新能源用鋼管的應用現狀、需求分析及思考

張忠鏵，劉傳森，齊亞猛，朱文琪，趙永安

（1. 寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900；2. 油氣鉆采輸送裝備全國重點實驗室，上海 201900）

隨著人類工業化進程不斷發展，煤炭、油氣等化石能源大規模使用，全球氣候變暖加劇。據世界氣象組織發布的《2022年全球氣候狀況》所述，2022年全球平均溫度比1850—1900年工業化前高出了1.15 ℃[1]，全球變暖導致的海平面上升、極端天氣頻發，嚴重危及人類生存。溫室氣體大量排放是氣候變暖的主要因素，其中尤以CO2增長最快[1]。為積極應對氣候變暖，國際能源署呼吁各國進行碳減排行動，各國積極響應并相繼發布碳中和計劃。2020年中國宣布“雙碳”戰略，力爭于2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和。在此背景下，以氫能為代表的能源轉型技術、以新型儲能為代表的新能源利用技術、以CO2捕集與利用為代表的碳減排技術等一系列示范工程相繼落地。

鋼管作為物料、能源輸送的重要載體，是“雙碳”戰略相關新興產業發展的基礎物資保障，同時新興產業的發展亦對鋼管的功能和性能提出了新的需求，尤其是鋼管的安全性和經濟性直接關乎“雙碳”戰略相關的技術研發和項目建設。本文以“雙碳”戰略中的碳捕獲、利用與封存技術（Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS）和氫能及壓縮空氣儲能三個重要領域發展中的用管需求為契入點，綜述了CO2輸送管道、氫氣輸送管道以及壓縮空氣儲能用注采管的應用現狀、研究進展和需求，并對未來進行展望，以期為“雙碳”戰略下新能源用鋼管的發展提供參考。

1 新能源用管建設現狀及需求分析

1.1 CCUS 用CO2 輸送管

CCUS 是將生產過程中排放的CO2進行二次利用或封存，CCUS 技術在將CO2轉化為具有經濟效益資源的同時還利于環保，是目前唯一能夠大量減少工業流程溫室氣體排放的手段，在應對全球氣候變化中起到關鍵作用，受到世界各國的高度重視。

在CCUS 中管道輸送是連接CO2捕集端和封存/利用端不可或缺的環節。目前在CO2輸送方式上，主要有罐車運輸、船舶運輸和管道運輸，其中管道運輸是CO2長距離輸送最具性價比的方式，其成本約為罐車運輸成本的35%，可以有效降低CCUS項目的運營成本。管道輸送CO2常采用密相或超臨界態輸送，這是因為密相（-56 ℃ 溫度T31.1℃，壓強P7.38 MPa）和超臨界態（T31.1 ℃，P7.38 MPa）的CO2具有低黏度、高密度特點，在管道輸送過程中摩阻小、耗能少，能夠實現更高的經濟性和大規模輸量。

1.1.1 國內外CO2輸送管道建設現狀

國外尤以北美地區在CCUS 技術應用及CO2管網建設上經驗最為豐富，世界第一條CO2輸送管線在19 世紀70年代于美國德克薩斯州投產，截至目前全球CO2管道里程約9 000 km，其中北美地區CO2管道占比近85%，歐盟、日本、加拿大、挪威和土耳其等地區也有部分管道，根據國際能源署預測，至2050年全球CO2輸送管道建設總長度將達到20 萬km。二氧化碳捕集、運輸與地質封存技術委員會（CCS）對全球CO2輸送管道進行統計（表1），并根據管道輸送里程、設計輸量等方面將其規模劃分為三級，目前全球已建成的CO2輸送管道約一半為超臨界/密相輸送，單條管道輸送量最高可達28 Mt/a。

表1 全球CO2 輸送管道基本情況統計

國內CO2管道輸送技術起步較晚，此前國內投運的CCUS 項目整體規模較小，運輸方式仍以低溫儲罐公路運輸為主，近些年國內若干CO2管道輸送項目逐漸建成投產，其大多為短距離、小規模輸送，國內已建成CO2輸送管道基本情況統計見表2。2023年“齊魯石化-勝利油田百萬噸級CCUS 示范項目CO2輸送管線”全線貫通，該管道全長109 km，設計壓力12 MPa，采用高壓常溫密相輸送，設計年輸送量170 萬t/a，該項目標志著我國第一條長距離、大規模CO2輸送管線正式建成投產。

