輸氫管道采用X80管線鋼的設計建議*

0 前言

氫能作為能源載體之一，可有效緩解溫室效應，并確保能源供應。經過多項論證性研究，到2050年，全球輸氫管線長度預計達到15 000～35 000 km。目前，全球約有3 000 km輸氫管線，最大服役壓力為10 MPa，主要為化學或石油工業提供氫氣，這些輸氫管道的管體鋼級通常不超過X52。由于氫的能量密度較低，管道能承受15～20 MPa的壓力，結合管線建設的經濟性，可使用高強度管線鋼管，以減少管道壁厚，從而降低成本。

本研究介紹了X80鋼在空氣介質中的特性，并對氫氣環境下X80鋼的力學性能進行了試驗，包括拉伸試驗、圓片試驗、斷裂韌性試驗以及疲勞裂紋擴展試驗，試驗結果能夠為X80輸氫管道設計提供參考。

1 X80管材在空氣環境中的性能

試驗用Φ914.4 mm×13 mm規格X80鋼管由歐洲管網提供，其化學成分見表1，顯微組織如圖1所示，微觀組織主要由帶狀分布的鐵素體-珠光體（F-P）組成。

對各因素的K值及極差R值進行比較，由R值得出4個因素對黃精酸奶影響程度的大小為發酵時間＞發酵溫度＞黃精浸提液添加量＞蔗糖添加量。正交試驗結果表明，黃精酸奶的最優組合為A2B3C2D3，即蔗糖添加量6%，黃精浸提液添加量0.6%，發酵溫度42℃，發酵時間7.5 h。根據此組合進行驗證試驗，在該條件制作出的黃精酸奶，感官評分達到了92分，即在此工藝條件下，制作出的黃精發酵酸奶口感較好，因此黃精發酵酸奶的最佳工藝條件為蔗糖添加量6%，黃精浸提液添加量0.6%，發酵溫度42℃，發酵時間7.5 h。

在鋼管周向45°、90°、135°和180°位置取樣并進行力學性能試驗。結果顯示，四處位置的拉伸性能、夏比沖擊韌性和硬度沒有明顯的差異，鋼管縱向試樣的屈服強度和抗拉強度平均值分別為510 MPa和689 MPa，環向試樣的屈服強度和抗拉強度平均值分別為596 MPa和707 MPa，夏比沖擊值在127～134 J/cm

范圍。此外，測定了鋼管TL方向上的J曲線，韌性J

=210 kJ/m

。試驗結果表明，該X80鋼管性能滿足天然氣輸送的要求。

2 X80管材在高壓氫氣中的力學性能

2.1 圓片試驗

COMAND控制單元(圖6)位于中央控制臺中，是駕駛室娛樂和通信系統的主控單元和網關，通過CAN總線和MOST總線進行數據傳輸和接收。

2.2 拉伸試驗

管道在壓力為12 MPa的天然氣環境下會產生缺陷，為了保證管道能承受住氫環境中類似這樣缺陷而不發生斷裂，須計算輸氫管道的厚度。大直徑管道12 MPa壓力下輸氫/輸氣的厚度比以及載荷系數如圖12所示，圖12表明，對于大直徑管道，輸氫管道的壁厚必須增加到天然氣管道的1.6～1.9倍，壁厚取決于缺陷的長度，載荷系數介于0.38～0.45之間，而天然氣管道的載荷系數為0.73，低鋼級的輸氫管道的載荷系數為0.4。

為了量化材料的氫脆程度，測量拉伸試樣在氫氣中與空氣中相應面積的減少量來定義氫脆系數F，即

在言語表達過程中，人們都會發現自己的言語是表達個性、反映性格的有效途徑。在意識到自己的語言具有一套獨特的語言特征時，這就是“個人語型”的使用。同樣，作為語言次類的每種英語方言也都由大量的“個人語型”組成，沒有一種方言是清一色的。

假定管道存在縱向缺陷，可預估管道破裂壓力，分別在天然氣和氫氣環境中估算其破裂壓力并進行比較。根據給定的最大壓力和相同的缺陷幾何形狀確定鋼管的尺寸，具體可參照兩種管道直徑：小直徑323.9 mm和大直徑914.4 mm。

