在全球應對氣候變化和我國提出“雙碳”目標的背景下，急需加快能源綠色轉型，推進氫能產業發展。目前，制約氫能應用的瓶頸是如何輸送和儲存氫氣。已有研究結果表明，管道輸送氫氣仍然是最具經濟性和安全性的方式。然而，鋼質管道內部輸送介質中的氫分子可以吸附于管道內壁，分解成氫原子后可進入管材內部，導致鋼質管道在服役過程中面臨氫脆的風險。因此，在使用在役天然氣管道進行摻氫輸送前，需要對管道在氣相氫環境中的適用性進行評價。

進入21世紀以來，包括歐盟、美國、英國、法國在內的多個國家和組織對天然氣管道摻氫輸送開展了應用示范研究。其中，英國的HyDeploy項目和法國的GRHYD項目主要針對低運行壓力的城市燃氣管道開展了研究，這些項目采用非金屬（PE）管道進行摻氫輸送，管道內摻氫比可達20%，主要側重于評估摻氫輸送對終端用戶的影響；而德國的WindGas Falkenhagen風電制氫項目、意大利的SNAM摻氫輸送項目和由原挪威船級社（DVN GL）組織發起的HYREADY項目則主要研究運行壓力較高的天然氣長輸鋼質管道的摻氫輸送，這些項目仍處于起步階段，研究的摻氫比大多不高于5%。

我國摻氫天然氣管道輸送研究起步相對較晚，目前建成的天然氣摻氫示范項目僅有“朝陽可再生能源摻氫示范項目”，項目一期摻氫比為5%，僅為一個用戶供氣。

總體而言，世界范圍內天然氣管道摻氫輸送仍處于示范階段，雖然，國內外均針對含氫環境中材料力學性能的退化規律開展了相關測試，也積累了一定量的數據，但并未建立統一的氫氣/混氫管道安全輸送的關鍵指標體系，對材料的性能退化程度與服役安全性的關系也尚未形成統一的認識。

現有氫氣管道及儲氫容器相關標準調研

氫能源的發展與應用在世界范圍得到了高度重視，美國是最早將氫能納入能源戰略的國家，歐盟也將氫能作為能源安全和能源轉型的重要保障，各國對氫氣輸送開展了大量研究。

目前，美國機械工程師學會規范ASME B31.12-2019 Hydrogen Piping and Pipelines以及歐洲工業氣體協會（EIGA）文件Doc121/14-2014 Hydrogen Transportation Pipelines是國外氫氣管道設計參考的主要依據。此外，ISO 11114-4-2017 Transportable Gas Cylinders Compatibility of Cylinder and Valve Materials with Gas Contents Part 4: Test Methods for Selecting Steels Resistant to Hydrogen Embrittlement中對于氫氣條件下氣瓶和閥門材料的特殊要求，也可作為氫氣管道設計的參考依據。國內正在起草的GB/T 34542《氫氣儲存輸送系統》中，已經發布的GB/T 34542.2《金屬材料與氫環境相容性試驗方法》和GB/T 34542.3《金屬材料氫脆敏感度試驗方法》也對管道材料提出了要求。

ASME B31.12-2019

美國機械工程師學會規范ASME B31.12-2019由美國標準協會于1926年3月發起，ASME B31.12規范第一版適用于氫行業管道、管道和分配系統的設計、建造、操作和維護要求。目前，氫氣對碳和低合金鋼的力學性能的不利影響已經被考慮到材料性能要求中。ASME B31.12標準共包括三部分：

(1) 通用要求；

(2) 氫氣站設備和管件要求；

(3) 氫氣管道要求。

對于氫氣管道部分，標準的應用溫度范圍為-62~232 ℃，壓力不超過21 MPa，管道輸送介質中水的質量濃度低于20 mg/L（標準大氣壓下的水露點為-55 ℃），管道中的氫含量高于10%的管道輸送系統。

標準中對于管道材料的一般規定指出，輸氫管道可選用的材料包括X42~X80鋼級，但通常推薦采用API5L中的B、X42和X52鋼級的管材，當選用X65以上鋼級材料時，運行壓力應當不超過10.5 MPa。當選用X52及以上的SMLS管材時，建議采用淬火+回火處理，可得到細小彌散的球狀碳化物組織，消除淬火產生的馬氏體組織。盡量選取強度較低的鋼級來減輕氫脆的影響，管材的組織應當分布均勻，并嚴格控制夾雜物含量及形狀等來減輕氫致開裂的影響，從而保證管道具備抵抗氫氣破壞的能力。可選用的焊接方法包括雙面埋弧焊（DSA）、熔焊（EFW）、電阻焊（ERW）、閃光焊（FW）和無縫鋼管，且標準中明確要求，對接爐焊接（FBW）不可用于氫氣管道焊接。

