X52M螺旋縫埋弧焊鋼管輸氫關(guān)鍵技術(shù)研究

劉向薇 付現(xiàn)橋 盧雪楓 杜明俊 苗恩博 王澤昊 李曄

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403002

摘 要 對(duì)輸氫管道的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行梳理，對(duì)比各類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輸氫工況下管道選材的相關(guān)要求，對(duì)國(guó)內(nèi)外輸氫管道已建工程的管材選用情況進(jìn)行整理，總結(jié)出X52及以下鋼級(jí)在輸氫管道中的適用性。對(duì)X52M卷板及螺旋縫埋弧焊管材進(jìn)行了試制，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)卷板、試制卷板及試制螺旋縫埋弧焊管材開展了氫環(huán)境下的適用性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，X52M螺旋縫埋弧焊鋼管在輸氫管道上的應(yīng)用是可行的，但需根據(jù)氫相容性要求，對(duì)化學(xué)元素、硬度、夾雜及晶粒度等性能提出更高的要求。對(duì)站場(chǎng)、站外輸氫管道在不同地形地貌、管徑、壁厚及組焊方式下的焊接方式適用性進(jìn)行了總結(jié)，同時(shí)給出了氫環(huán)境下的特殊要求。

關(guān)鍵詞 長(zhǎng)輸管道 氫氣 螺旋縫埋弧焊 X52M 氫脆

中圖分類號(hào) TE973?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A?? 文章編號(hào) 0254?6094（2024）03?0332?09

Research on Key Technologies for the Hydrogen Transmission

in X52M SAWH Steel Pipe

LIU Xiang?wei， FU Xian?qiao， LU Xue?feng ， DU Ming?jun，MIAO En?bo，

WANG Ze?hao， LI Ye

（North China Co.， China Petroleum Engineering & Construction Corp.）

Abstract?? Both domestic and foreign codes for hydrogen pipelines were discussed， including having their requirements for selecting the hydrogen pipelines compared and the pipeline materials applied in the in?service projects put in order and the applicability of X52 in hydrogen pipeline summarized. In addition， the trial production of X52M strap and SAWH pipe was implemented and the applicability of both standard strap and trial strap in hydrogen environment was evaluated to show that， through considering hydrogen compatibility， applying X52M SAWH pipe to the hydrogen pipeline is feasible and higher requirements for chemical elements， hardness， inclusion and grain size become necessary. Meanwhile， the applicability of welding methods for hydrogen transmission pipeline under different terrains， pipe diameters， wall thickness and assembly welding methods were summarized and the special requirements under hydrogen environment were proposed.

Key words?? long?distance pipeline， hydrogen， SAWH， X52M， hydrogen embrittlement

基金項(xiàng)目：河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：22314601D）資助的課題。

作者簡(jiǎn)介：劉向薇（1992-），碩士研究生，從事油氣田地面工程材料設(shè)計(jì)與研發(fā)工作，970285652@qq.com。

引用本文：劉向薇，付現(xiàn)橋，盧雪楓，等.X52M螺旋縫埋弧焊鋼管輸氫關(guān)鍵技術(shù)研究[J].化工機(jī)械，2024，51（3）：332-339;439.

從煤炭到石油，石油到天然氣，天然氣到氫氣，能源系統(tǒng)構(gòu)成正逐步趨向“低碳高氫”的態(tài)勢(shì)。在眾多新能源產(chǎn)業(yè)中，氫能作為一種零排放、能量密度大和轉(zhuǎn)化效率高的綠色能源和二次能源載體，其開發(fā)、利用已受到了各國(guó)的高度重視。氫能是能源轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要方向，也是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要途徑。目前，國(guó)家“十四五”規(guī)劃綱要中氫能已被列為前瞻謀劃的六大未來產(chǎn)業(yè)之一[1～3]。

