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克孜勒蘇應用分享丨氫氣長輸管道市場增長可期,纖維復合材料企業應重點關注

發布時間: 2022-04-14    作者:admin
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氫能作為一種零碳高效新能源,在世界能源轉型中的應用價值日益凸顯,世界主要發達國家近年紛紛出臺政策大力支持氫能產業發展,美國、日本、歐盟、澳大利亞、韓國等國家和地區相繼制定了氫能發展戰略或規劃。我國作為世界..產氫大國,兼具氫能大規模利用的供氫條件與用氫市場,氫能產業發展潛力巨大。根據國家發改委、能源局的發展規劃,到2050年,氫能將成為能源結構的重要組成部分。數據顯示,中國制氫能力約4100萬噸/年,生產量約3342萬噸,是全球.大產氫國。


根據氫的輸送距離、用氫要求以及用戶的分布情況,高壓氫氣可以通過氫氣管道和長管拖車進行輸送,對于輸送量大且距離較遠的場合,利用管道輸送是.為高效的方式。

氫氣輸送管道主要有輸氫管道和配氫管道。輸氫管道分為兩類,一類是用于場( 廠) 區內裝置間或者系統內輸送氫氣,如企業場( 廠) 區內輸氫管道、工業氫能園區內輸氫管道、加氫站內輸氫管道、車載供氫系統管道等,其特點是管道壓力高、直徑小,一般采用壓力管路用管或者儀表管,壓力等級為44.8 MPa(6500 psi),46.2 MPa(6700 psi),103.5 MPa(15000 psi),137.9MPa(20000 psi)等,管道直徑為6.35 mm(1/4″),9.5 mm(3/8″),12.7mm(1/2″),14.28mm(9/16″),25.4mm(1″)等;另一類用于大規模、長距離輸送氫氣(摻氫天然氣) 的長輸管道,管道設計壓力2.0~20.0 MPa,直徑300~1000 mm。從材料上看,輸氫管道一般分為鋼制輸氫壓力管道和復合材料輸氫壓力管道。

配氫管道一般用于小規模、短距離輸送氫氣,輸氫對象為小規模用戶( 如民用氫能園區內連接供氫站和用戶間的管道) ,其特點是管道壓力較低、直徑較小。從材料上看,配氫管道一般分為鋼制配氫壓力管道和非金屬配氫壓力管道。

氫氣長輸管道的許多規范和標準與天然氣長輸管道相似,但由于兩種氣體物理性質差異較大,因此規范和標準還存在一些不同之處,不能直接采用天然氣長輸管道標準規范進行設計、建設等。

國內關于氫氣管道的標準有GB 50177《氫氣站設計規范》、GB 4962《氫氣使用安全技術規程》。GB 50177 適用于新建、改建、擴建的氫氣站、 供氫站及廠區和車間的氫氣管道設計。GB 4962規定了氣態氫在使用、置換、儲存、壓縮與充(灌)裝、排放過程以及消防與緊急情況處理、安全防護方面的安全技術要求,適用于氣態氫生產后地面上各作業場所,不適用于液態氫、水上氣態氫、航空用氫場所及車上供氫系統,氫氣生產中的相應環節可參照執行。上述兩個標準均不適用于埋地氫氣長輸管道,所以目前國內尚無針對氫氣長輸管道的標準體系。

國外適用于氫氣長輸管道的標準有美國機械工程師協會編制的ASME B31.12—2014《氫用管道系統和管道》、歐洲壓縮氣體協會的CGA G-5.6—2005(R2013)《氫氣管道系統》和亞洲工業氣體協會的AIGA 033/14《氫氣管道系統》。ASME B31.12適用于將氫氣從制造廠輸送到使用地的長輸管道、分輸管道和服務管線,不適用于按照ASME鍋爐和壓力容器準則設計和制造的壓力容器、溫度高于450℉或低于-80℉的管道系統、壓力超過3000 psi(1 psi=6894.76 Pa)的管道系統、水氣含量大于20 mg/L 的管道系統以及氫的體積分數小于10%的管道系統。AIGA 033/14 和 CGA G-5.6 內容基本一致,不過 CGA G-5.6 因為在2013年修訂過,所以部分章節內容更加詳細。兩者適用于純氫及氫混合物的輸送和配送系統,僅限于氣態產品,溫度范圍在-40~175℃之間,總壓力為1~21 MPa或不銹鋼材質的H2壓力高于0.2MPa。這兩個標準由國際標準化組織成員協會(ICI)在歐洲工業氣體協會(EIGA)的領導下編寫,旨在供國際協調委員會所有成員在世界范圍內使用和參考。


