输氢管道采用X80管线钢的设计建议*

0 前言

氢能作为能源载体之一，可有效缓解温室效应，并确保能源供应。经过多项论证性研究，到2050年，全球输氢管线长度预计达到15 000～35 000 km。目前，全球约有3 000 km输氢管线，最大服役压力为10 MPa，主要为化学或石油工业提供氢气，这些输氢管道的管体钢级通常不超过X52。由于氢的能量密度较低，管道能承受15～20 MPa的压力，结合管线建设的经济性，可使用高强度管线钢管，以减少管道壁厚，从而降低成本。

本研究介绍了X80钢在空气介质中的特性，并对氢气环境下X80钢的力学性能进行了试验，包括拉伸试验、圆片试验、断裂韧性试验以及疲劳裂纹扩展试验，试验结果能够为X80输氢管道设计提供参考。

1 X80管材在空气环境中的性能

试验用Φ914.4 mm×13 mm规格X80钢管由欧洲管网提供，其化学成分见表1，显微组织如图1所示，微观组织主要由带状分布的铁素体-珠光体（F-P）组成。

对各因素的K值及极差R值进行比较，由R值得出4个因素对黄精酸奶影响程度的大小为发酵时间＞发酵温度＞黄精浸提液添加量＞蔗糖添加量。正交试验结果表明，黄精酸奶的最优组合为A2B3C2D3，即蔗糖添加量6%，黄精浸提液添加量0.6%，发酵温度42℃，发酵时间7.5 h。根据此组合进行验证试验，在该条件制作出的黄精酸奶，感官评分达到了92分，即在此工艺条件下，制作出的黄精发酵酸奶口感较好，因此黄精发酵酸奶的最佳工艺条件为蔗糖添加量6%，黄精浸提液添加量0.6%，发酵温度42℃，发酵时间7.5 h。

在钢管周向45°、90°、135°和180°位置取样并进行力学性能试验。结果显示，四处位置的拉伸性能、夏比冲击韧性和硬度没有明显的差异，钢管纵向试样的屈服强度和抗拉强度平均值分别为510 MPa和689 MPa，环向试样的屈服强度和抗拉强度平均值分别为596 MPa和707 MPa，夏比冲击值在127～134 J/cm

范围。此外，测定了钢管TL方向上的J曲线，韧性J

=210 kJ/m

。试验结果表明，该X80钢管性能满足天然气输送的要求。

2 X80管材在高压氢气中的力学性能

2.1 圆片试验

COMAND控制单元(图6)位于中央控制台中，是驾驶室娱乐和通信系统的主控单元和网关，通过CAN总线和MOST总线进行数据传输和接收。

2.2 拉伸试验

管道在压力为12 MPa的天然气环境下会产生缺陷，为了保证管道能承受住氢环境中类似这样缺陷而不发生断裂，须计算输氢管道的厚度。大直径管道12 MPa压力下输氢/输气的厚度比以及载荷系数如图12所示，图12表明，对于大直径管道，输氢管道的壁厚必须增加到天然气管道的1.6～1.9倍，壁厚取决于缺陷的长度，载荷系数介于0.38～0.45之间，而天然气管道的载荷系数为0.73，低钢级的输氢管道的载荷系数为0.4。

为了量化材料的氢脆程度，测量拉伸试样在氢气中与空气中相应面积的减少量来定义氢脆系数F，即

在言语表达过程中，人们都会发现自己的言语是表达个性、反映性格的有效途径。在意识到自己的语言具有一套独特的语言特征时，这就是“个人语型”的使用。同样，作为语言次类的每种英语方言也都由大量的“个人语型”组成，没有一种方言是清一色的。

假定管道存在纵向缺陷，可预估管道破裂压力，分别在天然气和氢气环境中估算其破裂压力并进行比较。根据给定的最大压力和相同的缺陷几何形状确定钢管的尺寸，具体可参照两种管道直径：小直径323.9 mm和大直径914.4 mm。