相比于高壓儲(chǔ)罐輸氫和低溫液態(tài)輸氫，管道輸氫可兼顧輸氫距離、用氫需求及終端用戶分布等因素。綜合經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，在大輸量和長(zhǎng)距離背景下，利用管道進(jìn)行輸氫是最優(yōu)的輸送方式。與天然氣長(zhǎng)輸管道不同，管道輸氫會(huì)存在氫脆、氫鼓泡、脫碳及氫腐蝕等風(fēng)險(xiǎn)。材料在臨氫環(huán)境中長(zhǎng)期工作，會(huì)引起塑性損減、裂紋擴(kuò)展速度加快及斷裂韌性降低等性能劣化現(xiàn)象，甚至?xí)l(fā)管道過早失效，危及管網(wǎng)運(yùn)行安全。氫氣長(zhǎng)輸管道用鋼管在鋼管類型、鋼級(jí)、合金元素及操作壓力等方面相比于天然氣管道存在一定的限制。對(duì)于氫氣管道，選用管道材料強(qiáng)度越高，氫脆風(fēng)險(xiǎn)越大。同時(shí)，碳、錳、磷、硫、鉻等元素也會(huì)增強(qiáng)低合金鋼的氫脆敏感性，焊接缺陷、殘余應(yīng)力等也易導(dǎo)致鋼管氫致失效[4～6]。

由于在氫氣管輸方面缺少相應(yīng)的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)收指標(biāo)，筆者對(duì)目前國(guó)內(nèi)外氫氣輸送標(biāo)準(zhǔn)及已建氫氣項(xiàng)目進(jìn)行了整理歸納。針對(duì)X52M輸氫管用管材進(jìn)行了試制，并對(duì)其物理化學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，同時(shí)針對(duì)試制板材及管材開展了氫環(huán)境下的適用性評(píng)價(jià)。除此之外，還整理了各類管道環(huán)焊焊接形式的適用范圍及輸氫環(huán)境下的相關(guān)要求，以供氫氣輸送管道設(shè)計(jì)人員參考。

1 輸氫管材選用

1.1 標(biāo)準(zhǔn)要求

國(guó)際現(xiàn)行輸氫管道參考標(biāo)準(zhǔn)主要有《Hydrogen Piping and Pipelines》ASME B31.12—2019和《Hydrogen Pipeline Systems》CGA G?5.6—2013[7，8]。

氫的體積分?jǐn)?shù)不高于10%的摻氫管道系統(tǒng)（CO濃度不小于200ppm，1ppm=0.001‰）設(shè)計(jì)通常參照CGA G?5.6，根據(jù)CGA G?5.6中對(duì)氫服役工況下的碳鋼和微合金鋼要求，選用碳鋼和微合金鋼材質(zhì)時(shí)，強(qiáng)度宜不高于X52，并需滿足表1所列要求。氫比例大于10%的輸氫管道則通常參照ASME B31.12，該標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)鋼級(jí)的允許范圍較為寬泛，但相比于天然氣輸送管道，標(biāo)準(zhǔn)中提出了氫環(huán)境材料性能系數(shù)，以提高臨氫環(huán)境下的安全裕度，相同設(shè)計(jì)工況下，氫氣介質(zhì)管材壁厚計(jì)算值增大了1.44～2.65倍[9～12]。相關(guān)要求見表2。

國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)在氫氣長(zhǎng)輸管道方面較為欠缺，可參照的標(biāo)準(zhǔn)有《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50156—2021、《加氫站技術(shù)規(guī)范》GB 50516—2010（2021版）和《氫系統(tǒng)安全的基本要求》GB/T 29729—2022[13～15]。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)的項(xiàng)目類型為加氫站、制氫站中站內(nèi)工藝管道，要求相對(duì)嚴(yán)格，輸氣站場(chǎng)站內(nèi)管道可參照?qǐng)?zhí)行。GB 50156中規(guī)定：“氫氣管道材質(zhì)應(yīng)具有與氫良好相容的特性，設(shè)計(jì)壓力大于或等于20 MPa的氫氣管道應(yīng)采用316/316L雙牌號(hào)鋼或經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的具有良好的氫相容性的材料?！盙B 50516中規(guī)定：“加氫站氫氣管道的材料宜選用316L或其他經(jīng)驗(yàn)證具有良好氫相容性的材料?！背酥?，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還要求選用奧氏體不銹鋼時(shí)，其鎳含量應(yīng)大于12%，鎳當(dāng)量不應(yīng)小于28.5%等技術(shù)要求。相比于以上兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 29729中給出的要求相對(duì)寬松，正文條款中給出的技術(shù)要求為“與氫有良好的相容性”和“無(wú)縫管”;附錄D中還明確了X42、X52可應(yīng)用于工作壓力不超過21 MPa的輸氫管道，并給出了X42和X52的化學(xué)成分和力學(xué)性能要求。相比于GB/T 9711標(biāo)準(zhǔn)管材，其化學(xué)成分要求介于調(diào)質(zhì)態(tài)與正火態(tài)之間，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)成分要求對(duì)比見表3，由表3可看，力學(xué)性能要求與調(diào)質(zhì)態(tài)一

