1.1 国外氢气管道现状

国外氢气管道建设相对比较成熟，其中美国氢气管道规模最大，总里程超过2700公里，在墨西哥湾沿岸建有全球最大的氢气供应管网，全长约965公里，连接22个化工企业，输氢量达到150×104Nm³/h。欧洲也已建成超过 1500 公里的输氢管道，管道运行压力基本在5MPa以下，管径在100mm～500mm之间，负责将氢气从上游供应商输送至下游工业用户，用作工业原料。国外典型氢气管道统计情况见表1。

1.2 国内氢气管道现状

国内氢气管道建设起步较晚，目前已建或在建的氢气输送管道总里程约 100km，包括金陵-扬子氢气管道、巴陵-长岭氢气提纯及输送管线、济源 -洛阳氢气管道、玉门油田输氢管道等。国内典型氢气管道统计情况见表 2。

2.1 标准规范

国外氢气管道标准体系相对比较成熟，已颁布的标准规范包括美国机械工程师协会编制的 ASMEB31.12-2019 Hydrogen Piping and Pipe-lines（《 氢气管道系统和管道》）、美国压缩气体协会编制的 CGA G-5.6—2005（R2013）Hydrogen PipelineSystems（《氢气管道系统》）等，可用于指导氢气输送管道的设计、施工、运行及维护。

国内氢气管道标准体系尚不完善，更缺少氢气长输管道标准。目前，国内氢气管道设计主要参考 ASME B31.12-2019 Hydrogen Piping and Pipe-lines、GB50251-2015《输气管道工程设计规范》及国内其它氢气管道相关标准规范。国内与氢气管道相关的标准规范主要包括 GB 50177-2005《氢气站设计规范》、GB 4962-2008《氢气使用安全技术规程》、GB/T 34542《氢气储存输送系统》等。

《氢气站设计规范》（GB 50177）适用于氢气站、供氢站及厂区内部的氢气管道设计。《氢气使用安全技术规程》（GB 4962）适用于气态氢生产后的地面作业场所。以上两项标准均不适用于氢气长输管道。

《氢气储存输送系统》（GB/T 34542）适用于工作压力不大于140MPa，环境温度不低于-40℃且不高于65℃的氢气储存系统、氢气输送系统、氢气压缩系统、氢气充装系统及其组合系统，共包含 8个部分：第1部分 通用要求；第2部分 金属材料与氢环境相容性试验方法；第3部分 金属材料氢脆敏感度试验方法；第4部分 氢气储存系统技术要求；第5部分 氢气输送系统技术要求；第 6部分 氢气压缩系统技术要求；第 7 部分 氢气充装系统技术要求；第8部分 防火防爆术要求。其中，第1～3部分已经正式实施，第4～8部分还在起草中。

2.2 工程设计

目前国内已建的几条氢气管道，运行压力均低于4MPa，钢级基本为 L245 或同等级别，且管道长度较短（小于50公里），通常为“一站到底”的模式（仅设置首末站，中间无增压站）。有的氢气管道目前已运行多年，未发生安全事故。因此，低压力、低钢级、短距离的氢气管道在工程设计方面已经没有太大的技术壁垒。对标国外氢气管道建设，国内氢气管道在高压力、高钢级等技术指标方面存在差距。目前国外已大规模应用 X42、X52 钢级输氢管道，同时欧美国家也已经开展了提高运行压力的相关研究。我国对于高压力、大口径（高钢级）、长距离氢气管道输送技术研究仍处于起步阶段，尚未对关键技术进行系统的研究。

氢气输送与天然气输送类似。但是与天然气相比，氢气分子量小、易引发材料氢脆、易泄漏、具有更低的点火能和更宽的爆炸极限，因此氢气管道输送较天然气管道输送危险性更高。氢气管道设计区别于天然气管道主要体现在以下几个方面：

1）管材

氢气易导致材料氢脆，主要失效形式包括氢致开裂、氢鼓泡、机械性能劣化等，以上特性使氢气管道管材选择与天然气管道相比更加严格。氢气管道运行压力越高、材料强度越高，氢脆现象就越明显。所以目前国内外氢气管道运行压力基本在5MPa 以下，且优先选择 X52 及以下的低钢级钢管。参考 ASME B31.12-2019，氢气管道壁厚计算公式与天然气相比增加了“材料性能系数”，钢管计算壁厚会相对增大，有利于增加氢气长输管道的安全性。另外，考虑氢脆对焊缝区域的影响，氢气管道用钢管一般选择无缝钢管、高频电阻焊管或直缝埋弧焊管，不建议使用螺旋埋弧焊管。

2）压缩机

氢气管道用压缩机基于输量、压比、压缩效率等因素考虑，一般采用往复式压缩机。由于氢气分子量小，往复式压缩机比离心式压缩机更高效。国内往复式压缩机单机功率一般在 10MW 以下，制造技术比较成熟，主要应用业绩为石化等工业领域。国外往复式氢气压缩机功率等级更高，部分厂家最大单机功率可达 33MW。随着输氢技术的进步和氢气管道规模的扩大，大排量高功率的氢气压缩机将成为未来的发展趋势。

3）阀门及其它机械设备

氢气管道阀门选型与天然气管道类似，主要阀门类型包括球阀、截止阀等。两者的主要区别在于阀门材质的选择。GB 50177-2005《氢气站设计规范》中对阀门选材做出了规定，具体如下。

