氢气管道发展与管线钢氢脆挑战
掺氢天然气环境下管道钢氢脆行为研究进展
掺氢天然气环境下管道钢氢脆行为研究进展摘要：近年来，我国大力发展氢能，但其运输、贮存费用过高已成为制约我国发展的一个重要问题。
利用现有的天然气管线输送氢是实现大规模、经济、高效的氢运输的最好途径。
但是，氢气的加入会引起管线钢的氢脆性，对输氢管线的安全运行构成了极大的威胁。
为了促进国内掺氢天然气管线的发展，对国内外有关氢脆的研究进行了总结，总结了温度、压力、氢比等因素对管线钢氢脆性能的影响，并对其强度、微观组织、氢陷阱等性能与管线钢氢脆性能的关系进行了总结。
研究结果表明：在掺氢气管线中，不同工况对管线钢氢脆性能的影响是目前急需解决的主要问题；研究了掺氢气管线安全运行温度、压力、掺氢比等关键技术指标；在各种使用情况下，对掺氢气管线进行安全评估，并完善其与现有管线的兼容性评估；制定含氢气管线的设计规范及有关标准；对各种防氢脆进行了评估，如气体抑制剂、阻氢涂料。
关键词：规模；氢脆性；微观组织随着全球能源需求量不断增长，气候问题日趋严峻，清洁低碳能源的发展在世界范围内受到广泛重视。
国家发展和改革委员会制订的《能源技术革命创新行动计划》明确指出要大力发展氢气的储运、利用技术。
在现有氢能储运技术中，在现有的天然气管道中，采用掺氢方式进行氢气运输是最经济的。
美国，日本，以及其他32个国家，共实施了192个含氢气的工程。
针对我国目前存在的掺氢气管线运输瓶颈问题，中国正在积极开展中低压、高压纯氢与掺氢天然气管道及其应用安全技术研究，力图加快氢能管道发展，助力实现“双碳”目标。
在氢气管道输送关键技术中，管材评价是研究基础，是开展天然气管道掺氢输送相容性评价的关键。
管线钢在临氢环境中可能发生性能劣化甚至失效，此为利用钢制管道输送氢气的一个重大限制因素。
管道中的氢气分子与钢材表面碰撞并吸附于钢材表面，随后以原子形式渗入钢材，使管线钢发生氢脆、氢致开裂、氢鼓泡等氢损伤现象。
通常，氢脆将导致材料韧性、塑性、疲劳强度显著下降，并使材料的断裂行为从韧性断裂转变为脆性断裂，加剧管道失效的突发性。
“双碳”背景下氢冶金发展面临的机遇、挑战及对策建议
机遇、挑战及对策建议｜冯相昭 黄晓丹 李欢 张秉毅 李建OPPORTUNITIES, CHALLENGES AND COUNTERMEASURES FOR THE DEVELOPMENT OF HYDROGEN METALLURGYIN THE CONTEXT OF CARBON PEAK AND CARBON NEUTRALITY钢铁工业是国民经济的重要基础产业，是我国推进新型工业化和建设现代化强国的重要支撑，是实现绿色低碳发展的重要领域。
近年来，光伏、风电等绿色电力的规模化应用与电解水制氢技术成本的快速下降，激活了氢产业发展新动能，为我国推进氢冶金1发展带来难得的历史性机遇。
在氢冶金技术发展和钢铁企业低碳绿色转型进程中，建立一定规模的生产示范线是大规模工业应用的基础，目前国内龙头企业已提前布局和探索。
在现有氢冶金生产示范线探索实践中，还面临着各种问题和诸多挑战，需要国家层面创新体制机制，多部门形成政策合力，促进氢冶金技术应用，推动钢铁行业绿色低碳高质量发展。
一、氢冶金有望开启钢铁行业绿色低碳技术革命的新征程（一）我国钢铁碳排放量占比高，绿电制氢技术进步驱动氢冶金应用钢铁是典型的高载能、高碳排行业，我国钢铁工业碳排放量约占全国碳排放总量的15%，占世界钢铁工业碳排放总量的51%，面临严峻的碳减排压力。
同时，钢铁的碳足迹向下游产业传导，将影响我国汽车、家电等众多重点产加快建设氢冶金技术创新试验平台，打造绿氢供应体系，推动制氢成本下降，出台支持氢冶金发展政策。
氢冶金技术是用氢取代碳作为还原剂和能量源炼铁。
