国内外氢气管道长距离输送技术标准对比与探讨

国内外氢气管道长距离输送技术标准对比与探讨，氢气管道材质推荐使用低强度，氢气管道壁厚设计时可增加材料性能系数 

一、国内外氢气管道发展现状

目前在世界范围内，氢气管道建设较少，主要用于运输化工氢原料。最早的氢气管道于1938年在德国鲁尔工业区建成，全长约208km，管径150~300mm，设计压力2.5MPa。全球现有氢气输送管网系统的国家包括美国、德国、英国、加拿大、意大利等，总长约6000km（图1）。其中美国氢气管网建设规模最大，总里程超过2600km，在墨西哥湾沿岸建有全球最大的氢气供应管网，全长超过900km，输氢量达150×m³h。欧洲已建成超过1500km的输氢管道，管道直径为100~500mm。氢气管输技术在日本、美国、欧洲等均有成熟的应用。

中国氢气管道建设尚处于起步阶段，主要建设在环渤海湾、长江三角洲等区域。目前我国输氢管道包括规划中在内，总长已超过1800km（表1）。其中，已建成的纯氢管道中，巴陵—长岭输氢管道距离最长，总里程约42km。依照中国氢能产业发展规划，至2030年氢气长输管道总里程将达到3000km。

总体而言，中国氢能发展尚处于产业培育时期，氢能基础设施规划建设仍然处于摸索之中，氢气长输管道相关标准空白，在社会层面欠缺全面的统筹规划。未来中国氢能技术标准化工作更应紧密地介入国际氢能技术标准化活动中，对接国际先进技术标准。根据中国氢能产业特点及发展态势，需要加快氢气长输管道的标准研究，以满足氢能产业技术发展对标准的需求，助力我国氢能产业高质量发展。

二、现行氢气管道技术标准概况

据统计，迄今为止国际标准化组织ISO、欧盟CEN、日本JIS、美国ANSI共发布了197项氢能技术标准，涉及氢能基础、制备、检测、储运及应用等方面。截至2022年3月，国家标准化管理委员会已批准发布氢能领域国家标准101项，主要集中在燃料电池技术、加氢站管理等方面，氢气管输技术相关标准空白。

1、欧洲氢气管道标准 作为行业标准协调计划之一，欧洲工业气体联合会（European Industrial Gases Association，EGIA）与压缩气体协会（Compressed Gas Association，CGA）于2005年联合编写发布了CGAG-5.6-2005《氢气管道系统》（简称欧洲CGA标准），于2013年重新修订并沿用至今。该标准为EIGA/CGA联合行业标准，基于行业已有信息和经验对温度在-40~175℃之间，总压力为1~21MPa的纯氢和含氢混合物的金属输配管道系统的设计、施工、运行管理及配套设施的相关内容给出了建议，主要包括管道材料选择、相关设备选择、管道风险评估、管道施工及修复等内容。 

 2、北美氢气管道标准 因现有管道及管道标准规范与氢基础设施之间存在差异，美国国家标准协会（American National Standards Institute，ANSI）于2008年授权美国机械师工程协会（American Societyof Mechanical Engineers，ASME）制定了适用于氢设施的ASMEB31.12-2008《氢气管道和管线》（简称北美ASME标准），随后在2011、2014及2019年对此标准作出了修订。该标准规定了氢含量大于10%的气体长输管道与短距离配送系统的设计、施工、操作和维护要求，并且包含天然气管道改输氢气的相关要求。北美ASME标准具体介绍了氢气系统的材料选择、管道设计（包括管道的潜在影响区域确定、风险评估、管道埋深和间距等）、管道测试、运行及维护等。

随着人们对氢燃料的兴趣日益浓厚，美国消防协会（National Fire Protection Association，NFPA）于2006年成立氢技术委员会，以解决氢储存、使用与处理等方面的技术问题。氢技术委员会从其他国家消防协会标准中提取相关内容并结合氢气的特殊性编制了NFPA2-2016《氢技术规范》，并于2019年被批准为美国国家标准。该规范为氢气生产、储存、使用提供了基本安全保障，涉及整个氢系统安全法规，与管道相关的技术内容较少。 