表2 國內已建成CO2 輸送管道基本情況統計

1.1.2 CCUS 管道輸送CO2技術研究進展

（1） 輸送管道失效風險控制。

腐蝕是CO2輸送管道主要的失效原因，常規含水環境中的CO2腐蝕是因CO2溶于水后電離產生H+，H+再與金屬之間發生氧化還原反應；而在CCUS 管道輸送CO2中，密相或超臨界態CO2具有更高的壓縮性、擴散性和溶解度以及更低的黏度，且CCUS 氣源不可避免地混有水分、雜質氣體等因素，因此CCUS 中的CO2腐蝕更為復雜[2-3]，輸送管道的腐蝕速率在一些特定工況中甚至高達10 mm/a[4]。此外管道輸送密相或超臨界態CO2的運行壓力大都在9～20 MPa，一旦管道發生泄漏，壓力會迅速釋放，由于CO2氣體具有強的節流膨脹效應，會導致泄漏點附近的溫度急劇降低，使管道易發生低溫脆裂。輸送管道發生泄漏的瞬間會在泄漏點處產生向管道兩端傳播的減壓波，相較于天然氣的減壓波曲線而言，CO2減壓波曲線存在高壓平臺，更接近于管材的裂紋擴展曲線，因此管道裂紋擴展過程中更難以實現韌性止裂[5]。

超臨界/密相下的CO2腐蝕受到介質成分、運行工況等多方面因素的影響，國內外進行了大量的研究。

①含水率。

水在金屬腐蝕中起著至關重要的作用，研究表明在絕對干燥或含水量低于臨界含水量的超臨界CO2氣體輸送中，金屬管道不會發生腐蝕[6-9]；然而，在CCUS 實際運行中，CO2氣體不可能完全干燥，當其中的含水量接近或大于臨界含水量，則會引發較高速率的腐蝕[10]。高怡萱等人[11]統計了文獻報道中X65 鋼在不同含水量的超臨界CO2環境中的腐蝕速率，如圖1 所示[11-13]，可以看出，隨著含水量的升高，X65 鋼在超臨界CO2環境中的腐蝕速率逐漸增大。Hua 等人[13]對X65 碳鋼在50 ℃、8 MPa 輸送壓力時不同含水量下的超臨界CO2腐蝕進行了研究，得到在CO2飽和的水相、水飽和的CO2相及不飽和水的CO2相三種工況下X65 鋼的腐蝕速率分別為10.0 mm/a、1.4 mm/a、0.2 mm/a，而在含水量低于1 600 μL/L 的不飽和水的CO2相條件下未發生明顯的腐蝕，說明含水量是影響CCUS 中CO2輸送管線腐蝕的關鍵因素。

圖1 X65 鋼在不同含水量的超臨界CO2 環境中的腐蝕速率

②雜質氣體的影響。

CCUS 輸送的超臨界CO2中可能含有多種雜質氣體，主要有O2、SO2、H2S 等。O2在超臨界CO2腐蝕過程中會將CO2腐蝕產物FeCO3轉變為Fe2O3[14]。但是，目前對于超臨界CO2環境中O2含量對管道腐蝕速率的影響研究結果存在一些差異。Hua 等人[15]研究了不同O2含量對X65 鋼在超臨界CO2環境中腐蝕速率的影響，如圖2 所示[15]，隨著O2含量的增加，X65 鋼的平均腐蝕速率呈現下降趨勢，然而其局部腐蝕速率卻顯著增大。Sun 等人[16]的研究結果也顯示當超臨界CO2中的O2含量從0 升高至0.1%時，X65 鋼的腐蝕速率從0.015 mm/a 增大至0.034 mm/a。然而Wang[17]等人的研究結果顯示，隨著超臨界CO2中的O2含量升高，碳鋼的腐蝕速率呈現先增大后減小變化趨勢，如圖3 所示[17]。

圖2 O2 含量對X65 鋼在超臨界CO2 環境中腐蝕速率的影響

圖3 超臨界CO2 環境中O2 含量對管線鋼腐蝕速率的影響

超臨界CO2中的雜質氣體SO2對管道腐蝕的影響主要在于其與水和O2發生耦合作用，促進了酸性介質形成，使體系pH 降低，加速管道腐蝕[18]。高怡萱等人[11]統計了雜質氣體SO2對超臨界CO2輸送管線腐蝕的影響的部分研究結果，具體見表3[11]。對比SO2和O2單獨存在時的管道材料平均腐蝕速率結果可以看出，SO2對管線鋼的腐蝕的影響要高于O2[16-17，19]；并且當SO2與O2同時存在時，管線鋼的腐蝕速率高于其任一單個雜質氣體下的腐蝕速率。