S

——拉伸試驗斷裂后試樣的截面積；

(3)僅軸力作用和純彎矩作用下，存在剪力滯的過渡段長度大致相同，均為距支點約兩倍腹板凈距，同時剪力沿跨徑在剪力滯影響區域的縱向變化趨勢兩者剛好相反。

S

——試樣的初始截面積。

根據該定義，F=0表示無氫脆，而F=100%表示脆性最大，即完全失去塑性。在30 MPa氫氣環境下試驗的X80材料脆性系數F接近70%。

圓片試驗 （disc test）根據ISO 11114-4《可運輸氣瓶 氣瓶和瓶閥材料與盛裝氣體的相容性 第4部分：選擇抗氫脆鋼的試驗方法》中方法A進行，用來評價材料對輸送氣體的適用性。通過比較圓片試樣在氦氣環境中和在其他氣體環境中爆破壓力的差異，確定材料的脆化指數。本研究脆化指數在加壓速率0.01～100 MPa/min范圍內，氦氣爆破壓力與氫氣爆破壓力的比率，如果該指數值小于2，則這種材料符合氫氣的輸送要求。將圓片試樣在氦氣和氫氣環境下加壓破裂，試驗結果如圖2所示，同時試驗結果存在顯著差異，脆化指數在1.2～2.5之間變化，因此，很難斷定這種X80材料對氫氣的敏感性。此外，一些圓片試樣是開裂而非爆裂，尤其是在較低的加壓速率下，如圖3所示。

采用含缺口軸對稱試樣在30 MPa壓力的氮氣和氫氣下進行試驗，研究了應力三軸度對脆性的影響。試樣缺口半徑r有兩種尺寸：0.1 mm和0.8 mm（如圖5所示），對應于試驗開始時1.6和1.4的局部三軸度。氫的影響仍然是降低整體塑性，此外，在高的三軸度條件下，可觀察到最大載荷的降低（如圖6所示）。不同試樣缺口幾何形狀的氫脆系數F隨著應力三軸度的增加而增加，這證實了應力三軸度和氫脆之間的交互作用。

2.3 斷裂韌性試樣

鋼管上的缺陷是影響氫氣輸送安全裕度的關鍵問題。采用多試樣法CT拉伸試樣（W=40 mm、B=10 mm、B

=8 mm）在空氣和30 MPa氫氣環境中進行了材料韌性測試，預制裂紋參數見表2，拉伸試驗結果見表3。試驗前，試樣（a/W=0.55）在空氣中進行裂紋預制，深度約22 mm，然后開側槽。試驗過程中，載荷與裂紋張開位移（COD）關系曲線如圖7所示，由圖7可知，在等效COD下，試樣在氫氣中的載荷大幅降低，與圖8中顯示的在空氣和氫氣中等效COD裂紋的擴展形貌吻合。根據試驗得出的J-R曲線如圖9所示，由圖9可知，氫對材料韌性的影響顯著，特別是當裂紋擴展量為0.2 mm時，材料在空氣中的韌性為210～250 kJ/m

，而在30 MPa氫氣中的韌性僅為15 kJ/m

，這與文獻中PRAXAIR的試驗結果相似。本試驗發現，化學成分、管體和試樣幾何形狀、氣體純度方面的差異導致氫對材料韌性的影響更加明顯。

2.4 疲勞裂紋擴展

經過調查發現，材料在氫氣環境中疲勞行為的研究目前還有待加強?？紤]到要制定氫氣管道設計安全指南的目標，本項目采用緊湊拉伸（CT）試樣（W=40 mm，B=10 mm）進行疲勞裂紋擴展試驗，試驗數據見表4。由表4可知，空氣中的加載頻率為10 Hz，氫氣中的加載頻率為0.1 Hz。

將試驗結果與文獻中PRAXAIR給出的建議進行對比，結果如圖10所示。根據圖10可知，當在壓力為30 MPa的氫氣環境中進行循環應力加載時，裂紋增長速率明顯增大。為了模擬實際服役環境，通過降低加載頻率提高氫對材料疲勞裂紋擴展的影響，由此得到Paris定律見式（3），式中d a/d n以（mm/cycles）表示，ΔK以（MPa·m

）表示。

為了估算缺陷的臨界尺寸，試樣分別采用Φ914.4 mm×12.7 mm和Φ323.9 mm×4.5 mm兩種規格的鋼管，試驗環境參數見表5。

3 X80管道設計建議

3.1 改進方法

式中：RA——在空氣與在氫氣條件下試驗后試樣面積的平均減少量；

以管道內外表面產生的縱向缺陷為例，缺陷長度為2c，相對深度為a/t，a為裂紋深度，t為鋼管壁厚，缺陷長度與深度的關系如圖11所示。由于外表面缺陷和內表面缺陷都會受到氫的影響，而外表面缺陷通常會被“低估”，事實上，外表面缺陷并未與氫氣直接接觸，而僅與滲透管道管壁處的氫接觸。當外表面的氫濃度邊界條件為0時，氫是如何影響該側缺陷的性能尚不清楚。缺陷的臨界尺寸根據API 579標準進行計算。

