氫脆問題的研究和預防是我國未來大規模推進管道輸氫技術的前提條件，必須引起高度重視。
▲中國石化濟源—洛陽氫氣管道
日前，中石化400多公里“西氫東送”輸氫管道示范工程被納入國家規劃，中石油天然氣管道摻氫輸送技術也取得新突破。這些進展均對我國解決氫能供需異地矛盾、推動氫能產業規模化發展具有重要意義。與此同時，輸氫管道的運行安全問題也成為大家普遍關注的焦點。
據記者了解，與天然氣不同，氫由于特殊的性質，可能進入到金屬內部與金屬基體發生交互作用，引起管道材料韌性下降進而發生脆斷或開裂，即所謂的“氫脆”現象，成為影響輸氫管道安全運行的最大風險之一。在多位業內人士看來，氫脆問題的研究和預防是我國未來大規模推進管道輸氫技術的前提條件，必須引起高度重視。
氫脆發生機理尚不明確
“氫脆問題的研究已經有很多年了，但一直沒有研究清楚。”中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院副教授劉翠偉告訴記者，“我們說的氫脆一般都是針對金屬管道，氫要進入金屬管道，首先得由氫分子解離成氫原子。氫分子具體怎么解離成氫原子，氫原子怎么進入管材，進入管材之后怎么在管材內部進行擴散，這個過程目前無法進行有效觀測。”
據了解，目前國內外對于氫脆問題的研究，都是通過宏觀的實驗現象去解釋其中的原理，因此，研究人員提出不同的解釋理論或觀點。
“目前對于氫脆機理的研究仍存在一定的片面性和淺層性，并沒有一套完整的理論能夠解釋所有的氫脆現象，從而從根本上規避氫脆現象的發生。”中國石油大學（華東） 新能源學院副教授齊建濤等撰文指出。
機理不清，但氫對管材的脆裂作用卻真實存在。
“管道材料表面在局部應力條件下會產生局部變形，表面就會有局部活化，氫分子在活化的表面可以解離成氫原子進入到材料內部，進而導致材料的變形或破壞。”中國科學院金屬研究所專家王儉秋對記者表示，“這也和管材有關。有觀點認為在一般的輸氫碳鋼管道中沒有氫脆，因為氫很快就能擴散出去，但我們的研究發現，在實驗室模擬應力腐蝕條件下，即使在碳鋼里，也同樣發現材料內部有脆性開裂現象。”
劉翠偉也對此表達了類似看法：“我們在實驗室4MPa管道壓力下，摻氫比由10%提高到100%，都觀察到了氫氣的解離、滲透、吸附、擴散現象。要產生氫脆，氫的解離必須發生，先解離成氫原子，再吸收進內表面，在內部擴散，最后發生氫脆。”
優化工藝可延緩氫脆的發生
雖然目前尚不能從根本上規避氫脆的發生，但可根據大量實驗研究總結出關于氫脆現象的影響因素，以盡量減輕氫脆所帶來的危害。
據介紹，輸氫管道所處的狀態不同，發生氫脆的風險也不同。一般情況下，發生氫脆的風險與輸送壓力、摻氫比例、選用的管材強度以及管道運行時間等因素有關。
“輸送壓力越高風險越高，摻氫比越高風險也越高。”王儉秋指出，“通過工藝的改變，可延緩氫脆的發生。一是從選材角度，可以選擇耐氫脆的管道；比如，相對低壓的城市管網，都是低強的材料，對氫沒那么敏感，風險相對小。另外，已經服役多年的管道肯定比新建管道風險大。應該針對已服役管道進行安全性、相容性評價，不能閉著眼睛干。起初可能風險很小，但在運行過程中我們應該知道風險在哪，并且可預測。”
劉翠偉表示：“針對已經運行的天然氣管道摻氫，可以先對管線進行完整性管理或適應性評估，之后，通過降低運行壓力或者摻氫比例來減少氫脆發生的風險。”
相較于在役天然氣管道摻氫輸送，新建管道從設計階段就可以將氫脆的影響因素考慮進去，相對來說可控性更強。
“目前的新建輸氫管道在設計階段會考慮氫氣對管材的影響，這也是為什么純氫管道成本比較高。在計算管徑、壁厚時，為了規避氫脆影響，會有材料系數的考慮，把壁厚設計得更大一些，這樣就留出足夠安全裕量。”劉翠偉表示。
相關研究和實踐不足
在碳達峰碳中和目標下，綠氫作為一種綠色低碳能源，是許多企業重點布局的領域。與此同時，氫能的發展，可以很好地解決我國中西部地區的棄風棄光問題。在多位業內人士看來，今后氫能的大規模發展是必然的，但目前我國氫能領域的研究，尤其是輸氫管道標準、安全等方面的研究亟需加強。
中國工程院院士鄭津洋表示，氫能管道運輸未來主要存在幾個方面的難關，首要的就是關鍵技術，包括低成本、高強度的抗氫脆材料、高性能的氫能管道的設計制造技術。
據了解，目前，國內企業正在做抗氫鋼的研發工作，進行高鋼級、大管徑、高壓力的抗氫鋼研發，以適用于后期新建輸氫管道。中國石化此前也透露，攻關團隊正在開展氫能管輸技術的系統性研發，通過對管材進行系統試驗與應用研究，掌握氫環境下不同鋼級管材及焊接接頭性能的綜合評估與應用技術。
劉翠偉指出：“國外針對這方面的研究，在工程應用上已經比較多，有摻氫的管線，有天然氣管道改輸氫氣，也有油管線改輸氫氣，都有比較成熟的實踐。我國目前相關的研究和實踐還不足，與國外存在差距。”
“目前，我國針對西氫東送這種長輸管道，已經制定了重點研發項目計劃，研究氫氣和管材的相容性。不過，普遍沒有考慮在役天然氣管道的老化問題。如果要用好西部能源，把現有天然氣管道利用起來肯定是趨勢。我國西氣東輸管道已有年頭，在已經老化的管道里輸氫，相關的風險研究是缺失的，需要先把這些問題研究清楚。”王儉秋指出。