3、亚洲氢气管道标准 2006年，亚洲工业气体协会（Asia Industrial Gases Association，AIGA）、CGA、EIGA以及日本工业和医疗气体协会（Japan Industrial and Medical Gas Association，JIMGA）共同编制发布了AIGA033/14-2014《Hydrogen Pipeline Systems》（简称亚洲AIGA标准），并于2014年作出修订，AIGA沿用至今。因该标准在EIGA的领导下编制，因此其内容与EGIA标准基本一致。 

4、中国氢气管道标准 当前中国尚无氢气管道专用标准体系，仅在GB50177-2005《氢气站设计标准》、GB4962-2008《氢气使用安全技术规程》以及GB/T29729—2022《氢系统安全的基本要求》中涉及部分加氢站、车间短距离氢管道建设、施工等要求，不能直接用于氢气管道的设计、施工以及运营依据。而适用于氢气长输管道的GB/T34542.5《氢气输送系统技术要求》尚在编制之中。 

三、 标准对比分析

从氢气管道设计施工、安全运维等方面，考虑氢气管道不同于天然气管道的特殊性及国外标准中重点叙述的相关参数，从管材选择、管内流速、管道壁厚设计、管道失效潜在影响范围、管道埋深与安全间距以及管道修复6个方面对现有氢气管道相关标准进行对比分析。 

 1、管材及连接工艺 金属材料长时间工作在临氢环境下会导致物理性能的劣化，称之为氢脆，氢气管材在合金元素、钢等级、操作压力等方面存在一定的限制。合金成分如C、Mn、S、P、Cr等会提高合金钢的氢脆敏感度，与此同时，氢气工作压力越大、材料强度越大，氢脆和氢致裂纹扩展更为明显。因此，氢气管材的选择要慎重考虑氢脆、热稳定性变化、低温特性变化等诸多因素。 

北美ASME标准根据管材钢级来确定是否适用于纯氢管道，推荐采用API5L中的X42、X52两种钢级的管材，当管材钢级增大（高于X65）时，需满足运行压力应当不超过10.5MPa。选用X52及以上的无缝钢管时，建议采用淬火+回火态，可得到细小弥散的球状碳化物组织，消除淬火产生的马氏体组织。该标准给出了可直接用于纯氢管道的管材类别，以及需要满足测试性能要求才能应用的管材。运用北美ASME标准对氢管道选材时，应严格按照其规定选择管材材质。 

欧洲CGA标准与亚洲AIGA标准则建议按照材料硬度选择管材，管材硬度不超过22HRC或250HB（等同于抗拉强度800MPa）时则可用于输氢管道。避免使用过硬、过高强度合金以及清洁度低的钢材。如果无法满足上述条件，则需降低运行压力。 

中国标准中对氢管材的定量要求较少。GB50177-2005中要求应选用无缝钢管。GB/T29729-2022中建议选材应考虑与氢气及使用环境的相容性，金属材料宜选用低碳钢，推荐使用S31603、S31608和6061；非金属材料则应具有良好的抗氢渗透性。 

事实上，已有研究表明氢对高压管线钢的屈服强度和抗拉强度影响较小，但管材塑韧性显著降低，疲劳裂纹扩展速率明显加快。对于配送管道中广泛使用的低强度钢，主要的氢损伤形式为韧性损减和氢鼓泡，损伤严重程度取决于氢浓度与操作压力。因此，为保证临氢管道管材选择及管件设计的准确性，对于与氢气直接接触的金属材料，在条件允许的情况下，应在与使用条件相当的温度和压力范围内，对材料进行相容性测试。试验种类主要包含慢应变速率拉伸试验、断裂韧性试验、疲劳强度试验及圆盘压力试验等。GB/T34542.5与欧洲CGA标准中要求拉伸试验可采用光滑试样或带缺口圆棒试样，光滑式样标距段的应变速率应不超过2×图片带缺口圆棒式样以缺口为中心，长度为25.4mm式样段的应变速率应不超过2×图片。但在氢气环境下拉伸指标降至多少为合格，标准中并未给出试验判定依据。