此外，標準中從管道設計角度進一步對管道材料的性能提出了要求。標準給出了基于規范和基于設計的兩種方法。

Doc121/14-2014

歐洲工業氣體協會文件Doc121/14-2014是基于西歐和北美主要生產商的知識、經驗和實踐的基礎編制的，不是強制性的標準或規范，主要面向于從事管道輸送和分輸系統安全設計、運行和維護的人員。

該文件適用于輸送純氫或混合氫氣的金屬管道，溫度范圍為-40~175 ℃，總壓為1~21 MPa（不銹鋼氫分壓≥0.1 MPa），水質量濃度低于20 mg/L（標準大氣壓下的水露點為-55 ℃），CO2質量濃度低于100 mg/L，合適的H2和CO含量比值（見文件中附錄G表格）。

文件中對于管道材料的一般要求指出，管材的硬度不應超過22 HRC或250 HB（等同于拉伸強度800 MPa），焊接結構也應該符合該硬度極限。無縫壓力容器材料的極限拉伸強度可達到950 MPa。通常采用均勻的細晶組織合金，避免使用過硬或強度過高的合金，使用清潔度更高的鋼材，降低鋼中的非金屬夾雜物，避免管件存在的表面和內部缺陷提高氫脆抗力。如果無法滿足上述條件，則可能需要降低運行壓力（低于30%的最低屈服強度或20%的最小極限抗拉強度）。

文件中指出，氫氣輸送管道最常用的材料是碳鋼，碳鋼強度等級的選擇取決于環境條件、適用性和成本。一般來說，API 5L中的X52鋼（和更低級別）及ASTM A 106中的B級常規碳鋼在氫氣管道領域中的應用較廣泛。對于API 5L管道，應采用PSL2技術規格。管道的熱處理狀態應為正火處理，同時需要注意熱處理過程和熱處理后材料的表面狀態。嚴格控制材料中的S和P含量，最大碳當量不超過0.43。此外，材料的強度和韌性對保證氫氣管道的安全運行也至關重要。

文件中的附錄B給出了在氫氣環境中材料性能的評價方法。但除緊固圓盤壓力試驗外，并未給出其他性能需要達到的要求。

GB/T 34542-2018

GB/T 34542-2018《氫氣儲存輸送系統》適用于工作壓力不大于140 MPa，環境溫度不低于-40 ℃且不高于65 ℃的氫氣儲存系統、氫氣輸送系統、氫氣壓縮系統、氫氣充裝系統及其組合系統。標準共包含8個部分，其中，第1、2、3部分已經正式實施，其余5個部分還在起草中。

標準在通用要求部分提到，選擇系統用材料應綜合考慮使用條件（如氫氣純度、工作溫度、工作壓力、操作特點等）、材料性能（力學性能、工藝性能、物理性能和化學性能）、設備制造工藝以及經濟合理性。系統用材料的質量、規格與標志應當符合相應材料的國家標準或者行業標準的規定，與氫氣直接接觸的材料應與氫氣有良好的相容性。材料首次在壓縮氫氣環境中適用，或者當缺少在壓縮氫氣環境中的性能數據時，應在與適用條件相當的氫氣組分、溫度和壓力范圍內進行材料和氫相容性試驗。

已經發布的GB/T 34542.2和GB/T 34542.3對管材在氫氣環境中的相容性評價方法做出了要求，主要包括SSRT、斷裂韌度試驗、疲勞壽命試驗、疲勞裂紋擴展速率試驗以及緊固圓盤壓力試驗。

與Doc121/14-2014類似，GB/T 34542-2018標準中除緊固圓盤壓力試驗外，并未給出材料在氫氣環境中的其他各項性能指標的具體要求。

ISO 11114-4-2017

ISO 11114 Transportable Gas Cylinders Compatibility of Cylinder and Valve Materials with Gas Contents雖然是氣瓶相關標準，但其在第4部分給出了氫氣條件下金屬材料的氫脆敏感性測試方法，這也可作為輸氫管道材料評價的參考。標準中主要包括碟形測試（緊固圓盤壓力試驗）、斷裂韌性KIH測試、氫致裂紋擴展測試以及拉伸測試。