氢冶金按气体来源通常分为富氢气体还原（天然气、焦炉煤气和煤制气）与纯氢还原，按反应场景通常分为高炉富氢冶炼技术与气基直接还原技术。
现阶段，氢冶金已具备理论支撑和实践应用条件。
相关研究表明，氢冶金技术项目具有显著的绿色低碳绩效，以天然气、焦炉煤气的氢基竖炉直接还原-电炉冶炼工艺为例，每生产1t 钢产生的颗粒物、二氧化硫、氮氧化物较长流程高炉-转炉流程分别下降26.3%、41.1%、43.2%。
天然气加氢对燃具及管道的影响分析
天然气加氢对燃具及管道的影响分析天然气加氢主要目的是基于能源供应安全保障和减少温室气体排放的考虑。
氢气具有燃烧速度快，燃烧界限宽，比热值小，淬熄长度长等特点，天然气中掺入氢气可以改变天然气的燃烧特性。
掺氢天然气终端用户主要为作为城镇燃气使用，即商业或者民用气燃料，应保证加入氢气后终端用户.0的燃具不改变。
天然气的主要成分甲烷和氢气的理化性质见表1。
从这些性质可以看出，甲烷和氢气的理化性质有很大的差别。
表1 甲烷和氢气的物性对比表注：1.表中参比条件为101.325kPa，15℃；2.空气的摩尔质量为28.9626kg/kmol1 基础数据拟建管道输送的天然气组分见表2。
表2 天然气气体组分表1.2城镇燃气技术指标根据天然气终端使用用户的不同，天然气中加入氢气的比例也会不同。
城镇燃气用户中，国内广泛使用的燃具均以12T基准气为标准进行设计的，当天然气中加入氢气时，会改变天然气的气质组分发生变化，燃具的燃烧工况将随之改变，进而影响燃具的燃烧性能，严重时将导致燃具无法正常使用。
因此，在天然气中加入氢气的比例，应以不改变终端用户燃具为前提，即考虑互换性的问题。
在《城镇燃气设计规范》（GB50028）中规定，城镇燃气偏离基准气的波动范围宜按现行的国家标准《城市燃气分类》（GB/T13611）的规定采用，并应适当留有余地。
城镇燃气中12T基准气的性能指标见表3。
表3 12T基准气的性能指标表注：天然气标准参比条件为101.325kPa，15℃。
2 燃具互换性影响分析2.1主要参数衡量燃具互换性的主要参数有天然气热值、华白数和燃烧速度指数。
1）热值燃气的热值按式1计算：式中：H为燃气热值（分高热值和低热值），MJ/m3；Hr为燃气中r可燃组分的热值，MJ/m3；fr为燃气中r可燃组分的体积分数，%。
2）华白数燃气的华白数按式2计算：式中：Ws为高华白数，MJ/m3；Hs为燃气高热值，MJ/m3；d为燃气相对密度（干空气的相对密度为1）。
Q345R(R-HIC)中HIC氢致开裂分类(氢脆和氢腐蚀)
Q345R（R・HIC）中HIC 试验1、氢致开裂（HIC）试验简介氢致开裂（HIC）英文全称是：Hydrogen induced crackingo硫化氢是石油和天然气中最具腐蚀作用的有害介质之一，在天然气输送过程中，硫化氢对输送管线的应力腐蚀占很大比重。
在湿硫化氢环境中使用时，能导致碳钢内部出现氢鼓泡（HB）、氢致开裂（HIC）和应力导向的氢致开裂（SOHIC）。
管材在含硫化氢等酸性环境中，因腐蚀产生的氢侵入钢内而产生的裂纹称为氢致开裂（HIC）国标GB/T8650-2006《管线钢和压力容器钢抗氢致开裂评定方法》，规定了管线钢和压力容器钢板在含有硫化物水溶液的腐蚀环境中，由于腐蚀吸氢引起的HIC的评定方法。
美标NACE TM 0284管道、压力容器抗氢致开裂钢性能评价的试验方法,规定了HIC氢致开裂的评定方法。
2、氢致开裂分类（氢脆和氢腐蚀）1）氢脆：各种情况下产生的氢原子直接渗透到钢内部后，使钢晶粒间原子结合力降低，造成钢材的延伸性、端面收缩率降低，强度也发生变化。
在裂纹尖端有与阳极反应相应的阴极反应发生。
所生成的氢或加工氢进入钢中引起氢致开裂。
2）氢腐蚀：氢与钢中的碳化物发生反应产生甲烷，甲烷气体不能从钢中扩散出去，聚集在晶粒间形成局部高压，造成应力集中，进而使钢材产生微裂纹或鼓泡。