致[16]。

以上標(biāo)準(zhǔn)分析可以看出，不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輸氫管道的安全性保障方式各異。其中ASME B31.12是對(duì)其壁厚設(shè)計(jì)進(jìn)行增大以保障其安全性;CGAG?5.6則是要求對(duì)碳鋼/低合金鋼等進(jìn)行鋼級(jí)限制，并對(duì)管材中磷、硫等危害元素、斷裂韌性及晶粒度等性能指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)控以保障輸氫安全;而國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)則是通過對(duì)管材管型及選用耐蝕合金的方式保障輸氫安全。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)對(duì)各類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輸氫管道的特殊要求進(jìn)行綜合考慮。

1.2 已建項(xiàng)目應(yīng)用情況

輸氫管道的建設(shè)至今約70年歷史，國(guó)內(nèi)起步相對(duì)較晚。據(jù)美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)計(jì)（至2016年），全球共計(jì)4 542 km輸氫管道，國(guó)內(nèi)累計(jì)約100 km。其中可追溯的國(guó)內(nèi)外已建項(xiàng)目信息見表4[17～19]。由表中數(shù)據(jù)可以看出，國(guó)內(nèi)外建設(shè)氫氣輸送管道的管道材質(zhì)以X52及以下鋼級(jí)為主，管型仍是以無(wú)縫鋼管為主體，但逐漸有引入焊接鋼管的趨勢(shì)。

1.3 輸氫管材選用

參照國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)要求，并結(jié)合已建氫氣輸送管道設(shè)計(jì)情況，推薦輸氫管材的選用原則如下：

a. 管型選擇。對(duì)于輸氫管道，推薦選用無(wú)縫鋼管，當(dāng)制造工藝或成本受限時(shí)，可優(yōu)先考慮直縫埋弧焊鋼管，并開展相應(yīng)的氫相容性評(píng)價(jià)，尤其針對(duì)焊縫和熱影響區(qū)，應(yīng)提出更高的設(shè)計(jì)要求。

b. 鋼級(jí)選擇。結(jié)合已建國(guó)內(nèi)外工程的材質(zhì)應(yīng)用情況及國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)技術(shù)要求，對(duì)于低壓力的長(zhǎng)距離輸氫管道及站內(nèi)輸氫管道推薦選用X52及以下鋼級(jí)管線鋼鋼管，選用更高鋼級(jí)管材應(yīng)對(duì)其氫相容性進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)于20 MPa以上站內(nèi)高壓輸氫管線，推薦選用不低于316L等級(jí)的不銹鋼管。

c. 壁厚計(jì)算。對(duì)于輸氫管道壁厚的計(jì)算，應(yīng)按照ASME B31.12執(zhí)行，以保證輸氫管材具有更高的安全裕度。除以上要求外，還需結(jié)合氫環(huán)境對(duì)管材碳當(dāng)量、晶粒度、帶狀組織、化學(xué)成分、硬度及斷裂韌性等提出更高的要求。

2 X52M螺旋縫埋弧焊鋼管輸氫適用性研究

2.1 研究背景

受無(wú)縫管熱軋工藝的限制，對(duì)應(yīng)管徑下無(wú)縫管的最小生產(chǎn)壁厚通常要遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)壁厚。而焊接鋼管是由鋼板或板卷卷制成型的，其壁厚控制要遠(yuǎn)精確于無(wú)縫管，且制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，厚壁覆蓋區(qū)間較廣。制造成本方面，焊接鋼管的單噸費(fèi)用也低于無(wú)縫鋼管，無(wú)縫管整體費(fèi)用要遠(yuǎn)高于焊接鋼管。以設(shè)計(jì)壓力p=6.3 MPa，設(shè)計(jì)系數(shù)0.6工況為例，同鋼級(jí)無(wú)縫鋼管的投資費(fèi)用要明顯高于焊管，如圖1、2所示。另外，隨鋼級(jí)提高，焊接鋼管的投資值有明顯降低，選用X52級(jí)別時(shí)，經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)最優(yōu)。因此，為降低投資，提高工程效益，亟需對(duì)X52級(jí)焊管在輸氫環(huán)境下的適應(yīng)性進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 管材試制