表3 雜質氣體SO2 對超臨界CO2 輸送管線腐蝕影響的研究結果統計

雜質氣體H2S 也會加速超臨界CO2輸送管線的腐蝕[16，19，21]，Wei 等人[22]研究結果表明在含飽和水的超臨界CO2中添加0.005%H2S 會導致其對X65管線鋼的平均腐蝕速率和局部腐蝕速率分別提高40%和65%。Sun C 等人[16]研究了H2S 與O2共同存在時X65 管線鋼在含飽和水的超臨界CO2中的腐蝕行為，結果表明含雜質氣體0.1%H2S+0.1%O2時X65 鋼的腐蝕速率較僅含0.1%O2雜質氣體時高6.5倍。目前通過研究H2S 對超臨界CO2腐蝕的影響機理，認為H2S 會提高管壁對水的吸附能力，增加管壁凝集水的含量，加速表面薄液膜形成，從而導致腐蝕加速。

綜上所述，在超臨界CO2腐蝕環境中，對管道內腐蝕影響較大的雜質主要有H2O、O2、SO2、H2S，因此控制CCUS 中CO2輸送管線腐蝕的關鍵在于控制超臨界態CO2中的雜質氣體含量。嚴永博等人[23]統計了目前部分CCUS 項目中CO2輸送管道的雜質控制標準（按摩爾百分比計），其中H2O 0.063%、O20.007%、SOx0.01%、H2S 0.9%。

③溫度、壓力的影響。

在CCUS 超臨界態CO2輸送過程中須對溫度、壓力進行嚴格控制。在低溫高壓工況下CO2易轉變為固態導致管線堵塞；在密相或超臨界態時，CO2的輸送溫度、壓力也會影響管線腐蝕。Hua 等人[24]對比了管線鋼在壓力為8 MPa 時的密相（35 ℃）和超臨界態（50 ℃）CO2中的腐蝕行為，研究結果顯示在密相CO2中管線鋼發生了明顯的腐蝕，而在超臨界態中并未觀察到腐蝕現象。Wei 等人[25]研究了X70鋼在80 ℃的氣相（1 MPa）和超臨界態（9.5 MPa）CO2中的腐蝕行為，研究結果顯示X70 鋼在超臨界CO2中的平均腐蝕速率高于氣相CO2。作者認為其原因是試樣在氣相CO2中時表面會快速形成致密的FeCO3腐蝕產物層，減緩基體腐蝕；而在超臨界態CO2中，試樣表面則優先生成非晶態腐蝕產物層，然后再逐漸轉變為致密的FeCO3腐蝕產物層。溫度和壓力除直接對CO2腐蝕產生影響外，還會改變雜質氣體對輸送管線腐蝕的影響[26-28]，其作用機理更為復雜。

（2） 輸送管道應用技術。

CO2輸送管道主要采用高頻電阻焊管（HFW），在北美地區CO2輸送管道中HFW 焊管占比達74%，鋼級通常為X65～X80，如圖4 所示和見表4。HFW 焊管相較于其他ERW 類焊管具有焊接速度快、熱影響區小、使用范圍廣、尺寸規格寬等優點，自20 世紀70年代以來，HFW 技術廣泛應用于輸送管道建設。

圖4 北美地區超臨界CO2 輸送管道用管類型

表4 北美地區部分超臨界CO2 輸送管道設計參數及用管情況

盡管HFW 焊管已成為CO2輸送管道的主要選材，但其仍存在失效風險。2010—2011年，Denbury公司HFW CO2輸送管道發生兩次泄漏事故，調查結果認為管道泄漏是由焊縫處的“灰斑”缺陷導致[29]。“灰斑”是高頻電阻焊縫特有的缺陷，是因冷焊或過燒導致焊縫中的氧化物不能充分擠出而形成，其特征是在拉伸試樣或沖擊試樣的焊縫宏觀斷口處出現無金屬光澤的灰色區域。英國焊接研究所對HFW焊管的質量進行過深入研究，提出消除焊縫“灰斑”缺陷的4 個關鍵因素[30]：①采用優質（潔凈）帶鋼；②焊接過程中需施加足夠擠壓力，以確保清除熔合線上的所有異物；③焊縫區域需充分正火；④對焊縫區域進行充分的無損檢測，確保檢測出所有缺陷。

由于超臨界態CO2的節流膨脹效應和減壓波特性，韌性控制是防止輸送管道破裂失效以及止裂性能的重要指標。然而，目前對于CCUS 中CO2輸送管道的韌性控制并無統一標準。2015年投產的Shell Quest CCS Pipeline 項目中使用HFW 焊管作為CO2輸送管道，管徑168.3～323.9 mm，設計壓力14.79 MPa，其對材質的夏比V 型沖擊韌性（-45℃）要求為：管體平均值≥60 J，單個值≥52 J。2020年投產的加拿大ACTL 項目中CO2輸送用HFW焊管設計壓力為17.926 MPa，其要求Φ457 mm 以下規格管體的夏比V 型沖擊韌性單個值≥27 J，Φ457 mm 及以上規格管體的夏比V 型沖擊韌性單個值≥40 J。