3.2 缺陷臨界尺寸

根據2006年8月4日發布的法國法令，并考慮到大型管道的尺寸，通過式（4）獲得最高工作壓力，即

式中：α——載荷系數；

C

——輸送天然氣的管道成本；

t——鋼管的壁厚，mm；

Φ——鋼管的外徑，mm。

看到這里，泥巴先洗澡了，左小龍在窗邊看局勢，然后左小龍再去洗澡，出來的時候看見泥巴躺在床上，警燈閃耀的光芒隔著窗簾映在天花板和墻壁上。很快，救護車的頂燈也來幫助柔和警車燈光的銳利，房間里一片光輝。左小龍去拉緊了窗簾，發現遠處已經起霧了，樓下的人漸漸被降下的水汽包圍。

二是推動中部工業集中區“二次創業”。該區域縱貫東西、連接上下河，包括毗鄰的省級經濟開發區、姜堰高新區、裝備園區三個園區，貢獻了全區60%的工業開票銷售。我們以“二次創業”為動力，大力推進產業轉型升級，著力集聚高端創新要素，積極引入優質工業增量，做優做強實體經濟，持續推動質量變革、效率變革、動力變革，力爭到2020年該區域工業開票銷售超700億元，占全區比重80%以上。

為了比較天然氣與氫氣管道的設計建議，這兩種氣體選擇了相同的安全系數（等于1）。缺陷臨界深度與長度的關系如圖11所示，由圖11可知，對于大管道，在天然氣中的相對深度比在H

中的相對深度高2.3～3.3倍，對應小管道則高1.7～2.2倍，相對深度具體取決于缺陷長度。

3.3 管道設計

在MTS伺服液壓試驗機上對軸對稱光滑和缺口試樣進行拉伸試驗，試驗在充滿氫氣或氮氣的壓力容器中進行，氣體壓力為35 MPa，兩種氣體的純度均為6.0。在氫氣環境下進行所有力學性能試驗之前，試樣在30 MPa氫氣環境下保持30 min。圖4顯示了不同應變速率和氣體環境下光滑試樣的拉伸試驗結果，由圖4可以看出，材料的力學行為不受氫氣的影響，但觀察到總伸長率降低，且應變速率越低，這種效應越明顯。然而，有相關研究表明，X80鋼通過陰極電解引入氫后，屈服強度隨著氫濃度的增加而降低。本研究的試驗情況，考慮到30 MPa壓力的氫氣環境，氫氣的溶解度較低，約為4.5×10

，不足以影響材料的屈服強度；另一方面，在氫氣中進行試驗后，塑性損失是明顯的，拉伸試樣整個標距的表面可以看見裂紋。此外，氫氣壓力從10～30 MPa的變化不會引起塑性的顯著變化。事實上，氫氣壓力從0.1 MPa到約5 MPa，其影響是增加的，然后趨于穩定。

徐藝真急了，急切地說：“姨父，你和姨媽從小把我拉扯大……得了得了，一大早的，用不著這么煽情吧？我上去了?！?/p>

按照相同方法，小直徑管道的載荷系數在0.46～0.54之間，這些值可與ASME B31.12規范推薦的等效材料在20 MPa氣壓下的載荷系數進行比較。在該規范中，載荷系數包括設計系數和材料性能系數，取值范圍為0.21～0.27，具體取決于管道地區等級。

綜上所述，對于X80鋼，假設焊縫與母材在氫氣環境中的性能相似，建議在氫氣壓力＜30 MPa的環境條件下服役時的載荷系數為0.35，這在近期進行的ANR CESTAR項目中得到部分解決。而根據譯者的試驗數據和觀點認為，焊縫的成分、組織和力學性能與母材差異很大，存在缺陷的幾率更高，尺寸更大，尤其是氫環境下的塑性和韌性的下降比母材更大，這種假設偏于危險，應引起設計者和研究者的關注。

3.4 成本估算

通過輸送相同能量的天然氣與氫氣，計算管道的運行成本。在ANR項目準備中，據估計，對于確定的直徑，壓力必須增加2.5個系數，以便氫氣管道輸送與天然氣管道相同的能量。對于直徑為914.4 mm、厚度為12.7 mm的X80天然氣管道，其載荷系數為0.73，可在11.2 MPa的氣體壓力下服役，當氫氣管道輸送相同能量時，相同直徑下的輸送壓力應為28 MPa。根據上一章節所提到的載荷系數，當氫氣壓力為28 MPa時，管道的厚度應為65.9 mm。對于特定的鋼材，成本與其質量成反比，可以按照式（5）估算輸氫管道與輸氣管道的成本。