3、破坏类型在石油天然气行业和石化行业中，如果在湿H2S环境下选用碳钢或低合金钢，那么钢板会发生很严重的脆化。
这种脆化的机理是：H2s与钢材表面发生腐蚀反应产生氢，而后氢又被钢材吸收导致氢脆。
对于低合金钢来说，这种破坏可分为以下几种类型：1）氢诱导开裂（HIC）。
HIC不需要应力就可以在钢材内部产生并传播。
2）硫化物应力开裂（SSC） ° SSC主要出现在硬度高的区域，如焊缝区。
3）应力方向氢诱导开裂（SOHIC）o事实上，SOHIC可被看作是HIC和SSC共同作用的结果。
4）氢致延迟裂纹：容器在焊接过程中，焊接材料中水分或油污在电弧高温作用下分解产生氢，这些氢一部分进入熔融的焊缝金属中，当焊缝冷却时来不急扩散出去形成局部高压而导致焊缝出现微裂纹的现象。
(完整版)氢脆问题汇总
氢脆（hydrogen embrittlement）是指金属材料在冶炼，加工，热处理，酸洗和电镀等过程中，或在含氢介质中长期使用时，材料由于吸氢或氢渗而造成机械性能严重退化，发生脆断的现象．从机械性能上看，氢脆有以下表现：氢对金属材料的屈服强度和极限强度影响不大，但使延伸率是断面收缩率严重下降，疲劳寿命明显缩短，冲击韧性值显著降低．在低于断裂强度拉伸应力的持续作用下，材料经过一段时期后会突然脆断．氢脆的机理学术界还有争议，但大多数学者认为以下几种效应是氢脆发生的主要原因：1. 在金属凝固的过程中，溶入其中的氢没能及时释放出来，向金属中缺陷附近扩散，到室温时原子氢在缺陷处结合成分子氢并不断聚集，从而产生巨大的内压力，使金属发生裂纹．2. 在石油工业的加氢裂解炉里，工作温度为300-500度，氢气压力高达几十个到上百个大气压力，这时氢可渗入钢中与碳发生化学反应生成甲烷．甲烷气泡可在钢中夹杂物或晶界等场所成核，长大，并产生高压导致钢材损伤．3. 在应力作用下，固溶在金属中的氢也可能引起氢脆．金属中的原子是按一定的规则周期性地排列起来的，称为晶格．氢原子一般处于金属原子之间的空隙中，晶格中发生原子错排的局部地方称为位错，氢原子易于聚集在位错附近．金属材料所外力作用时，材料内部的应力分布是不均匀的，在材料外形迅速过渡区域或在材料内部缺陷和微裂纹处会发生应力集中．在应力梯度作用下氢原子在晶格内扩散或跟随位错运动向应力集中区域．由于氢和金属原子之间的交互作用使金属原子间的结合力变弱，这样在高氢区会萌生出裂纹并扩展，导致了脆断．另外，由于氢在应力集中区富集促进了该区域塑性变形，从而产生裂纹并扩展．还有，在晶体中存在着很多的微裂纹，氢向裂纹聚集时有吸附在裂纹表面，使表面能降低，因此裂纹容易扩展．4. 某些金属与氢有较大的亲和力，过饱和氢与这种金属原子易结合生成氢化物，或在外力作用下应力集中区聚集的高浓度的氢与该种金属原子结合生成氢化物．氢化物是一种脆性相组织，在外力作用下往往成为断裂源，从而导致脆性断裂．氢脆给人类利用金属带来了风险，因此研究氢脆的目的主要在于防止氢脆，由于氢脆的原因很多，而且人类的认识也不够透彻完整，所以现在还无法完全防止氢脆．目前防止氢脆的措施有以下几种：1. 避免过量氢带入--在金属的冶炼过程中降低相对湿度，对各种添加剂和钢锭模进行烘烤保持干燥．2. 去氢处理--减缓钢锭冷却速度使氢有足够的时间逸出，或把钢材放在真空炉中退火除氢．3. 钢中添加适当的合金元素，形成弥散分布的第二相，做为氢的不可逆陷阱，使得材料中的可活动氢的含量相对地减少，从而降低材料的氢脆倾向．4. 发展新的抗氢钢种，氢在体心立方晶体结构中的扩散速度比六角密堆结构或面心立方结构中的扩散速度高得多，所以抗氢钢常以具有面心立方结构的相为基，再加其他强化措施，可使其满足使用强度要求．5. 采用适当的防护措施--在酸洗或电镀时在酸液或电解液中添加缓蚀剂，使溶液中产生的大量氢原子在金属表面相互结合成氢分子直接从溶液中逸出，避免氢原子进入金属内部．此外，在构件外涂敷防腐层或在工作介质中施加保护电位，可避免构件与介质反应生成氢．一般在使用氧炔焰时产生氢脆的可能性比较小。