全尺寸爆破試驗是研究管道斷裂控制最為直接有效的方法，國外針對CO2輸送管道進行了多輪次試驗，殷布澤等人[5]對國內外CO2輸送管道全尺寸爆破試驗進行了詳細的統計分析，但是作者認為針對管道斷裂過程中的裂紋擴展規律、裂紋斷裂形態規律、韌-脆轉變溫度規律的研究仍比較缺乏。2023年5月17 日，我國開展了國內首次CO2管道全尺寸爆破試驗，管道為X65 鋼級Φ323.9 mm 規格HFW 焊管，試驗壓力12 MPa，得出了試驗條件下管道破裂過程中的壓力變化和裂紋長度等一系列重要參數。該試驗為我國掌握百萬噸級CO2輸送管材研制、管道設計及建設技術提供了重要的數據支撐，標志著我國在CCUS 技術研究領域取得了重要的突破性進展。

1.1.3 CO2管道輸送用管需求分析

針對CCUS 中超臨界/密相CO2輸送用管，應重點考慮管材在耐蝕性能和防止低溫脆斷以及開裂后的韌性止裂要求。如前文所述，盡管近些年對于超臨界/密相CO2腐蝕開展了廣泛而深入的研究，但對于含水率、氣體雜質、溫度、壓力等多因素耦合作用下的超臨界/密相CO2腐蝕機理仍不甚清晰，需更進一步的研究以支撐管道選材。對于低溫脆斷時的啟裂預防和韌性止裂技術研究，應當進行更多的全尺寸爆破試驗，探索各種管材在超臨界/密相CO2輸送工況中的適用邊界，建立涵蓋運行工況與材料性能需求的數據庫，為CO2輸送用管標準的制定提供數據和理論基礎。

1.2 氫氣輸送用管

氫能的產業化發展是我國“雙碳”戰略的主要著力點之一，《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》[31]中明確表明，到2025年我國可再生能源制氫量達到10～20 萬t/a，實現二氧化碳減排100～200萬t/a，到2035年形成氫能產業體系，構建涵蓋交通、儲能、工業等領域的多元氫能應用生態。在氫能大規模應用的背景下，氫能輸送作為連接上下游的通道，是氫能產業發展中的關鍵環節。

按照輸送介質相態可將運氫方式分為氣態、液態和固態3 種，氫氣輸送方式對比見表5，目前氣態儲運氫應用最為廣泛。氣態儲運氫可采用儲氣瓶、長管拖車和管道等方式，然而儲氣瓶和長管拖車運輸能力有限、成本高，難以支撐氫能大規模應用需求，因此發展管道輸氫是必然選擇。

表5 氫氣輸送方式對比

1.2.1 國內外輸氫管道建設現狀

根據氫氣純度可將管道輸氫分為純氫輸送和摻氫輸送。純氫輸送一般通過新建或改造現有管道來輸送高純度氫氣直接用于生產生活；摻氫輸送則是利用現有的天然氣管道，向天然氣中摻入一定比例氫氣輸送，摻氫天然氣既可以作為燃料直接使用，也可在末端通過純化分離出高純度氫氣供使用。

（1） 純氫輸送。

國外輸氫管道建設早、里程長，最早的長距離純氫輸送管道于1938年在德國魯爾建成，其總里程達208 km，輸送壓力2.5 MPa，管材為Φ168～273 mm SAE 1016 材質。目前全球純氫輸送管道總里程達4 500 km，主要集中在北美和歐洲地區，約占90%以上。表6 列出了國外部分純氫輸送管道運行情況[32-33]，已建輸氫管道用材質普遍為低鋼級的碳鋼和低合金鋼焊管或無縫管，超短距離輸送壓力最高達14 MPa，長距離輸送壓力普遍在10 MPa 以下，大部分集中在3～5 MPa。

表6 國外部分純氫輸送管道運行情況

國內純氫輸送管道建設起步較晚，2020年以前建成的管道主要以短距離、小規模輸送為主，大多服務于煉化企業，見表7。自2021年始，國內長距離、大規模輸氫管道建設逐漸啟動，2021年河北定州—高碑店氫氣管道工程建設啟動，管道總里程達164.7 km，年最大輸送量為10 萬t，這是全球第一條為輸送燃料電池所需的氫氣而建設的管線；2023年“西氫東送”輸氫管道示范工程被納入《石油天然氣“全國一張網”建設實施方案》，該條管道的起點位于內蒙古自治區的烏蘭察布市，終點則是位于北京市的燕山石化公司，全長400 多公里，年輸氫量達10 萬t，并預留50 萬t/a 的遠期提升潛力，是我國第一條跨省區、大規模、長距離的純氫輸送管道。