為進(jìn)一步論證鋼管在輸氫環(huán)境下的適用性，對(duì)X52抗氫（以下稱X52MH）卷板進(jìn)行了試制。試制過程中嚴(yán)控冶煉過程，保證板材高潔凈、低偏析，嚴(yán)控雜質(zhì)元素、夾雜物等;軋制時(shí)，全流程細(xì)化晶?？刂?，控制晶粒度和析出物;控制組織以細(xì)晶鐵素體為主、控制帶狀組織及硬度等。按照以上控制要求，試制了X52MH卷板，通過對(duì)試制卷板的化學(xué)成分、力學(xué)性能、沖擊韌性、硬度、晶粒度、非金屬夾雜和金相組織進(jìn)行測(cè)試，其試制效果明顯超出標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定數(shù)值（表5）。另外，卷板的微觀組織整體表現(xiàn)為鐵素體組織，并伴有少量珠光體出現(xiàn)，符合組織控制需求（圖3）。

為論證低成本螺旋縫埋弧焊管的可行性，采用上述試制卷板，用埋弧焊方法、自動(dòng)埋弧焊工藝生產(chǎn)帶有一條直焊縫的螺旋縫埋弧焊鋼管，內(nèi)外焊縫均不少于一個(gè)焊道。結(jié)合國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)管材母體、焊縫和熱影響區(qū)中的化學(xué)元素、晶粒度、非金屬夾雜、硬度、低溫沖擊、HIC、導(dǎo)向彎曲及CTOD等指標(biāo)提出了設(shè)計(jì)要求，并對(duì)試制管材中的以上設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果顯示，所有指標(biāo)均遠(yuǎn)優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，見表6。

2.3 氫相容性評(píng)價(jià)

金屬在氫環(huán)境下的相容性主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為氫脆。氫脆是氫原子與金屬相互作用而導(dǎo)致金屬失效現(xiàn)象的總稱，涵蓋多種金屬失效模式。第1種失效模式是氫原子在金屬局部發(fā)生富集，當(dāng)超過限值時(shí)，在外應(yīng)力作用下產(chǎn)生金屬裂紋的失效模式，即氫致開裂;第2種失效模式是氫原子滲透到金屬內(nèi)部后再結(jié)合成氫分子，隨氫分子濃度增大導(dǎo)致的局部壓力過大，從而導(dǎo)致氫鼓包的失效模式;第3種失效模式則是由于低濃度氫原子滲透，從而降低金屬的機(jī)械性能的失效模式[20，21]。由于氫致開裂和氫鼓包通常需要?dú)湓泳奂揭欢ǔ潭确娇砂l(fā)生，即機(jī)械性能衰減才是最普遍的氫脆失效模式。因此本次X52M的氫相容性評(píng)價(jià)，主要為氫環(huán)境下的機(jī)械性能衰減評(píng)價(jià)，該指標(biāo)的測(cè)試通常采用充氫前后的斷后伸長(zhǎng)率和截面收縮率來表征氫脆塑性損失，其計(jì)算公式如下：

HEI=×100%（1）

HEI=×100%（2）

式中 HEI——?dú)浯嗝舾兄笖?shù)（斷后伸長(zhǎng)率）;

HEI——?dú)浯嗝舾兄笖?shù)（截面收縮率）;

δ——非氫環(huán)境下斷后伸長(zhǎng)率;

δ——?dú)洵h(huán)境下斷后伸長(zhǎng)率;

φ——非氫環(huán)境下截面收縮率;

φ——?dú)洵h(huán)境下截面收縮率。

卷板方面，試驗(yàn)過程選用了兩種標(biāo)準(zhǔn)卷板制備的拉伸試樣與試制板材試樣進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)拉伸速率為10-5 s-1。試驗(yàn)結(jié)果顯示，標(biāo)準(zhǔn)卷板試樣的HEI和HEI值均相對(duì)較高，經(jīng)性能控制獲得的試制試樣在氫脆敏感度性能方面得到了較好提升。即采用普通的標(biāo)準(zhǔn)型X52M卷板在氫環(huán)境下的失效概率較大，但經(jīng)過對(duì)C、P、S等化學(xué)元素、硬度、晶粒度及夾雜等指標(biāo)的有效控制，可大幅減小氫對(duì)X52M鋼級(jí)卷板機(jī)械性能的影響。