其它机械设备如过滤器、收发球筒等与天然气管道类似，但临氢环境对材质、焊接、检验等方面的要求更高，导致设备造价较天然气管道更高。

4）碳钢中氢气最大流速限制

GB 50177-2005《氢气站设计规范》中对站内及厂间氢气管道的流速作出了规定，设计压力 3MPa以上的碳素钢管中氢气最大流速不超过 10m/s。国内已建输氢管道大多参考该规范选择了较为保守的氢气流速，大规模氢气管道还缺乏应用实践，经济流速尚有待探讨。相关研究认为，该流速限定对小管径小输量适用，但在大管径规模化氢气输送场景下则偏保守，建议适当提高氢气的管内流速，有利于减小管径，降低建设投资。

5）最小覆土层厚度及最小间距

ASME B31.12-2019 Hydrogen Piping and Pipe-lines 中对管道最小覆土层厚度和管道与其它地下管道及建构筑物的最小间距做出了规定（详见表4），比天然气管道（GB50251-2015《输气管道工程设计规范》中规定）数值更大，有利于避免第三方破坏。

6）预防氢气积聚

氢气在 PE 管和钢管中的扩散系数远高于天然气，易造成泄露。但氢气在空气中的扩散系数也远大于天然气，在开放空间不容易造成扩散后的聚集。但是对于相对密闭的空间，为防止氢气积聚，需要采取通风措施。参考 GB 4962-2008《氢气使用安全技术规程》中要求，机械通风的建筑物进风口宜设置在建筑物下方，排风口设在上方，使氢气使用区域通风良好，保证空气中氢气最高含量不超过1%（体积）。另外，氢气站场一般尽量避免管道或设备处于密闭空间，例如氢气压缩机厂房经常设置为有棚无墙式结构。

7）预防遇明火爆炸

由于氢气爆炸范围广，点火能量小，具有较高的自燃概率，因此氢气放空管的管口处通常设阻火设施，接至用氢设备的支管一般设切断阀，有明火的用氢设备通常设阻火设施。

2.3 建设、验收、运营

鉴于氢气管道较天然气管道危险性更高，所以在建设、验收、运行等方面要求更为严格。

（1）建设

需要确保管线、管件、设备及其它管道附件的质量（例如 管道内、外表面无锈蚀、损伤，阀门、法兰等的密封性能、设备安全可靠等）；选择合理的焊材及焊接方式（例如 碳钢管道可采用氩弧焊打底、低氢型焊条，手工焊焊接方式等），保证每道焊缝质量；严格进行焊接检验（例如 采用 100%的射线照相检验，再用超声波探伤仪对所选取的焊缝全周长进行 100% 复验）；严格把控施工质量，施工人员考核合格后方准上岗，杜绝粗暴施工造成管道破坏；充分发挥监理的现场监查、信息掌握记录、检查督促施工质量及落实安全措施等职责；可参照智能管道建设进行设计、采办、施工、运行数据采集及智能化管理。

（2）验收

在参照天然气管道验收的基础上，可结合氢气管道失效分析及定性定量风险评价，进行氢气管道竣工验收。

（3）运营

针对氢气管道特性，修正、完善完整性管理及事故应急预案；建立健全管道运行管理制度（包括日常巡检、风险查勘、管道维护、运行监测、完整性管理、事故应急、质量体系完善等），保证管道运行安全。

2.4 建设及输送成本

氢气管道建设成本远高于天然气管道。以美国为例，现有的一些研究表明，氢气管道造价为31～ 94万美元 / 公里，而天然气管道的造价仅为12.5 ～ 50 万美元 / 公里，氢气管道的造价是天然气管道造价的 2 倍多。氢气管道输送成本也高于天然气管道，除了较高的建设成本外，还受到以下因素的影响：

（1）由于氢脆问题对管道材质和设计压力带来的限制，目前国内氢气管道基本均为低压力小口径管道，由此限定了大输量下的输送效率。

（2）氢气体积能量密度低（同等条件下天然气能量密度约为氢气的3.3倍），意味着输送同等能量的氢气相比天然气需要更大的管径和更多压缩能耗，也就意味着更高的运输成本。

（3）氢气流速也是影响运输成本的一个重要因素。目前国内最大流速选取较为保守，氢气管道的经济流速还有待进一步研究。

3.1 标准规范

目前，国内尚没有专门针对氢气长输管道的标准规范用以指导氢气管道的设计、施工、运行及维护。建议加快完善氢气管道标准体系的建立，加强标准的实施与监督。

3.2 工程设计

目前，国内对于低压力、低钢级、短距离的氢气管道已有工程实例，在工程设计方面也没有太大的技术壁垒。但是对于高压力、大口径（高钢级）、长距离氢气管道方面的研究仍处于起步阶段，需要对关键技术进行系统的研究。

1）临氢环境下不同因素对高钢级管材性能影响的定量分析

包括：管材氢脆机理研究；氢气管道不同影响因素（材料组分、材料微观组织、氢气压力、温度、焊缝、环境应力等）对管道氢脆的影响及定量分析；氢气环境下管材力学性能基础数据库（具备条件的情况下，需要建立全尺寸测试装置，模拟服役状态下不同因素对氢脆敏感性的影响）；研究预防氢脆的措施（管材的选择、管材中化学元素的控制或添加、热处理工艺、阻氢涂层、焊接工艺等）。

2）氢气管道失效后果及防控措施研究

研究管道失效后果（可通过泄露扩散数值模拟、泄漏喷射火试验、定量风险评价分析、与天然气管道设计对比分析等方式），制定相应的防控措施（明确管道影响范围及防火间距、提出防控管道腐蚀、泄露等危险有害因素的措施）。

3.3 建设、验收、运营

目前，国内缺少专门针对氢气管道的完整性管理技术，需要结合临氢环境的特殊性进行完善和修正。

3.4 建设及输送成本

氢气管道建设及输送成本较高，是制约氢气管道发展的关键因素。未来，成本的下降主要源于技术的进步。采用更先进更经济的管材，在保证安全的情况下进一步提升输氢压力和管内流速，有助于降低输氢成本。