表7 國內部分純氫輸送管道

（2） 摻氫輸送。

摻氫輸送因其利用現有管道，具有啟動成本低的優勢，在國內外均有發展。根據國際能源署統計，目前全球約有40 個天然氣管道摻氫項目，國外主要有法國GRHYD、英國Hydeploy、荷蘭VG2等，我國已建成的管道摻氫項目有朝陽天然氣摻氫示范工程（2019年建成）、陜寧一線摻氫示范項目（2021年建成）、張家口摻氫管道示范項目（2023年建成）等。

管道摻氫輸送中摻氫比例是衡量輸氫能力的重要指標。表8 統計了各國部分管道摻氫輸送項目中的摻氫比例[34]，歐洲穩定運行的管道摻氫輸送項目中摻氫比例可達20%，國內已建成項目的摻氫比例普遍在10%以下，更高摻氫比例管道輸送正在試驗中，2023年397 km 長的寧夏寧東天然氣摻氫管道示范平臺試驗將摻氫比例逐步提高至24%，并維持100 天運行，管道整體運行安全穩定。

表8 各國管道摻氫輸送項目中的摻氫比例（部分）

1.2.2 氫氣管道輸送技術研究進展

（1） 管道失效風險控制。

輸氫管道失效風險主要來源于氫氣引起的金屬管道氫脆，主要表現為管道在涉氫環境中會發生力學性能降低以及延遲開裂，國內外對于氫脆機理開展了大量研究[35-37]，目前主要有氫壓理論[38-40]、氫致局部塑性變形理論[41-43]、氫致弱鍵理論[44-46]等。

氫脆導致管道失效是環境、材料和應力共同作用的結果。影響氫脆的環境因素有溫度、氫氣分壓等，通常隨著氫氣分壓升高，材料的氫脆敏感性增大；溫度對氫脆敏感性的影響較為復雜，在較低溫度下，氫進入材料的擴散速率慢，而在較高溫度下，雖然氫的擴散速率加快，但同時也難以在材料局部富集[47]，因此氫脆具有溫度敏感區間。影響氫脆的應力因素有外部載荷、內應力以及應力變化等，其對氫脆的影響主要是在材料局部產生高的應力集中，氫原子在應力集中處聚集并與材料發生相互作用，降低材料的力學性能，最終導致材料失效。影響氫脆的材料因素有合金成分、晶體結構、組織、晶粒尺寸等，對于輸氫管道而言，通過對管材的合理設計來提高其抗氫脆性能是有效的方法。

①合金成分。

目前國內對于長距離輸氫管道選材無專用標準，一般參考儲氫容器選材，常用的輸氫管道材質有4130X、30CrMo、4140 和2.25Cr1Mo（V）[46]。許多研究表明C、Mn、P、S 元素對低合金鋼的氫脆敏感性影響顯著。C 含量過高時會導致鋼材在熱軋狀態下產生大量對氫脆敏感的馬氏體組織，國內的儲氫容器用鋼中控制w（C）≤0.35%，歐洲工業氣體協會控制w（C）≤0.37%[48]；Mn 元素易與P、S 形成夾雜物，同時還易在鋼管內壁形成帶狀偏析，這些缺陷降低了管材在臨氫環境中的臨界應力強度因子[49-50]，增大了管材的氫脆敏感性，因此需對其進行嚴格控制。

近些年對于微合金化制備高強度抗氫鋼研究較多，其機理是在鋼中添加一定量的V、Ti、Nb 形成高度彌散分布的微細碳化物[51-53]。這些碳化物的存在一方面能夠起到析出強化作用，提高鋼材的強度；另一方面可以作為氫陷阱，將擴散進入鋼材內部的氫原子捕獲固定，使其難以與位錯、晶界等缺陷相互作用，提高鋼材的抗氫脆性能。

②組織結構。

金屬材料的微觀組織是影響管線鋼氫脆敏感性的重要因素，一般認為其相組成按照氫脆敏感性由低到高依次為鐵素體 珠光體（或珠光體+鐵素體）

貝氏體 低碳馬氏體 馬氏體和貝氏體混合 孿晶馬氏體[54]。對于管線鋼而言，未經回火的原始馬氏體、低溫回火馬氏體和回火屈氏體具有高的氫脆敏感性，在熱處理時應避免此類組織，而經高溫回火得到的回火索氏體和等溫淬火得到的下貝氏體的氫脆敏感性低[55-56]，可作為輸氫管材的最終組織。此外，熱處理后得到的殘余奧氏體作為軟相組織能夠減緩材料內部的應力集中，阻止氫致裂紋擴展[57]，因此可以適當采用淬火配分工藝得到一定量的殘余奧氏體，提高管材的抗氫致開裂性能[58]。