式中：C

——輸送氫氣的管道成本；

R

——0.5%的總應變時的材料屈服應力；

Φ——管道直徑，mm；

現代社區作為“單位制”的替代存在于國家和個人之間的空間，面臨著政府權力的讓渡、基層群眾和社會組織參與的高漲雙重“擠壓”，社區組織自身也面臨著自身定位重塑以及多元治理伙伴的結構式關系的建立等一系列問題，而這些問題也是基層社區治理格局架構中無法回避的現實。面對這些問題，我們不禁思考：社區自治組織的“行政性”與“自治性”選擇一定是二選一的選擇嗎？社區自治組織與其它社會治理主體相比，在政治和社會領域中凸顯的優勢能否成為其功能定位的現實依據？

t

——氫氣管道的壁厚，mm；

t

——天然氣管道的壁厚，mm。

HOG(梯度方向直方圖)+SVM(支持向量機)的目標識別由法國研究人員Dalal提出,主要思想是使用HOG對目標進行特征提取,利用線性SVM分類器對目標進行分類從而實現目標檢測[7]。本文使用OpenCV2.4.9庫中現成的HOG+SVM行人檢測函數對目標進行檢測,目標檢測方法的步驟為:對輸入圖像進行顏色空間標準化;計算像素梯度,計算得到的梯度結果統計在梯度方向直方圖上;對重疊塊中的對比度進行歸一化,生成特征向量;使用SVM分類器對生成的特征向量進行訓練,其流程圖如圖2所示。

同樣的方法也適用于在0.8 MPa氣體壓力下服役的小直徑（Φ=314.4 mm）管道。此外，氫氣管道成本與天然氣管道成本比值約為5。

另一方面，對比高鋼級（X80）與典型低鋼級（A42）的輸氫管道成本。A42鋼級管道的載荷系數為0.4，屈服強度為596 MPa；而X80鋼級管道的載荷系數為0.35，屈服強度為250 MPa，可以根據外徑與壓力之間的函數關系估算在相同外徑下的相對成本。考慮到X80鋼管比A42鋼管的成本高約1.25倍，兩種鋼級管道的成本比按公式（6）計算，結果見圖13。

對照組和觀察組病患的TG，2 hPBG，TC和葡萄糖耐量等指標都高于正常值，差異有統計學意義（P<0.05）對照組和觀察組病患的TG，2 hPBG，TC和葡萄糖耐量等指標相對比，其數據差異無統計學意義（P＞0.05）。見表1。

根據圖13，對于運行壓力0.1 MPa～1.5 MPa的輸氫管道，X80鋼級管道的建造成本比A42鋼級節約費用約40%，特別對于中長距離的氫氣輸送，成本差異顯著。

4 結論

（1）采用ISO 11114-4標準方法A對X80高鋼級管線鋼在高壓氫氣環境下的力學性能進行表征，結果表明，在氫環境下X80高鋼級管線鋼的屈服強度和拉伸性能不變，而斷裂伸長率和塑性發生變化，相比之下，其韌性大幅下降，疲勞裂紋擴展速率增大。這也表明很難明確定義適用于氣態氫管道或儲存裝置的“通用”脆化指數，需要一個適用于此類承壓結構的標準。

我在大學里教了三十多年書，不敢說教得如何好，當年以大學本科畢業生的身份走上專科講臺，本身就有點先天不足，好在我喜歡學習，算是彌補了一些缺陷。不過，有一點我很自豪：在三十多年的教育生涯中，我從未體罰、侮辱過學生，我對違紀學生的批評未必和風細雨，卻絕對就事論事，不人為擴大范圍，不傷及學生自尊。

（2）根據氫氣壓力環境下的試驗結果，估算了氫氣管道的成本。根據API 579標準，天然氣管道的臨界裂紋深度應當比氫氣管道高2～3倍，因此，建議高鋼級管道的載荷系數為0.35，而低鋼級和中等鋼級管道的載荷系數為0.4。為了在相同時間內輸送相同的能量，輸氫管道成本似乎比輸送天然氣的管道高約5倍；另一方面，使用高鋼級材料可產生超30%的成本收益，特別是在低壓條件下使用大直徑管道時，其成本效益更高。事實上，當壓力從10 MPa降至3 MPa時，高鋼級材料的氫脆敏感性降低。

（3）研究表明，在氫氣環境中，焊縫和母材的力學性能相似，但必須檢測焊縫在氫氣壓力環境中的性能。

譯自：BRIOTTET L，BATISSE R，DINECHIN D G，et al.Recommendations on X80 steel for the design of hydrogen gas transmission pipelines[J].International Journal of Hydrogen Energy，2012，37（11）：9423-9430.