國內外輸氫管道相關標準及技術要求分析*

宋海輝，畢宗岳，祝少華，任永峰，薛磊紅，劉 斌

（1.中油國家石油天然氣管材工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721008；2.中國石油寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008）

0 前 言

氫能作為一種高效、清潔、可持續的零碳能源，是未來能源結構中重要的一環，在能源轉型和碳中和的道路上扮演著關鍵角色。隨著氫能的發展與相關技術的成熟和完善，大規模集中制氫和氫的長距離運輸是未來趨勢[1]。高效經濟的管道運輸方式，是氫能實現大規模商業化發展的重要方向，世界上已有多個國家建設運行了輸氫管道。

在氫能領域標準化工作方面，國際標準化組織氫能技術委員會（ISO/TC 197）負責國際上與氫能有關的生產、儲存、運輸、檢測和使用等方面的標準化工作。我國于2008年6月成立了全國氫能標準化技術委員會（SAC/TC 309），負責我國氫能相關的標準制修訂工作以及與ISO/TC 197對口工作，其秘書處由中國標準化研究院承擔[2]。鋼管作為輸氫管道最主要的裝備，其質量和性能對輸氫管道的安全運行具有極大的影響。本研究對國內外相關輸氫管道用鋼管標準進行分析及對比研究。

1 國外輸氫管道標準

歐美國家對輸氫管道的研究和建設起步較早，經過多年研究和工程經驗積累，形成了比較健全的氫氣輸送管道標準體系。美國工程師協會編制的ASME B31.12《氫氣管道和管線》和歐洲壓縮氣體協會編制的CGA G-5.6—2005（R2013）《氫氣管道系統》均適用于氫氣輸送管道的設計、施工、運行、維護等。

1.1 ASME B31.12—2019

1.1.1 總體結構

該標準由美國機械工程師協會發布，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。標準主要由三部分組成，第一部分即GR部分，為一般性要求，主要包含了管道及其附件所用材料、成型、焊接、熱處理、測試、檢驗、檢查、操作和維護等的定義和要求；第二部分即IP部分，為工藝管道，該部分適用于氫氣生產與應用方面，包括煉廠、化工廠、發電廠、加氫站、氫燃料裝置和相關設施等領域[3]，對工藝管道的材料和部件、設計、制造、裝配、安裝、檢測、檢查、測試、操作和維護等提出了要求；第三部分即PL部分，為管線部分，適用于將氫氣從生產設施輸送至最終使用點的輸送管線、分配管線和供氣管線，規定了氫氣管線的材料、部件、設計、制造、裝配、檢驗、測試、運行和維護等要求。 另外，在附錄中，規定了地上氫設施如壓縮機、防爆、檢漏、建筑等設計要求，規定了引用標準、名詞定義、保障措施、氣體泄漏控制準則、金屬管道設計許用應力和質量系數等。

1.1.2 管材設計與性能要求

針對氫氣管道用鋼管，ASME B31.12從材料化學成分、組織類型、力學性能以及焊接性等多個方面提出了要求。在材料選擇方面，ASME B31.12指出碳鋼材料已經在氫氣管道輸送中應用達幾十年，工業氣體公司在美國和歐洲運營了超過 1 600 km的管線。在此背景下，氫氣工況中已經驗證過的鋼有ASTM A106的B級、ASTM A53的B級，以及API SPEC 5L 的X42級和X52級（PSL2級）等，建議優先使用 API SPEC 5L PSL2 的 X42級和 X52 級。與API SPEC 5L相比，對C元素和S元素最大含量限制更嚴，并要求晶粒細化，減少夾雜物和組織偏析；為了提高焊接性，減小氫脆，進一步降低碳當量，并要求焊縫硬度低于248HV10；管材強度等級推薦選用X52（360 MPa）及以下，管型可采用電阻焊管、無縫管或雙面埋弧焊管。