含氢气甲烷管道材质要求
含氢气甲烷管道材质要求随着能源需求的增长，氢气和甲烷作为清洁能源的重要组成部分被广泛应用。
为了确保管道系统的安全性和可靠性，选择合适的管道材质至关重要。
本文将介绍含氢气甲烷管道材质的要求。
一、耐腐蚀性能氢气和甲烷具有一定的腐蚀性，因此管道材质要具备良好的耐腐蚀性能。
常用的耐腐蚀材料包括不锈钢、镍基合金和复合材料等。
不锈钢具有良好的耐腐蚀性和机械性能，能够满足一般工况下的要求。
镍基合金由于其优异的耐腐蚀性能和高温强度，适用于高温高压环境。
复合材料由于其轻质、高强度和良好的耐腐蚀性能，在一些特殊工况下也得到了应用。
二、抗氢脆性氢气会对金属材料产生氢脆现象，导致材料的脆裂和失效。
因此，含氢气甲烷管道材质要具备较好的抗氢脆性。
一般来说，低碳钢和合金钢具有较好的抗氢脆性，但在高温高压条件下容易发生氢脆。
因此，在高温高压条件下，应选择具有较好抗氢脆性的特殊合金材料，如铁镍合金、钛合金等。
三、耐高温性能氢气和甲烷在运输过程中可能会处于高温状态，因此管道材质要具备良好的耐高温性能。
高温下，一般金属材料的强度和韧性会下降，容易导致管道失效。
因此，在高温条件下，应选择具有良好耐高温性能的材料，如高温合金、陶瓷材料等。
四、机械性能管道材质要具备良好的机械性能，包括强度、韧性和硬度等。
强度和韧性是保证管道系统运行安全的基本要求，而硬度则会影响到安装和维修的难度。
通常情况下，管道材质要具备足够的强度和韧性，同时保证一定的可加工性。
五、密封性能管道系统的密封性能对于运输氢气和甲烷是至关重要的。
管道材质要具备良好的密封性能，能够有效防止气体泄漏。
常用的密封材料包括橡胶、聚四氟乙烯等，可以有效地提高管道系统的密封性能。
含氢气甲烷管道材质要求包括耐腐蚀性能、抗氢脆性、耐高温性能、机械性能和密封性能等方面。
在实际应用中，需要根据具体的工况和要求选择合适的管道材质，以确保管道系统的安全可靠运行。
氢脆发生的主要原因和防止措施
氢脆发生的主要原因和防止措施结构钢材因其高性能和抗腐蚀的特性，一直是重要的建筑材料。
近年来由于技术进步，结构钢材应用越来越广泛，也在提高质量和性能方面取得了显著进展。
然而，由于结构钢材表面受到腐蚀损伤，存在着氢脆的危险，此类建筑结构有时会发生爆裂。
本文将详细介绍氢脆发现产生的原因和相应的预防措施。
氢脆作为一种特殊的界面断裂破坏性，是由于结构钢材表面上的低碳区环境下腐蚀和断裂破坏形成的，从而造成结构钢材的自身强度，硬度，弹性和断裂抗拉强度等微观结构发生变化，而受碳素含量低的结构钢材影响最大。
浅表结构钢材的氢脆发生在三个基本的过程中：氢的析出过程，应力集中和结构变化过程。
氢的析出过程在碱性或酸性条件下，电解、侵蚀和其他方式释放外界氢原质，使表面钢材中的化学缺陷（低碳区）中吸收这些氢原质，由此产生化学成分性介质王背景下形成的高应力应激（称为应力集中过程），这样就会引起材料的结构和性能变化，从而改变材料的断裂行为。
因此，从这些现象来看，外部环境的背景、热处理表面质量的控制等决定了结构钢材低碳区的氢脆风险。
预防氢脆发生在准备和涂层工艺程序中很重要。
首先，在制造过程中严格控制钢材的化学成分，减少材料中的低含量区，并且应尽量使用中低碳钢材，因为它更加坚韧，不易产生脆性。
其次，热处理的表面质量也很重要。
结构钢材应进行适当的热处理，以减少钢材表面质量，提高抗拉强度和弹性。
最后，进行正确的涂层处理可以提高材料的腐蚀防护效果。
可以使用结构钢材的密封涂层来对表面施加保护层，确保材料的抗氧化性，防止氢脆的发生。