標準中的氫脆測試方法對比

根據上節各標準規范中的管材性能要求和測試規定，總結金屬材料在氫氣環境中的相容性測試方法主要包括拉伸試驗、疲勞試驗、斷裂韌性試驗以及緊固圓盤壓力試驗，各標準中要求的測試類型及給出的測試方法參考標準如下表所示。

為了進一步明確各項標準/文件列出的測試方法差異，下面將從各項性能角度分別進行對比分析。

拉伸性能

GB/T 34542.2和Doc121/14中均列出了拉伸性能測試方法，兩種標準中規定的試樣類型均為光滑試樣和帶缺口的試樣，但關于試驗加載速率的規定存在區別。

GB/T 34542.2給出了兩種試樣的加載速率，其中光滑試樣標距段的應變速率應不超過2×10-5 s-1，缺口試樣以缺口為中心，長度為25.4 mm試樣段的應變速率應不超過2×10-6 s-1；Doc121/14中關于拉伸性能給出了兩種測試方法，一種是參考ASTM G142開展強度和拉伸性能測試，光滑圓棒試樣的拉伸速率為0.002 mm/s±10%，缺口圓棒試樣的拉伸速率為0.02 mm/s±10%；另一種是參考ASTM G129-2000開展SSRT，應變速率可以低至10-7 s-1。

此外，兩個文件中關于試驗環境的要求也有差別。GB/T 34542.2規定，在環境艙加壓后，應至少保壓10 min，待壓力和溫度穩定后進行測試；而Doc121/14中的兩種測試均可以在保持足夠的預充氫時間后進行，以便于讓氫氣有足夠的時間擴散進入材料。

關于拉伸性能，各標準中均未給出評判依據，在氫氣環境中拉伸指標降低到多少，材料是否能夠使用并不清楚。圖1為在ASMT G142要求的0.02 mm/s以及更低的拉伸速率下X80鋼在含氫3%和4%，總壓為12 MPa的環境中的性能測試結果。

圖1 應變速率對X80鋼缺口圓棒試樣在3%和4%含氫量，12 MPa總壓環境中材料性能的影響

由圖1可見，應變速率對氫氣環境中材料性能的退化程度有較大影響。因此，選定合適的測試速率，并確定相應的評價限值，拉伸性能測試才能作為輸氫條件下材料適用性的評判依據。

斷裂韌性測試

調研的4個標準/文件中都對斷裂韌性測試進行了規定，但在試樣類型、氣氛、測試方法和評判依據等方面存在差異。

GB/T 34542.2中規定測試用氫氣應滿足GB/T 3634.2中的高純氫要求，如果是含氫混合氣，應規定混合氣中的氧氣和水含量。測試樣品和測試過程參考GB/T 21143中的相關要求，可采用標準緊湊拉伸（CT）試樣或三點彎曲試樣，通過緩慢增加位移量，最終獲得材料的斷裂韌度K、J積分（不可忽略的裂紋尖端塑性變形條件下的斷裂韌度）或裂紋尖端張開位移δ（不可忽略的裂紋尖端塑性變形條件下的斷裂韌度，由試樣狀態確定）。標準中并未給出氫氣條件下斷裂韌性應滿足的要求。

ASME B31.12規定測試樣品為CT試樣，測試氣氛應滿足的條件為ρO2＜1 mg/L、ρCO2＜1 mg/L、ρCO＜1 mg/L和ρH2O＜3 mg/L，具體制樣及加載細節參考ASTM E647。與GB/T 34542.2不同，ASME B31.12中明確給出了氫氣環境中材料斷裂韌性的判斷依據，試驗時采用等載荷或等位移加載應力強度KIAPP（由用戶根據斷裂力學計算確定），在室溫下的加壓氫氣中保持加載狀態一段時間，如果試樣的亞臨界裂紋擴展不超過0.25 mm，則該材料適用。

ISO 11114-4中與斷裂韌性相關的測試有兩種，一種是斷裂韌性數值測試，另一種為裂紋擴展測試。標準中規定兩種測試的樣品均為CT試樣，測試氣氛應滿足氫氣壓力15 MPa，純度99.9995%（O2體積分數≤0.1 μL/L，H2O體積分數≤0.5 μL/L），具體制樣及加載細節參考ISO 7539。ISO 11114-4中也明確給出了在氫氣環境中材料斷裂韌性的評判依據；斷裂韌性數值測試從1 MPa·m1/2開始加載，保持20 min，以2×10-3 kN·s-2的速率每次加載1 MPa·m1/2直到裂紋擴展，當KIH≥(60/950)×Rm MPa·m1/2時，材料可以使用；在裂紋擴展測試方法中，將試樣加載到(60/950)×Rm MPa·m1/2，加載時間為1000 h，如果裂紋擴展不超過0.25 mm，則該材料可以使用。