與天然氣環境相比,金屬材料長期工作在氫環境下會造成力學性能的劣化,稱為環境氫脆。金屬材料的高壓氫脆性能的主要研究方法是進行氫環境原位試驗,即將材料直接置于氫環境中進行試驗,試驗類型主要包括慢應變速率拉伸試驗、斷裂韌性試驗、裂紋擴展速率試驗、疲勞壽命試驗和圓盤壓力試驗等。

由于環境氫脆的影響,氫氣管道用材在合金元素、鋼級、管型、操作壓力等方面與天然氣管道相比存在一定的限制范圍。ASME B31.8—2018中規定的天然氣管道可用材料包括APISPEC5L中所有鋼管,但在實際工程中,為減小管道壁厚,一般優先選擇高強度鋼管,常用管型有直縫埋弧焊管(SAWL)、螺旋縫埋弧焊管(SAWH)、高頻電阻焊管(HFW)及無縫鋼管(SMLS)。在氫氣管道中,由于氫環境的存在會誘導管道發生氫脆,進而有可能引發管道失效,而鋼管成型工藝、焊縫質量、缺陷大小、鋼材強度等因素都會影響其失效概率。

合金元素如C,Mn,S,P,Cr等會增強低合金鋼的氫脆敏感性。同時,氫氣壓力越高、材料的強度越高,氫脆和氫致開裂現象就越明顯,因此,在實際工程中,氫氣管道用鋼管優先選擇低鋼級鋼管。ASME B31.12—2014中推薦采用X42,X52鋼管,同時規定必須考慮氫脆、低溫性能轉變、超低溫性能轉變等問題。

氣氫長距離管輸已有80余年歷史,美歐是世界上.早發展氫氣管網的地區。隨著氫能產業的規模化發展,氫氣輸送管道規模越來越大。據統計,全球范圍內氫氣輸送管道總里程不到5000公里。美國氫氣管道規模.大,總里程達2700多公里,.大運行壓力5.5~10.3MPa,基本采用低碳鋼。加拿大氫氣輸送管道長度約150公里。在全球現有氫氣管道管網系統的其他地區包括日本、韓國、越南、澳大利亞、荷蘭、巴西、泰國、印度尼西亞、南非等,這些地區的氫氣管道系統總長度大約為190公里。

全球范圍內輸氫管道的數量加起來不到5000公里,與油氣管道相比,是幾個數量級的差別。成本是制約長距離輸氫管道發展的一個重要因素。由于氫氣自身體積能量密度小、容易對管材產生“氫脆”現象,其管道運輸成本往往大于同能量流率下天然氣管道運輸的成本。目前,氫氣長輸管道的造價約為63萬美元/公里,而天然氣管道的造價僅為25萬美元/公里左右,氫氣管道的造價約為天然氣管道的2.5倍。

高昂的投資成本構成了擴展氫氣管道輸送基礎設施的主要障礙。當今的研究重點是克服與管道傳輸有關的技術和成本問題,包括氫使鋼和用于制造管道的焊縫變脆的可能性(氫脆);控制氫滲透和泄漏的需求(小分子特性);需要更低成本,更可靠和更耐用的氫氣壓縮技術。

為降低氫氣管道的材料成本,美國橡樹嶺國家實驗室和薩凡納河國家實驗室開展了高壓氫氣條件下纖維復合材料的爆破壓力、材料在氫環境下的相容性、裂紋容差、泄漏率和抗疲勞性等材料性能評估工作,美國能源部燃料電池技術工作組開展了纖維復合材料的標準化工作。2016年,ASME B31.12將纖維復合材料納入標準,規定其.大服役壓力不超過17MPa。


我國氫氣輸送系統建設較為滯后,現有氫氣輸送管道總里程僅約400公里,氫能基礎設施規劃建設尚處于初期階段,在國家層面缺乏系統的頂層設計。不過,國家能源局.新發布的《中華人民共和國能源法(征求意見稿)》(2020年)明確將氫能納入能源種類,預示著氫能產業發展邁出了重要一步,隨之而來的國家配套法律、規劃、政策等將成為氫能產業發展的重中之重。

隨著氫能的發展,輸氫管道的需求量預計會在未來幾十年出現大幅增長。按照《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書》預計,到2030年,我國氫氣管道將達到3000公里。復合材料行業企業應對此給予高度關注,提前布局,捕捉商機。

來源:中國復合材料工業協會

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