針對斷裂控制，給出了方法A和方法B 兩個選項，其試驗和要求見表1和表2。方法A對韌性提出了要求，可實現脆性斷裂控制，但對管道韌性的要求較API SPEC 5L 標準偏低，按照API SPEC 5L 標準生產的鋼管基本符合要求[4]。相對于方法A，方法B對管材各項性能要求更高，管材除應滿足 API SPEC 5L PSL 2 的所有適用規則，同時還應滿足氫氣環境中管材抗氫性能要求。為了獲得氫氣環境下更高的斷裂韌性，ASME B31.12 明確提出，管材的顯微組織為均勻分布的多邊形鐵素體和針狀鐵素體，晶粒度為ASTM 9 級或更細，并采用低碳微合金鋼，Pcm 應小于0.17%，采用熱機械控制軋制（TMCP）工藝加工。

表1 基于規范的設計方法（方法A）

表2 基于材料抗氫性能的設計方法（方法B）

1.2 CGA G-5.6—2005（R2013）

該標準由歐洲壓縮氣體協會(CGA)和歐洲工業氣體協會（EIGA）共同編制，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，溫度在-40～175 ℃之間，總壓力為1 ～21 MPa[5]。

1.2.1 通用要求

CGA G-5.6 規定氫氣管道用鋼管的制造工藝、材料、等級和檢驗要求應符合API SPEC 5L規范。管型可采用HFW 焊管、無縫管或埋弧焊管。管體、焊縫及熱影響區硬度不應超過22HRC。為了控制氫脆的發生，在材料組織控制方面應滿足：①應優選具有均勻細晶顯微組織的合金；②避免使用過硬或高強度合金；③使用潔凈度更高的鋼，盡量減少非金屬夾雜物；④無明顯的表面和內部缺陷。如果無法滿足上述四個條件，則可能需要降低管道運行壓力（低于規定的最小屈服強度的30%或規定的最小極限抗拉強度的20%，以較低者為準）；鋼管表面應無劃痕、缺口、腐蝕等缺陷；水壓試驗時，鋼管應在規定最小屈服強度的75%～100%載荷下進行測試，根據直徑的不同，壓力保持時間至少為5～10 s。

1.2.2 碳鋼要求

許多金屬材料在氫氣環境中會發生脆化，包括碳鋼（特別是高強度鋼）、不銹鋼和鎳合金。其中碳鋼作為輸氫管線中最常用的材料，CGA G-5.6 對于碳鋼的材料性能要求見表3。應該注意的是，焊接接頭通常比母材更硬，因此更容易脆化。材料的抗拉強度和屈服強度越大，氫脆風險越大，所以在氫氣管道材料設計中不僅要規定材料的最小屈服強度，還要規定其最大屈服強度，以降低氫脆發生的概率[6]。API SPEC 5L X52(及更低強度牌號)和ASTM A 106 B 級已廣泛應用于輸氫管道。

表3 碳鋼材料性能要求

1.2.3 微合金鋼要求

微合金鋼管材目前已成為輸氫管道的首選管材。自20 世紀90 年代初以來，國外已有大量的X52級微合金管材用于輸送壓力超過7 MPa的氫氣輸送管道。管型可采用HFW焊管、無縫管和埋弧焊管，由于微合金鋼管主要采用高頻焊（HFW）工藝制造，此部分主要針對焊管的要求。

（1）鋼級：微合金鋼氫管道允許的鋼級為X42和X52，不得用高強度等級的鋼材替代。

（2）制造過程和材料要求：鋼管材料應為氧氣頂吹或連續鑄造的電爐鋼，并經過完全脫渣脫氣處理；HFW焊管焊縫和熱影響區應進行正火熱處理。允許在水壓試驗前對鋼管進行低溫應力消除。

（3）化學成分：w（S）不應超過0.01%(API SPEC 5L PSL 2 限值為0.015%）。w（P）不應超過0.015% (API SPEC 5L PSL 2 限值為0.025%）。碳當 量CE 最 高0.35% (API SPEC 5L PSL2 限 值0.43%）。任何額外添加的元素，如稀土、鈦、鈮、硼、鋁等，以及任何影響碳當量CE 的元素，都應報告。碳鋼中建議錳碳比至少為3:1，但不宜過大。