綜上所述可知，GB/T 34542.2中只給出了測試方法，沒有評判依據，ASME B31.12和ISO 11114-4中均給出了材料適用性的評判依據。ASME B31.12中的評判依據和ISO 11114-4中的裂紋擴展測試評判依據比較相似，但前者未給出明確的加載時間，且二者中規定的加載力計算方法也存在較大差別。因此，還需要進一步結合管道服役狀況確定含氫條件下的斷裂韌性測試方法和評判依據。

疲勞測試

在GB/T 34542.3和ASME B31.12-2019中均對疲勞性能測試進行了規定，而在Doc121/14及ISO 11114-4中未涉及這項測試。

GB/T 34542.3中列出了疲勞壽命和疲勞裂紋擴展速率兩種測試，但并未給出如何對測試結果進行評價。

ASME B31.12-2019中提到的疲勞性能測試是為了計算獲得KIA值，作為評判KIH值的判據，并不以疲勞性能單獨作為材料適用性的判據。

而Doc121/14文件指出，碳鋼和低合金鋼即使在較低的氫氣壓力下也會出現疲勞裂紋擴展速率增加和疲勞極限退化的現象。但由于管道的運行壓力通常接近于恒定值，認為氫氣管道通常不會面臨疲勞開裂的問題。

圖2是X80鋼在1%含氫量、12 MPa總壓條件下的疲勞裂紋擴展速率測試結果，可見即使在1%含氫量下，X80鋼的疲勞裂紋擴展速率也提高了一個數量級。因此，疲勞性能測試是否作為輸氫管道適用性評價中的一項測試，獲得的測試結果如何評價，需要進一步的研究。

圖2 X80鋼在1%含氫量、12 MPa總壓條件下的疲勞裂紋擴展速率測試結果

緊固圓盤壓力試驗

在GB/T 34542.3、Doc121/14和ISO 11114-4中均對緊固圓盤壓力（碟形爆破）試驗進行了規定。其中，Doc121/14中的測試方法參考ASTM F1459。

各項標準中的測試要求基本一致，均是通過測試圓盤樣品在氫氣和氦氣環境中和不同升壓速率下的爆破壓力，并計算PHe/PH2的最大比率，評價材料的氫脆敏感性。當PHe/PH2為1時，材料對氫氣不敏感；當PHe/PH2高于2時，材料對氫氣敏感，應避免在PHe/PH2介于1和2之間的氫氣環境中使用，材料長時間暴露在氫氣環境中可能會發生氫脆。

GB/T 34542.3和ASTM F1459中規定，氣體只能是氫氣和惰性氣體（氦氣），ISO 11114-4中指出，也可根據實際環境條件采用氫氣混合氣代替氫氣進行測試。但需注意的是，ASTM F1459和ISO 11114-4標準適用于評價高壓氫氣環境中材料的適用性。對于混氫輸送管道，采用該評價方法是否合理，當PHe/PH2介于1和2之間時，材料能否在混氫輸送下使用有待進一步的研究。

結論與展望

氫氣/混氫輸送管道在服役過程中存在氫脆風險，管材的設計及適用性評價方法可以參考ASME B31.12-2019、Doc121/14-2014、ISO 11114-4-2017以及GB/T 34542.2-2018和GB/T 34542.3-2018。

ASME B31.12-2019和Doc121/14-2014對輸氫管材的設計要求進行了規定，其中ASME B31.12-2019中的要求更為具體，Doc121/14-2014較為籠統，屬于非強制性標準/規范，Doc121/14-2014中更多的是基于西歐和北美主要生產商的經驗總結。ISO 11114-4-2017、GB/T 34542.2-2018和GB/T 34542.3-2018只是測試標準，不涉及設計要求。

各標準中提到的材料在含氫環境中的適用性評價方法主要包括拉伸測試、斷裂韌性測試、疲勞性能測試和緊固圓盤壓力測試，不同標準中要求的測試內容和測試方法均存在差異。

目前，標準并未給出拉伸性能和疲勞性能測試結果的評價限值，也未形成統一的基于斷裂韌性的評價方法，雖然各標準中對緊固圓盤爆破壓力給出了較為一致的評價判據，但對于混氫輸送條件是否適用尚不明確。因此，亟需結合氫氣/輸氫管道的服役環境，結合管材的氫脆機理和測試數據，建立氫氣/輸氫管道的適用性評價方法和評價限值要求。