管材方面，在試制首批產(chǎn)品中抽檢兩根，選用相同的試驗(yàn)參數(shù)針對(duì)焊縫及熱影響區(qū)開展了氫相容性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，試制管材中的焊縫及熱影響區(qū)的HEI和HEI值均不大于3%，具有較好的氫相容性，見表8。

3 管道焊接

站內(nèi)輸氫工藝管道的焊接方式選用已相對(duì)成熟?？蓞⒄誈B 50156中要求，對(duì)于碳鋼管線采用氬弧焊打底+手工焊填充蓋面的方式，對(duì)于不銹鋼管線采用氬弧焊焊接方式。標(biāo)準(zhǔn)中暫未涉及氫氣長(zhǎng)輸管道的焊接方式選用原則。如參照站內(nèi)管道選用手工焊焊接形式，當(dāng)管線長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響施工周期。因此，需對(duì)自動(dòng)化程度較高的焊接形式的適用性進(jìn)行分析。在焊接方式選擇方面，需要結(jié)合不同焊接工藝特點(diǎn)、長(zhǎng)輸管道所處地形、管徑、鋼級(jí)、施工隊(duì)伍焊接設(shè)備配備情況、投資等綜合確定，結(jié)合我國(guó)長(zhǎng)輸管道焊接歷程、不同焊接工藝特點(diǎn)及項(xiàng)目應(yīng)用情況，手工焊、半自動(dòng)焊及自動(dòng)焊焊接工藝的適用范圍總結(jié)見表9。表中適用性僅考慮了地形地貌、管徑、壁厚及組焊方式等因素。對(duì)于輸氫管道還應(yīng)對(duì)介質(zhì)特殊性對(duì)焊接方式進(jìn)行二次篩選。如：對(duì)于自保護(hù)藥芯半自動(dòng)焊接方式，其沖擊韌性數(shù)值離散，沖擊功不穩(wěn)定，且焊接接頭擴(kuò)散氫含量較高，不易控制。因此，輸氫管道焊接方式應(yīng)盡量避免選用自保護(hù)藥芯半自動(dòng)焊接方式。

值得注意的是，氫氣介質(zhì)輸送管材在硬度和韌性指標(biāo)方面，相比于天然氣介質(zhì)要求更高，因此焊接工藝評(píng)定內(nèi)容中應(yīng)提高低溫沖擊試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、CTOD試驗(yàn)及低溫施工時(shí)的韌脆轉(zhuǎn)變曲線的測(cè)定等要求。但由于缺少標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，各類性能指標(biāo)要求仍有待完善，因此亟需開展氫氣管道焊接方面的相關(guān)研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

從國(guó)內(nèi)外氫氣輸送標(biāo)準(zhǔn)的歸納結(jié)果和工程應(yīng)用情況來看，氫氣管道宜選用無(wú)縫鋼管及低鋼級(jí)管材，通常認(rèn)為X52及以下鋼級(jí)是適用的。通過X52M板材試制及對(duì)應(yīng)的氫相容性評(píng)價(jià)結(jié)果來看，X52M螺旋縫埋弧焊鋼管在輸氫管道上的應(yīng)用是可行的，但需根據(jù)氫相容性要求，對(duì)化學(xué)元素、硬度、夾雜及晶粒度等性能提出更高的要求。關(guān)于輸氫管道焊接方式的選擇，站內(nèi)管道宜選用手工焊（氬電聯(lián)焊/氬弧焊）的焊接方式，長(zhǎng)距離站外輸氫管道應(yīng)根據(jù)其地形地貌、管徑、壁厚及組焊方式選用適用的自動(dòng)焊焊接方式。但由于缺少標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，各類焊接性能指標(biāo)要求仍有待完善。

隨著氫能需求的不斷擴(kuò)大，更高壓力、更大管徑的輸氫管道建設(shè)將成為未來開發(fā)重點(diǎn)。因此以下內(nèi)容亟待解決：研發(fā)氫環(huán)境的相容性較好的高鋼級(jí)管材;氫環(huán)境下，不同鋼級(jí)、不同管型管材的性能驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的確認(rèn);焊接方式可行性論證及焊接工藝評(píng)定中各類指標(biāo)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-06-08，修回日期：2024-05-06）