③夾雜物。

夾雜物與基體界面極易成為氫原子在鋼中的聚集位點，成為氫致裂紋起源。鋼中夾雜物可按形態和大小分為A、B、C、D 和DS 五類，其中呈球狀的A 類（硫化物類）夾雜物對鋼材的氫脆敏感性影響小于其余四類[47]，煉鋼時應采取適當的脫氧工藝和精煉工藝去除鋼中的Al2O3和SiO2夾雜物[59]，還可以在鋼的冶煉過程中噴吹適量的Si-Ca 以抑制硫化物的生長，改善其形狀和分布，對于長條狀的MnS 夾雜可采用稀土改性，進一步提高鋼材的抗氫脆性能[60]。

④宏觀缺陷。

輸氫管道在生產制造和管道建設過程中不可避免的會在管道表面產生一些壓痕、劃傷等宏觀缺陷，缺陷的存在將導致局部應力集中，從而影響管道的抗氫脆性能。Holbrook 等人[61]研究了缺口對壓力容器用鋼在高壓氫氣環境中力學性能的影響（表9），帶缺口試樣的抗拉強度和斷面收縮率相較于光滑試樣發生了大幅度降低，這一結果表明表面宏觀缺陷或將嚴重惡化輸氫管道的抗氫脆性能。

表9 缺口對壓力容器用鋼在高壓氫氣環境中力學性能的影響

（2） 輸送管道應用技術。

表10 列出了目前輸氫管道的常用材質牌號（鋼級）及其強度要求[62-65]，可以看出相關標準推薦的均為低鋼級碳鋼管，這是因為鋼材強度低有利于提高抗氫脆性能。美國機械工程師協會統計了Air Products 公司137 條輸氫管道的運營情況，如圖5所示[66]，其中90%的管道為X52 鋼級及以下的HFW 焊管，管道公稱外徑50.8～457.2 mm，管道運行壓力85%集中在4.5～10 MPa，最高運行壓力達到15 MPa。

圖5 Air Products 公司137 條輸氫管道統計

表10 輸氫管道常用材質牌號（鋼級）及其強度要求

迄今國外關于氫氣輸送管道相關標準有歐洲CGA G-5.6—2005《Hydrogen Pipeline Systems》、美國ASME B 31.12—2019《Hydrogen Piping and Pipelines》和亞洲AIG A 033/14—2014《Hydrogen Pipeline Systems》，國內暫無氫氣輸送管道專用標準。上述標準對管道的材質性能、運行壓力、建設安全性等方面作出相關建議和要求[67]，輸氫管道常用材質牌號（鋼級）及其強度要求見表11。由于長時間以來氫能市場規模較小、輸氫壓力低，氫氣輸送管材多以X52 及以下鋼級為主，管型主要為HFW 焊管和無縫管，2020年以來氫能市場發展迅速，尤其國內輸氫管道工程規劃和建設里程大幅增長，對于使用高鋼級管材實現大輸量、高壓力氫氣輸送的需求日益突出。

表11 輸氫管道常用材質牌號（鋼級）及其強度要求

1.2.3 氫氣輸送用管需求分析

由于氫氣具有的高危險性，現有的氫氣輸送用管相關標準中對于管道選材、設計及建設等方面均較為保守，管材鋼級處于較低水平，X60 及以上鋼級應用較少，這制約了高壓氫氣輸送的發展；因此，對高鋼級管材在臨氫環境中的適用性應進行系統評估。在摻氫輸送方面，國內摻氫比例普遍低于國外，提高摻氫比例對于管道安全性的影響程度也亟需研究。在管線鋼抗氫脆性能室內研究方面，常用的模擬氫環境方式有高壓氫氣環境和電化學陰極充氫，然而這兩種方法的結果重現性較差，甚至相互矛盾[68]，如何設計試驗使室內研究條件更貼合實際工況仍需探索。

1.3 鹽穴壓縮空氣儲能注采用管

在“雙碳”戰略背景下，能源結構調整與優化是實現綠色可持續發展的主要抓手，大力發展“綠電”是政策和市場的雙重要求。國內“綠電”的主要來源以水力、風力以及太陽能為主，然而電量輸出不穩定且并網難等問題限制了“綠電”進一步的發展。針對這一問題，運用儲能技術對電網削峰填谷成為發展“綠電”的基礎技術支撐。目前儲能技術主要有抽水蓄能、壓縮空氣儲能、電池儲能等，相較于其他儲能方式，壓縮空氣儲能因其儲能成本低、功率大、環境影響小、運行穩定等優點，近兩年迎來大規模商業化建設。