总之，氢脆是造成结构钢材爆裂的主要原因，如何有效防止氢脆发生，是大家关心的问题，需要从准备工艺和涂层工艺着手，从而达到预防氢脆发生的目的。
管线钢氢相容性测试方法及氢脆防控研究进展
2023-10-29CATALOGUE 目录•研究背景与意义•氢脆及氢相容性•管线钢氢相容性测试方法•氢脆防控研究•研究进展与展望01研究背景与意义管线钢在石油、天然气等管道运输领域的应用越来越广泛，但存在氢致开裂（HIC）和延迟断裂（LF）等氢相容性问题，严重影响管线钢的安全使用。
氢相容性测试方法及氢脆防控技术是解决上述问题的关键，但目前仍存在测试结果不准确、防控效果不稳定等问题，制约了管线钢的安全使用。
研究背景研究成果可以为国内外同类研究提供参考和借鉴，推动管线钢氢相容性测试方法及氢脆防控技术的发展和应用。
研究意义研究管线钢氢相容性测试方法及氢脆防控技术，有助于提高管线钢的安全性能，保障石油、天然气等管道运输的安全性和可靠性。
通过研究管线钢氢相容性测试方法及氢脆防控技术，可以进一步揭示氢致开裂和延迟断裂的机制，为优化管线钢的成分和加工工艺提供理论支持，提高管线钢的质量和可靠性。
02氢脆及氢相容性氢脆简介氢脆通常表现为材料内部微观结构的不均匀性，导致应力集中，在材料受到外力作用时容易产生裂纹。
氢脆的发生与材料的成分、微观结构和环境因素等有关，是材料科学与工程领域的一个重要研究方向。
氢脆是金属材料在冶炼、加工和使用过程中，由于吸附和溶解了过饱和的氢，导致材料塑性和韧性显著下降的现象。
氢相容性定义氢相容性是指金属材料在含氢介质中，对氢的吸附、扩散、反应等行为的适应性。
氢相容性良好的材料在含氢环境中能够保持优良的力学性能和耐腐蚀性能，而氢相容性不良的材料则容易发生氢脆或氢致开裂等损伤。
材料的氢相容性与其成分、微观结构和表面处理状态等因素有关，是评价金属材料在含氢环境中应用性能的重要指标。
不同材料的化学成分对氢的吸附和扩散能力有显著影响，如碳钢和合金钢的氢相容性差异。
氢相容性影响因素材料成分材料的晶粒大小、晶界特性、位错密度等微观结构因素对氢的扩散和反应行为有重要影响。
微观结构温度、压力、介质成分等环境因素对材料的氢相容性也有重要影响，如高温高压环境下钢材的氢脆风险增加。
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氢气管道发展与管线钢氢脆挑战
程玉峰;孙颖昊;张引弟
【期刊名称】《长江大学学报:自然科学版》
【年(卷),期】2022(19)1
【摘要】作为一种绿色、清洁的燃料(或能源载体),氢在实现净零排放目标上将发挥重要作用。
在建设以氢能为基础的规模经济中,氢的高效、安全运输是关键的一环。
氢的管道运输具有运载量大、效率高、经济实惠等优势,如果能够利用现有天然气管网实现氢的运输,则可以进一步降低成本,促进氢的规模经济的发展,但高压氢气管道或天然气/氢气混输管道存在氢脆失效的风险。
阐述了氢能与氢经济发展的背景以及管道运输的巨大意义,讨论了氢气管道发生氢脆的热力学条件、氢的渗透与扩散行为、氢致失效的机理和失效形式等,证明了管线钢在管输条件下氢分子发生解离吸附的热力学可行性,分析了氢气管道存在发生氢脆或其他氢致失效形式的风险。
当前,氢气管道发生氢致失效的研究具有相当大的发展空间,进一步的研究将主要集中在原子尺度测量与计算模拟方面。
【总页数】16页(P54-69)
【作者】程玉峰;孙颖昊;张引弟
【作者单位】加拿大卡尔加里大学机械工程系 1N4;长江大学石油工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TQ116.2;TQ022.115
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