鮑懌 徐青

上海一元能源科技有限公司

摘要：氫脆嚴(yán)重影響金屬材料的性能，成為制約氫氣高效安全儲運(yùn)的瓶頸�；�于高壓氫氣儲運(yùn)中的氫脆現(xiàn)象，研發(fā)了一種高壓氫阻隔涂層材料，通過實(shí)驗(yàn)測試和實(shí)際工程項(xiàng)目應(yīng)用，驗(yàn)證了該材料在解決氫脆問題、降低氫能儲運(yùn)成本方面的優(yōu)勢，為氫能安全儲運(yùn)提供了全新的解決方案。

關(guān)鍵詞：氫脆；金屬選材；氫阻隔

氫能作為清潔能源的重要組成部分，在全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中占據(jù)重要地位。氫脆現(xiàn)象是氫能儲運(yùn)中面臨的核心技術(shù)難題之一，特別是在高壓氫氣環(huán)境下，氫原子易滲透入金屬材料，導(dǎo)致其脆化和失效。傳統(tǒng)抗氫脆解決方案依賴于316L不銹鋼、鎳基合金等高成本材料，雖然在性能上能有效抗氫滲透，但其價(jià)格高昂，加工復(fù)雜，限制了氫能基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。在能源轉(zhuǎn)型大背景下，市場對高效抗氫脆材料的需求十分迫切，研發(fā)一種低成本、高性能的氫阻隔材料，有望解決氫能安全經(jīng)濟(jì)的儲運(yùn)需求。

1  高壓氫氣輸送面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

氫脆現(xiàn)象是氫原子滲透到金屬材料內(nèi)部，導(dǎo)致材料脆化并最終失效的現(xiàn)象。其主要原因在于氫原子在金屬晶體中擴(kuò)散，降低了金屬的塑性和韌性。

1.1  氫脆機(jī)理及影響

氫脆現(xiàn)象源自氫原子與金屬內(nèi)缺陷的相互作用，導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展與材料的斷裂（圖 1）。實(shí)驗(yàn)表明，氫在鋼材中的擴(kuò)散系數(shù)約為1.3×10-8 cm²/s，在高壓下氫原子通過擴(kuò)散進(jìn)入金屬晶格中的位錯和晶界，并在缺陷處積聚，造成材料的疲勞強(qiáng)度顯著下降。氫原子在金屬中的擴(kuò)散速率與溫度、壓力密切相關(guān)。在壓力達(dá)到70 MPa時，普通低碳鋼的氫脆風(fēng)險(xiǎn)顯著增加，這也進(jìn)一步加大了氫氣輸送設(shè)備在設(shè)計(jì)和選材上的挑戰(zhàn)。

圖 1 氫脆導(dǎo)致的開裂與氫裂紋微觀圖

氫脆對氫能儲輸環(huán)節(jié)的主要影響包括：

（1）材料失效風(fēng)險(xiǎn)增加。在高壓氫氣環(huán)境下，氫原子能夠滲入金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)中，與材料中的缺陷（如微裂紋、晶界等）發(fā)生作用，削弱材料的內(nèi)部結(jié)合力。這會導(dǎo)致材料的脆性增加，易發(fā)生開裂或破壞。這種材料失效風(fēng)險(xiǎn)的增加，對氫氣輸送管道和儲氫氣瓶的長期穩(wěn)定性和安全性構(gòu)成了極大挑戰(zhàn)。

（2）安全性問題凸顯。在氫氣的儲存和運(yùn)輸過程中，特別是在高壓條件下，如果材料發(fā)生氫脆現(xiàn)象，可能會引發(fā)氫氣泄漏甚至爆炸，嚴(yán)重威脅公共安全。氫脆現(xiàn)象使得管道和儲氫設(shè)備的使用壽命縮短，增加了設(shè)備故障和安全事故的風(fēng)險(xiǎn)，限制了氫能的推廣和應(yīng)用。

（3）成本增加。為了防止氫脆現(xiàn)象，目前氫能儲運(yùn)環(huán)節(jié)通常采用高成本的抗氫脆合金材料（如316L不銹鋼或鎳基合金）來制造輸氫管道和儲氫氣瓶。這些材料雖然具有良好的抗氫脆性能，但價(jià)格昂貴，增加了氫能基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)營成本。同時，這些材料在加工和焊接過程中也面臨技術(shù)挑戰(zhàn)，進(jìn)一步增加了設(shè)備制造和維護(hù)的成本。