壓縮空氣儲能是指利用風、光等波動性電力以及在電網負荷低谷期的剩余電力將空氣壓縮至儲氣容器中形成高壓氣體，待到用電高峰時再將高壓氣體釋放并通過透平發電，從而提升電網調節能力和新能源消納能力的技術。壓縮空氣儲能的儲氣方式主要有鹽穴、人造硐室、地面儲氣罐、廢棄礦洞等，表12 列出了國內外部分壓縮空氣儲能項目建設情況，其中鹽穴壓縮空氣儲能因其建設成本低、周期短、資源豐富等優勢，近年來在國內發展迅速。

表12 國內外部分壓縮空氣儲能項目的建設情況

1.3.1 鹽穴壓縮空氣儲能用注采管失效風險分析

在鹽穴壓縮空氣儲能的儲穴建設初期，需要對鹽穴進行注水溶腔和注氣排鹵，在該過程中注采水含有高濃度鹵化物以及氧氣，井筒管柱會面臨嚴峻的鹽水腐蝕和氧腐蝕，易造成管體減薄以及腐蝕穿孔。在運行階段，周期性注采高達十幾兆帕的壓縮空氣，井筒管柱面臨潮濕、含鹽、高壓空氣環境中的腐蝕以及高速氣流沖蝕；此外，周期性的注采空氣對管柱，尤其是螺紋接頭的抗疲勞性能也提出更高要求。除上述風險外，井筒管柱還面臨鹽巖層蠕變、注采壓力波動大、地下水侵蝕等復雜環境因素導致的失效風險。

①腐蝕失效。

鹽穴壓縮空氣儲能注采用管服役環境中氧氣分壓高、含鹽量大、濕度高、氣體流速高，服役溫度在30～90 ℃不等，此類腐蝕工況與油田注空氣驅油時管柱所面臨的工況具有一定的相似性，參考以往對油田注空氣驅管柱腐蝕情況研究結果，認為鹽穴壓縮空氣儲能注采用管易發生腐蝕失效。然而，由于鹽穴壓縮空氣儲能在國內近些年才開始建設，對于如何進行室內腐蝕模擬試驗來支撐管柱選材尚無標準參考，研究人員在腐蝕試驗研究方法和研究結果上差異較大。

表13 為鹽穴壓縮空氣儲能工況和注空氣驅油工況管柱腐蝕研究結果統計，可以看出研究結果大都認為隨著工況環境中的溫度、氧分壓、礦化度升高，碳鋼管柱的腐蝕速率整體上呈現上升趨勢，然而碳鋼在模擬壓縮空氣儲能和注空氣驅油兩種工況中的腐蝕速率研究結果差異極大，在模擬壓縮空氣儲能工況中的腐蝕速率在1 mm/a 以下，而在模擬注空氣驅油工況中的腐蝕速率達15 mm/a 以上。筆者認為造成這一顯著差異的原因與二者試驗過程中釜內是否有液相介質有關，在兩例鹽穴壓縮空氣儲能工況下的管柱腐蝕情況研究中釜內均無液相介質，其中一例雖然在試樣表面噴灑飽和食鹽水模擬管壁鹽沉積，但由于水量少，在隨后的試驗過程中釜內環境濕度應仍處于較低水平；而在實際工況中，鹽穴底部往往存在難以排盡的鹵水，這導致注采管長時間處于飽和濕度的壓縮空氣環境中，易在管壁形成薄液膜，從而發生電化學腐蝕。

表13 鹽穴壓縮空氣儲能工況和注空氣驅油工況管柱腐蝕研究結果統計（部分）

筆者采用動態腐蝕高壓釜研究了碳鋼（N80）、不銹鋼（超級13Cr、2507）、鎳基合金（2532、2250）在模擬鹽穴壓縮空氣儲能工況中的腐蝕情況，試驗條件及步驟如下：

（a） 使用丙酮、乙醇依次清潔待測腐蝕掛片表面，測量計算腐蝕掛片表面積并稱重；

（b） 每組腐蝕掛片共6 個平行樣，分兩層安裝在盤狀聚四氟夾具上，每層同材質有3 個平行試樣；

（c） 配制1 L 的230 g/L NaCl 溶液，并將溶液倒入容積為3 L 的動態腐蝕高壓釜中，釜腔規格為Φ140 mm×195 mm，此時液面距釜腔頂部和底部分別約為130 mm 和65 mm；

（d） 調整兩個聚四氟夾具位置，使其在高壓釜密閉后各有一個夾具分別處于氣相和液相環境中，如圖6 所示；

圖6 腐蝕試樣安裝方法示意

（e） 為模擬氣相環境中管材表面鹽沉積，在高壓釜密閉前，將氣相環境中的試樣在230 g/L NaCl溶液浸潤1 min，而后合上釜蓋，設置溫度為70℃、轉速為1.5 m/s；