（4）金相組織：管材金相組織以細晶鐵素體為主，晶粒度應達到ASTM 8或更細；在整個焊縫厚度上焊接熔合良好；母材、焊縫和熱影響區硬度不應超過210HV10。

（5）力學性能：管材實際屈服強度和抗拉強度的最大值與最小值之差應小于以下值：①X52為165 MPa；② X42為172 MPa。HFW焊管的壓扁試驗驗收標準比API SPEC 5L 進一步加嚴，減小到原鋼管外徑的一半[7]。夏比沖擊功要求見表4，測試溫度為0 ℃。試驗應采用全尺寸試樣，剪切面積均值應至少為75%，單值不得低于60%。對于小直徑鋼管，只需要縱向試樣。

表4 不同尺寸試樣夏比V形缺口沖擊功要求

2 國內輸氫相關標準

我國對氫氣長輸管道的研究和建設起步較晚，與發達國家有較大差距。近年我國已陸續建設多條輸氫管道，且已開展了多項相關試驗，但目前尚未制定發布氫氣長輸管道國家標準及規范。與其相關的標準有GB/T 34542《氫氣儲存輸送系統》、GB/T 9711《石油天然氣工業 管線輸送系統用鋼管》和T/CSPSTC 103—2022《氫氣管道工程設計規范》等。以下分別對上述標準進行介紹。

2.1 GB/T 34542

GB/T 34542《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、輸送、壓縮、充裝及其組合系統。該標準共分為8 個部分，其中，第1、2、3 部分已發布實施，第4、5、6、7、8部分處于起草編制中[8]。表5 列出了GB/T 34542中各部分組成情況。

表5 GB/T 34542《氫氣儲存輸送系統》的組成部分

GB/T 34542.1—2017 對氫氣輸送用管材成分、組織、性能等涉及不多，只是沿用了國內前期無縫金屬管道設計，與國外相比有較大差距。GB/T 34542.2—2018 中規定了氫氣管道及容器氫脆敏感性評價方法：①慢應變速率拉伸試驗；②疲勞壽命試驗；③斷裂韌度試驗；④疲勞裂紋擴展速率試驗等。但是，僅僅給出了試驗方法，無驗收指標。GB/T 34542.3—2018 規定了氫氣環境下的圓片小試樣爆破試驗方法。

2.2 GB/T 9711

GB/T 9711 是我國使用范圍比較廣泛的石油天然氣輸送用鋼管的國家標準，自1988 年第一版發布以來，經歷了1997年、2011年、2017年、2022 年4 次修訂，第4 次修訂中內容變化最大的是增加了附錄A 純氫輸送管道用PSL2 鋼管訂購的內容。該部分規定了適用于氫氣純度不小于99.99%、外徑不大于610 mm、鋼級不高于L360/X52的純氫輸送管道用PSL2鋼管的附加條款[9]。該標準增加的氫氣輸送管材技術內容，結合了目前國際上廣泛采用的ASME31.12—2019《氫氣管道系統和管道》和CGA G-5.6—2005（R2013）《氫氣管道系統》，在大量實物試驗研究和驗證的基礎上，提出了相關內容。該標準已經于2023年11月27日正式發布，可為我國純氫輸送管道建設和鋼管制造提供標準支撐。

2.3 T/CSPSTC 103—2022

該標準為國內首個氫氣長輸管道工程設計團體標準，由中國科技產業化促進會組織，中國石油管道工程有限公司、國家管網、寶山鋼鐵股份有限公司、寶雞石油鋼管有限責任公司等50余家管道上下游相關單位共同聯合參與起草編制，該標準的發布實施，為我國下一步氫氣管道建設奠定了標準基礎。