1.2  不同等級管道鋼在高壓氫氣環(huán)境中的表現(xiàn)

在氫氣輸送領(lǐng)域，根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境和成本控制需求，人們使用不同等級的管道鋼。以下是幾種常見管道鋼的性能特點(diǎn)及其在高壓氫氣環(huán)境中的表現(xiàn)：

（1）低碳鋼。優(yōu)點(diǎn)：低碳鋼因其低成本和良好的加工性與焊接性，在工業(yè)管道中得到了廣泛應(yīng)用。其在常規(guī)環(huán)境下具有較好的韌性和延展性。缺點(diǎn)：在高壓氫氣環(huán)境中，低碳鋼的抗氫脆性較差。氫原子容易滲透并聚集在金屬基體中，導(dǎo)致材料的脆化和開裂，尤其是在長時間高壓條件下。

（2）低合金高強(qiáng)度鋼（如X52、X60、X70）。優(yōu)點(diǎn)：具有較高的強(qiáng)度和韌性，能夠承受較高的壓力，這使其成為中高壓輸氫管道的常用材料選擇。它們在常規(guī)條件下表現(xiàn)出較好的抗拉強(qiáng)度和耐久性。缺點(diǎn)：在高壓氫氣環(huán)境中同樣面臨氫脆的風(fēng)險(xiǎn)。盡管較低的碳含量和特定的合金成分可以提高其抗氫脆能力，但在高壓環(huán)境下，氫脆現(xiàn)象仍然可能發(fā)生，特別是隨著使用時間的延長。

（3）高合金鋼（如316L不銹鋼、鎳基合金）。優(yōu)點(diǎn)：高合金鋼，如316L不銹鋼和鎳基合金，具有出色的耐腐蝕性和抗氫脆性能，在高壓氫氣環(huán)境中表現(xiàn)優(yōu)異。其化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)能夠有效抵抗氫原子的滲透和擴(kuò)散，提供良好的安全性。缺點(diǎn)：價(jià)格高昂，材料成本和加工成本顯著增加，大規(guī)模應(yīng)用受到限制。此外，這些材料通常比低碳鋼和低合金鋼更重，增加了運(yùn)輸和安裝的費(fèi)用。

2  高壓氫阻隔涂層研發(fā)

針對氫脆問題，高壓氫阻隔涂層采用生物基高分子復(fù)合材料，通過在金屬表面涂覆致密結(jié)構(gòu)以減少氫滲透，提高了傳統(tǒng)金屬材料的耐氫性能。

2.1  材料研發(fā)過程  

涂層材料的研發(fā)過程結(jié)合了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新。研究人員采用了顆粒有序排列技術(shù)，通過高分子基體的定向排列，形成了有效的氫氣阻隔屏障。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，涂層的致密性和均勻性經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)了涂層厚度的最小化（約30μm），同時保持了高效的抗氫滲透能力。研發(fā)階段還通過多次循環(huán)氫氣壓力測試（最高70 MPa），驗(yàn)證了涂層的附著力和抗疲勞性能。

2.2  材料性能測試  

實(shí)驗(yàn)測試在模擬高壓氫氣環(huán)境中進(jìn)行，主要包括氫滲透率、附著力和溫度適應(yīng)性測試。具體數(shù)據(jù)如下：

（1）氫滲透試驗(yàn)。在15℃和55℃、70 MPa壓力下分別進(jìn)行了3次重復(fù)測試，結(jié)果顯示涂層的氫滲透率為4.4×10-16 mol·m /（m²·s·Pa）（15℃）和2.27×10-15 mol·m /（m²·s·Pa）（55℃），相比于傳統(tǒng)316L不銹鋼1.2×10-13 mol·m /（m²·s·Pa），其抗氫滲透性能提高了數(shù)十倍。

（2）涂層的附著力試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，在30 MPa的拉伸應(yīng)力下，涂層與基材之間的粘合力依然保持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯剝落現(xiàn)象。

（3）溫度穩(wěn)定性試驗(yàn)。在﹣40℃～180℃的范圍內(nèi)進(jìn)行，涂層材料在高低溫循環(huán)中保持了結(jié)構(gòu)的完整性，未出現(xiàn)開裂或變質(zhì)現(xiàn)象。

