天然氣管道用管線鋼研發(fā)就取得了成果，實(shí)現(xiàn)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(chǎn)品具有超低硫、超低磷以及耐低溫沖擊韌性的特點(diǎn)，抗氫致開裂性能優(yōu)良，抗氫脆和止裂指標(biāo)均通過權(quán)威檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)評(píng)價(jià)，具備了批量化生產(chǎn)供貨能力。目前，首筆訂單產(chǎn)品正在生產(chǎn)中，并將分批發(fā)往上海。這些產(chǎn)品經(jīng)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(xiàng)目，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)貢獻(xiàn)包鋼力量。
延伸閱讀——
“西氫東送”來了
輸氫管道建設(shè)跨入新階段 抗氫致裂為技術(shù)關(guān)鍵
儲(chǔ)運(yùn)是氫能產(chǎn)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(lián)合發(fā)布的《氫能產(chǎn)業(yè)中長期規(guī)劃（2021—2035年）》指出，“在中游儲(chǔ)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(chǔ)運(yùn)的關(guān)鍵堵點(diǎn)”。上海市公布的《上海市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2022-2035年）》提出，到2035年，工業(yè)產(chǎn)氫能力達(dá)50萬噸/年，建設(shè)30公里輸氫管道。建設(shè)上海化工區(qū)、寶武園區(qū)內(nèi)部氫運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，上海臨港地區(qū)中長期加強(qiáng)輸氫管道建設(shè)等。
從國家和各省市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)劃中可以看出，建設(shè)輸氫管道是儲(chǔ)運(yùn)的重要一環(huán)，對(duì)管道用鋼提出了新要求。
目前國內(nèi)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(guān)于氫氣輸送，現(xiàn)階段主要有兩種方式，一是高壓長管拖車運(yùn)輸氫氣，二是長輸管道運(yùn)輸氫氣。選用何種輸氫方式，取決于運(yùn)輸成本。
高壓長管拖車在小規(guī)模、短半徑輸氫時(shí)經(jīng)濟(jì)性最佳。據(jù)測算，規(guī)模為500千克/天、距離輸氫源點(diǎn)100公里的加氫站，運(yùn)輸成本為6.50元/千克。距離500公里時(shí)，運(yùn)輸成本達(dá)到16.14元/千克。因此，考慮到經(jīng)濟(jì)性問題，長管拖車輸氫一般適用于短距離運(yùn)輸。
管道在大規(guī)模輸氫時(shí)，經(jīng)濟(jì)性最佳。據(jù)測算，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/千克。因?yàn)閴嚎s每千克氫所消耗的電量是相對(duì)固定的，管道輸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。當(dāng)輸送距離為100公里時(shí)，管道運(yùn)輸氫氣的成本為1.43元/千克?？梢姡诖笠?guī)模輸送時(shí)，管道輸氫量具備明顯的成本優(yōu)勢。這有利于推動(dòng)管道輸氫得到快速發(fā)展。
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，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(shè)則起步較晚，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。如2022年11月投運(yùn)的上海市4公里輸氫管道，設(shè)計(jì)輸氫能力5040噸/年，是全球第一個(gè)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?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610毫米，設(shè)計(jì)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(zhì)潔凈煤氣和混合氫氣輸送，長194公里，管徑426毫米，設(shè)計(jì)壓力2.5兆帕，采用螺旋埋弧焊管；等等。
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)）。
國內(nèi)長輸氫管線建設(shè)步入新階段
抗氫致裂技術(shù)亟待突破
以上這些管道對(duì)輸氫來說，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。制氫產(chǎn)地多集中在煤炭化工產(chǎn)業(yè)聚焦的北方地區(qū)，風(fēng)光儲(chǔ)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(jìn)一步開發(fā)。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3000公里。目前，有2條重要輸氫長輸管道建設(shè)正在籌劃之中。
從技術(shù)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(nèi)部，使管線鋼發(fā)生氫致裂，加劇管道失效的突發(fā)性，抗氫致裂是管材高質(zhì)量發(fā)展的方向。因此，管材成分構(gòu)成、管道工程設(shè)計(jì)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(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(shí)間約16年。在積累輸氫管道運(yùn)營實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，中國石化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(jí)管材及焊接接頭性能的綜合評(píng)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(píng)價(jià)、焊接安裝和安全防護(hù)等核心技術(shù)體系，同時(shí)完成了《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。
輸氫管道的技術(shù)關(guān)鍵在于抗氫致裂。目前首鋼技術(shù)研究院對(duì)抗氫致裂的鋼鐵材料進(jìn)行了研究，并已取得突破性進(jìn)展；中石油科研及鋼管企業(yè)對(duì)氫的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析研究；美國對(duì)輸氫管道用鋼材推薦X42、X52等低強(qiáng)度管線鋼。
抗氫鋼管的關(guān)鍵在于對(duì)化學(xué)成分、顯微組織的要求更為嚴(yán)格，主要包括硫（S）、磷（P）、碳（C）、非金屬夾雜物及帶狀組織等，要求具有低焊接當(dāng)量、針狀鐵素體/貝氏體顯微組織，強(qiáng)度級(jí)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(fù)合管等。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)、鋼管企業(yè)應(yīng)在這些產(chǎn)品領(lǐng)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(huì)專家委員會(huì)高級(jí)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(lián)電子商務(wù)股份有限公司鋼管事業(yè)部總經(jīng)理助理）