管材的選用方面，規定輸氫管道用鋼管制造應執行GB/T 9711 規定，等級為PSL2，鋼管類型可采用HFW 焊管、無縫管和埋弧焊管，鋼管鋼級不宜大于L360（X52）。對于鋼管的最大屈服強度不宜超過規定最低屈服強度120 MPa，最大抗拉強度不宜超過規定最低抗拉強度150 MPa[10]。

3 輸氫管道檢驗標準

氫環境會影響管材力學性能的各個方面，如抗拉強度、伸長率、疲勞壽命、疲勞裂紋擴展速率和斷裂韌性等。GB/T 34542.2—2018 中規定了氫氣管道及容器氫脆敏感性評價方法，通過氫氣環境下對小試樣進行相關試驗，可以評估其力學性能的變化情況[11]。

（1）慢應變拉伸試驗。評估材料在氫環境中的應變率敏感性，可以在氫環境下或者試樣預先充氫后在空氣或氫中進行。GB/T 34542.2—2018 中要求該試驗通過對光滑圓棒試樣或帶缺口的圓棒試樣采用恒位移速率加載，對于光滑圓棒試樣的試驗應變速率最大不應超過2×10-5m/s；帶缺口的圓棒試樣，應變速率最大不應超過2×10-6m/s。在氫環境下，通過對光滑試樣或缺口試樣的慢應變拉伸，獲得應力-應變曲線、抗拉強度、屈服強度、斷面收縮率和斷后伸長率等[12]。

（2）疲勞壽命試驗。評價材料在氫環境下的疲勞壽命，試驗采用載荷控制時，試驗程序應符合GB/T 3075《金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法》的相關要求；當采用應變控制時，還應滿足GB/T 26077《金屬材料疲勞試驗軸向應變控制方法》或GB/T 15248《金屬材料軸向等幅低循環疲勞試驗方法》的相關要求；試驗頻率宜取0.1～1 Hz。主要試驗指標為應力/應變下的循環次數。

（3）斷裂韌度試驗。評價材料在氫環境下的斷裂韌度KIH，試驗程序應滿足GB/T 21143《金屬材料準靜態斷裂韌度的統一試驗方法》的相關要求，試驗以缺口張開位移或橫梁位移作為控制變量，試驗指標為斷裂韌度值。在測試中，預制裂紋的試樣在氫氣環境中加載應力進行拉伸，能夠引起裂紋增量的最小外加應力強度因子常被用來評價抗氫脆裂紋性能[9]。

（4）疲勞裂紋擴展速率試驗。試驗程序應滿足GB/T 6398《金屬材料疲勞試驗疲勞裂紋擴展方法》，試驗主要指標為疲勞裂紋擴展速率da/dN與裂紋預制結束時的應力強度因子范圍ΔK的關系曲線。

（5）氫脆敏感度試驗。氫脆敏感性試驗方法國內外相關標準見表6。用來測試在高壓氫氣下金屬材料的氫脆，薄膜狀的圓盤試樣放在試驗容器中承受高壓氦氣和氫氣，以恒定的升壓速率對腔體加氣體壓力直至圓片爆破，氫氣和氦氣的爆破壓力比能夠顯示材料在氫環境中的氫脆敏感性[13]。

表6 國內外氫脆敏感性試驗方法標準

4 結 論

（1）在輸氫管道標準方面，ASME B31.12和CGA G-5.6 是國際上廣泛采用的標準，內容全面詳細，認可度較高，有大量的實際應用案例，可為我國當前輸氫管道建設和鋼管生產提供參考。

（2）針對輸氫管材抗氫性能的試驗方法，GB/T 34542給出了相關試驗方法指導，但缺少對于抗氫性能試驗結果評價的驗收標準，因此還需要開展大量的試驗評價，研究制定對于不同壓力和氫氣比例下針對輸氫管材抗氫性能的驗收標準。

（3）國內前期在輸氫管道相關標準中鋼管選材多推薦使用低鋼級無縫管，而ASME B31.12 和CGA G-5.6 并無此限制，而且大量采用HFW 焊管，關鍵是要對管材化學成分和組織進行優化設計和嚴格控制。