2.3  涂層材料的性能優(yōu)勢  

高壓氫阻隔涂層基于先進(jìn)的生物基高分子復(fù)合材料技術(shù)，通過顆粒有序排列在基材表面構(gòu)建了一個高效的氫氣阻隔屏障。相比其他同類型材料，該涂層材料在抗氫脆能力、溫度適應(yīng)范圍（﹣40℃～180℃）和附著力（超過30 MPa）等方面均表現(xiàn)出色。涂層材料不僅適用于氫氣輸送管道，還可應(yīng)用于高壓儲氫氣瓶、摻氫天然氣管道等多種儲運(yùn)設(shè)備。廣泛的溫度適應(yīng)性和耐用性，可為不同場景的氫能儲運(yùn)提供可靠的解決方案。

傳統(tǒng)抗氫脆材料如316L不銹鋼和鎳基合金價(jià)格昂貴，通過將高壓氫阻隔涂層應(yīng)用于普通低合金鋼，整體成本顯著降低。綜合分析表明，采用涂層的普通鋼材相比使用316L不銹鋼，設(shè)備材料成本減少了約65%，這對于大規(guī)模氫氣輸送設(shè)備具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。除了原材料成本的降低，涂層的高耐用性和抗疲勞性能大幅延長了氫氣輸送設(shè)備的使用壽命，減少了設(shè)備維護(hù)和更換成本。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，涂層材料可使設(shè)備使用壽命延長5～10年，極大降低了設(shè)備的長期運(yùn)營成本。此外，由于涂層具有良好的附著力和耐腐蝕性，設(shè)備的維護(hù)周期可以從每3年延長到每5～7年，進(jìn)一步減少了運(yùn)營中的維修和停工成本。

3  應(yīng)用效果分析

（1）中石油寶世威寶雞鋼管有限公司項(xiàng)目  

中石油寶世威寶雞鋼管公司在其長輸氫氣管道項(xiàng)目中，選用了X70級鋼材并涂覆高壓氫阻隔涂層。該項(xiàng)目涉及25千米長的純氫輸送管道，壓力等級達(dá)到10 MPa。涂層的應(yīng)用提高了管道的抗氫脆能力，減少了因氫滲透導(dǎo)致的裂紋擴(kuò)展問題，并降低了總項(xiàng)目成本。相比使用316L不銹鋼的傳統(tǒng)方案，成本降低了約60%。

（2）廣州OPR氫能源科技有限公司高壓儲氫瓶項(xiàng)目

在廣州OPR氫能源公司高壓儲氫瓶項(xiàng)目中，采用III型儲氫氣瓶，內(nèi)壁涂覆了高壓氫阻隔涂層，應(yīng)用于70 MPa的高壓氫氣儲存。該項(xiàng)目的涂層應(yīng)用不僅顯著提升了儲氫瓶的抗氫滲透性能，還通過涂層技術(shù)實(shí)現(xiàn)了約40%的成本節(jié)約。與不銹鋼儲氫瓶相比，涂層材料使氣瓶的使用壽命延長了5年，減少了氫氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）西安長慶油田設(shè)計(jì)院輸氫管道項(xiàng)目  

在西安長慶油田設(shè)計(jì)院的輸氫管道項(xiàng)目中，涂覆了高壓氫阻隔涂層材料，有效增強(qiáng)了管道的抗氫脆性能，確保了氫氣輸送的安全性和效率。

4  結(jié)語

氫脆問題是制約氫氣儲運(yùn)設(shè)備安全性和經(jīng)濟(jì)性的主要瓶頸，傳統(tǒng)的抗氫材料如316L不銹鋼、鎳基合金等雖然具有良好的抗氫脆性能，但其高昂的價(jià)格大大增加了氫氣儲運(yùn)系統(tǒng)的建設(shè)成本。高壓氫阻隔涂層材料可以涂覆在普通鋼材上，通過高效阻止氫原子的滲透，顯著提高了普通鋼材的抗氫脆性能，并降低了材料成本。高壓氫阻隔涂層材料內(nèi)涂覆純氫輸送管道有望在大規(guī)模氫氣儲運(yùn)中廣泛應(yīng)用，為氫能基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)提供經(jīng)濟(jì)可行的解決方案。

作者簡介：鮑懌，1999年生，本科，技術(shù)工程師，主要從事高分子材料工程應(yīng)用研究工作。聯(lián)系方式：17501605667，shtyb-raymond@steeltube-cn.com。