除管材外，标准还对阀门及管道连接工艺进行了规定。国内标准中普遍推荐使用密封性性能好的球阀与截止阀，国外标准则建议按照材料性能及运行工况选择适合氢环境的阀门。焊接是长输管道的重要连接工艺，其热作用会导致接头部位出现严重的组织不均匀和复杂的残余应力，加剧氢致失效风险。已有研究表明，焊接残余应力会导致管线钢中的氢扩散，增加焊接区域裂纹扩展速率。鉴于此，氢气管道对于焊接工艺有更高的要求。北美ASME标准中对焊接工艺在焊接形式、预热与焊后热处理退火速度、焊接操作等方面有详细说明。 

 2、管道安全流速 管道内氢气流速需同时考虑经济性和安全性。氢气具有点火能低、燃烧与爆炸极限宽、燃烧速度快等特点，高速流动的氢气与管道内铁锈杂质摩擦易形成静电火花。氢气的声速是大多数可燃气体的4倍，欧洲CGA标准与亚洲AIGA标准中提示需关注管道中流速接近声速的阀门处冲蚀作用带来的危害。此外，氢气管道中的高流速会增加湍流和压降，从而导致过大的空气动力噪声，因此应适当控制氢气管道内流速。北美ASME标准中建议采用较低流速，最大速度不得超过峰值条件下的冲蚀速度，并给出了冲蚀速度计算公式，压力低于1MPa时，冲蚀速度随压力增大显著降低，之后逐渐趋于平缓（图2）。

GB50177—2005参照氧气流速规定了氢气管道在不同管材和压力下的最大流速，低于北美ASME标准中对于流速的限制。然而从安全角度而言，氢气与氧气在管道内流动存在本质区别，氢气的燃烧爆炸极限为4%~75.6%（体积分数），在正常工况下，氢气管道内氧气含量极低，在爆炸极限范围外，且在弱氧环境中，难以形成氧化铁铁锈。理论上氢气在管道内发生燃烧的概率极小，仅当气体发生泄漏，燃烧爆炸风险才急剧升高，氢气流速对于气体泄漏的影响远不如操作压力的影响大。因此，参照氧气流速限制氢气流速的方法有待商榷。 3、管道壁厚设计 考虑氢气对金属材料力学性能的不利影响，北美ASME标准中增加了“材料性能系数”：

p = 2Sδ*Ff_e *f_T *H_f/d_N

式中：ｐ为管道设计压力，MPa；S为管材最小屈服强度，MPa；δ为公称壁厚，mm；d_N为公称直径，mm；F为设计系数，根据场所类别选择；f_T为温度折减系数；f_E为轴向接头系数；H_f为材料性能系数。

材料性能系数的存在增加了管道壁厚，降低了设计压力，以保障氢气管道的安全性。X42、X52钢在压力较小时材料性能系数为1（表2），是当前较为理想进行掺氢/纯氢改输的管道类型。此外，北美ASME标准还提出了基于材料性能的设计方法，该方法依据ASME BPVC3《压力容器建造规则》中的试验要求，材料必须在室温及不小于设计压力的临氢环境下进行测试，以确定材料具有合适的抗断裂性。在基于材料性能的设计方法中，材料性能系数为1.0。

4、管道失效潜在影响范围

氢气无色无味，泄漏后难以被发现，若泄漏后被立即点燃会产生喷射火焰，在受限空间内聚集，与空气充分混合后被点燃发生氢气云爆炸，甚至引发爆燃爆轰，危害性极大。准确计算管道潜在影响区域，对于管道安全运行以及人员、财产安全具有重要意义。相比于爆炸超压，长输管道喷射火引发的热辐射影响范围更大。欧洲CGA标准中推荐使用Eisenberg热辐射剂量法，针对不同曝露时间给出了伤害水平，根据伤害水平接受程度确定危险范围。伤害/死亡概率与热辐射剂量的关系式为：

D=t*I^(3/4)