（f） 待溫度達到設定值后，向釜內充入12 MPa 壓縮空氣，而后開啟旋轉電機，計時；

（g） 168 h 后試驗停止，取出試樣；

（h） 去除試樣表面腐蝕產物，采用失重法計算腐蝕速率。

不同材質試樣在氣相和液相環境中的平均腐蝕速率和宏觀腐蝕形貌如圖7～8 所示。可以看出，N80 碳鋼試樣在氣相和液相環境中發生了顯著的均勻腐蝕減薄，平均腐蝕速率分別約為2.0 mm/a 和2.6 mm/a；超級13Cr 不銹鋼試樣在氣相和液相環境中的平均腐蝕速率分別約為0.25 mm/a 和1.0 mm/a，與N80 碳鋼不同的是，超級13Cr 不銹鋼的腐蝕以點蝕為主，特別是在液相環境中，試樣表面的最大點蝕速率可高達50 mm/a；2507 雙相不銹鋼試樣在氣相和液相環境中腐蝕輕微，主要是在掛片孔洞與聚四氟夾具接觸位置處發生了縫隙腐蝕，平均腐蝕速率分別為0.015 mm/a 和0.065 mm/a；2532 和2250 鎳基合金的平均腐蝕速率極低，試樣表面基本未發生明顯腐蝕。

圖7 不同材質在氣相和液相中的平均腐蝕速率

圖8 不同材質在氣相和液相中的宏觀腐蝕形貌

②斷裂、變形失效。

鹽穴壓縮空氣儲能井深大都在500～3 000 m，盡管相較于油氣開發井其井深較淺，但井筒管柱通常須穿越較厚的鹽膏層，鹽膏層具有蠕變特性，易導致井壁失穩[73-74]，最終致使井下管柱發生嚴重變形，甚至斷裂。在造腔階段，鹽穴腔體失穩以及夾層的垮塌會砸壞或擠毀溶腔管柱，另外下落的夾層不溶物會擠壓溶腔內管，可能使其彎曲變形。在注采運行階段，水錘效應及周期性注采導致的振動，也可能使管柱發生彎曲以及引起螺紋接頭損壞和柱體疲勞開裂。

1.3.2 鹽穴壓縮空氣儲能用管需求分析

鹽穴壓縮空氣儲能井下環境具有高含氧、高含鹽、高濕度特征，注采管柱腐蝕失效風險高，同時鹽膏層蠕動以及周期性注采對管柱的抗擠毀、氣密封、抗疲勞等性能提出更高要求。然而，由于鹽穴壓縮空氣儲能發展時間較短，目前對于注采管在井下的真實運行工況認識不全面，例如管材表面是否有水、鹽等腐蝕性物質沉積，周期性注采對于管材表面腐蝕性物質沉積是否有影響，進而影響管材腐蝕行為，如何設計腐蝕模擬試驗進行選材研究等一系列問題，制約著鹽穴壓縮空氣儲能注采管更加安全、經濟應用。因此，明晰管柱實際運行工況，對于鹽穴壓縮空氣儲能注采管的相關研究至關重要。

2 思考與建議

“雙碳”戰略下新能源及相關產業發展給鋼管帶來新的機遇和挑戰，CO2輸送、氫氣輸送以及壓縮空氣儲能等新的應用需求給鋼管帶來更加廣闊的市場，然而目前鋼管在新場景中應用的基礎理論研究、關鍵技術開發和標準體系建設等方面均滯后于產業發展，使得鋼管應用的安全性、經濟性和規范性難以保障。

在基礎理論研究方面應聚焦于新場景下鋼管潛在的失效機理研究，并基于此開發高性能用管。例如，超臨界CO2輸送中的多因素耦合腐蝕機理、管道斷裂理論，氫氣輸送中的管道氫脆機理，鹽穴壓縮空氣儲能中注采管在高含氧、高含鹽、高濕度環境中的腐蝕機理等，繼而在失效機理研究的基礎上開展鋼管合金成分、組織、力學性能等對失效的影響研究，以開發適用于新場景中的高性能、經濟性鋼管產品。

在關鍵技術開發方面應聚焦于鋼管的應用技術開發和適用邊界研究。推進HFW 焊管在CO2輸送和氫氣輸送中的應用，開發鹽穴壓縮空氣儲能用注采管腐蝕控制技術、大直徑注采管螺紋連接技術，探索各種材質、鋼級管材在不同服役工況下的適用邊界，建立全面的選材數據庫。

在標準體系建設方面應聚焦于新能源用管的特殊需求，建立包括CO2輸送用鋼管、純氫及摻氫輸送用鋼管、鹽穴壓縮空氣儲能用套管等在內的新能源用管標準技術規范體系，同時應將階段性研究成果始終與標準緊密結合，持續推進標準的更新升級，實現以標準促發展，推動我國新能源行業發展。