式中：D为不同伤害概率下的热辐射剂量；t为曝露持续时间，s；I为热辐射强度，W/㎡。 北美ASME标准给出了更简洁的计算方法，通过管道最大允许工作压力和管径确定1%致死量（15.8kW/㎡）的影响半径：

r=0.069(p_M*d)^1/2

式中：r为潜在影响半径，m；pM为管道最大允许工作压力，MPa；d为管道外径，mm。 

中国标准暂无针对氢气管道潜在影响半径的计算方法。GB32167—2015《油气输送管道完整性管理规范》中规定了天然气管道的潜在影响半径计算方法：

r=0.099(p_M*d)^1/2

对比计算系数可知，氢气管道的潜在影响范围较天然气管道更小。但由于氢气极易泄漏和点火能低，事故发生概率更大，氢气的安全性有待开展更多研究。

5、管道埋深与安全间距

关于最小埋地深度，欧洲CGA标准中内容较少，仅在4.5节中提到埋地管道应有足够的埋深，以避免霜冻及第三方破坏，同时为避免雷击，埋地氢管道应与其他管道及金属结构保持一定的距离。北美ASME标准和中国标准对此做出了详细的规定（表3）。与针对天然气管道的GB50251—2015《输气管道工程设计规范》相比，氢管道的安全间距要求比天然气管道大，这是因为氢气分子量小，扩散系数大，极易泄漏扩散，适当增加埋地距离，可有效避免第三方破坏导致的多米诺效应。

6、管道损伤修复

管道经过多年运行后，由于腐蚀、运行管理不善等原因，不可避免地会产生各种损伤和泄漏，带来严重的经济损失，而更换新管道不仅工程量庞大，且耗资大、工程期长。国内管道修复作业方面的标准有GB/T28055—2011《钢质管道带压封堵技术规范》、SY/T7033—2016《钢质油气管道失效抢修技术规范》等，是油气管道维抢修的核心标准，适用于钢制油气管道，规定中未明确是否适用于氢气管道。标准中详细叙述了补板修复、套筒修复、卡具修复及换管修复4种不同修复方式的作业内容。北美ASME标准中则禁止焊接补板作为氢气管道的修复方式。总体而言，国外标准在氢气管道抢修内容方面缺少具体要求。氢气管道的点火能量低于天然气，对抢修的要求更高。在不增大安全风险的前提下，氢气管道的修复作业可参照天然气管道的内容，但需要分析抢修内容的适用性。

四、 结论

当前中国在氢气长输管道标准方面仍处于初步建设阶段，广泛汲取和借鉴国外相对成熟的标准体系经验有助于中国氢气长输管道标准的制定与发展。考虑氢气管道不同于天然气管道的特殊性，在管道建设现状、管材选择及连接工艺、管内安全流速、管道管壁设计、管道失效潜在影响范围、管道埋深与安全间距以及管道修复等方面，对国内外输氢管道做了系统性对比分析，主要结论如下：

（1）氢气的特殊性使氢气在管材的选择及连接工艺方面有严格的限制，国内外标准均推荐使用低强度钢，条件允许时应进行管材相容性测试。考虑氢致管道失效特性，氢气管道壁厚设计时可增加材料性能系数。

（2）氢气的易燃易爆特性对管内流速有一定的限制，国外标准依据管道运行工况给出了限定值计算方法，国内参照氧气流速限制氢气流速的方法有待商榷。

（3）国外标准对于氢气管道潜在影响区域提出两种不同的方法，其中北美ASME标准更为简洁实用。与天然气相比，氢气管道的潜在影响范围更小。但由于氢气极易泄漏和点火能低，事故发生概率更大，亟需在氢气的安全性方面开展更多研究。

（4）氢气分子量小、扩散系数大、极易泄漏扩散，适当增加埋地距离，可有效避免第三方破坏导致的多米诺效应。国内外标准中关于氢气管道修复内容较少，在不增大安全风险的前提下，氢气管道的修复作业可参照天然气管道的内容，但需分析抢修内容的适用性。

（5）为进一步完善中国氢气长输管道标准体系，为氢气管道的建设以及安全运行提供支撑，还需在氢气管道管材相容性、管道安全完整性方面进一步开展研究。管材相容性方面仍缺乏临氢环境下实验数据，暂无材料相容性试验统一标准，应系统的开展管材相容性试验，完善临氢环境下金属与非金属材料力学性能数据库；完整性管理方面，缺乏氢管道失效概率、失效后果相关有效数据，更多典型氢气管道泄漏事故的定量风险评价方法仍需建立。