S

——拉伸试验断裂后试样的截面积；

(3)仅轴力作用和纯弯矩作用下，存在剪力滞的过渡段长度大致相同，均为距支点约两倍腹板净距，同时剪力沿跨径在剪力滞影响区域的纵向变化趋势两者刚好相反。

S

——试样的初始截面积。

根据该定义，F=0表示无氢脆，而F=100%表示脆性最大，即完全失去塑性。在30 MPa氢气环境下试验的X80材料脆性系数F接近70%。

圆片试验 （disc test）根据ISO 11114-4《可运输气瓶 气瓶和瓶阀材料与盛装气体的相容性 第4部分：选择抗氢脆钢的试验方法》中方法A进行，用来评价材料对输送气体的适用性。通过比较圆片试样在氦气环境中和在其他气体环境中爆破压力的差异，确定材料的脆化指数。本研究脆化指数在加压速率0.01～100 MPa/min范围内，氦气爆破压力与氢气爆破压力的比率，如果该指数值小于2，则这种材料符合氢气的输送要求。将圆片试样在氦气和氢气环境下加压破裂，试验结果如图2所示，同时试验结果存在显著差异，脆化指数在1.2～2.5之间变化，因此，很难断定这种X80材料对氢气的敏感性。此外，一些圆片试样是开裂而非爆裂，尤其是在较低的加压速率下，如图3所示。

采用含缺口轴对称试样在30 MPa压力的氮气和氢气下进行试验，研究了应力三轴度对脆性的影响。试样缺口半径r有两种尺寸：0.1 mm和0.8 mm（如图5所示），对应于试验开始时1.6和1.4的局部三轴度。氢的影响仍然是降低整体塑性，此外，在高的三轴度条件下，可观察到最大载荷的降低（如图6所示）。不同试样缺口几何形状的氢脆系数F随着应力三轴度的增加而增加，这证实了应力三轴度和氢脆之间的交互作用。

2.3 断裂韧性试样

钢管上的缺陷是影响氢气输送安全裕度的关键问题。采用多试样法CT拉伸试样（W=40 mm、B=10 mm、B

=8 mm）在空气和30 MPa氢气环境中进行了材料韧性测试，预制裂纹参数见表2，拉伸试验结果见表3。试验前，试样（a/W=0.55）在空气中进行裂纹预制，深度约22 mm，然后开侧槽。试验过程中，载荷与裂纹张开位移（COD）关系曲线如图7所示，由图7可知，在等效COD下，试样在氢气中的载荷大幅降低，与图8中显示的在空气和氢气中等效COD裂纹的扩展形貌吻合。根据试验得出的J-R曲线如图9所示，由图9可知，氢对材料韧性的影响显著，特别是当裂纹扩展量为0.2 mm时，材料在空气中的韧性为210～250 kJ/m

，而在30 MPa氢气中的韧性仅为15 kJ/m

，这与文献中PRAXAIR的试验结果相似。本试验发现，化学成分、管体和试样几何形状、气体纯度方面的差异导致氢对材料韧性的影响更加明显。

2.4 疲劳裂纹扩展

经过调查发现，材料在氢气环境中疲劳行为的研究目前还有待加强。考虑到要制定氢气管道设计安全指南的目标，本项目采用紧凑拉伸（CT）试样（W=40 mm，B=10 mm）进行疲劳裂纹扩展试验，试验数据见表4。由表4可知，空气中的加载频率为10 Hz，氢气中的加载频率为0.1 Hz。

将试验结果与文献中PRAXAIR给出的建议进行对比，结果如图10所示。根据图10可知，当在压力为30 MPa的氢气环境中进行循环应力加载时，裂纹增长速率明显增大。为了模拟实际服役环境，通过降低加载频率提高氢对材料疲劳裂纹扩展的影响，由此得到Paris定律见式（3），式中d a/d n以（mm/cycles）表示，ΔK以（MPa·m

）表示。

为了估算缺陷的临界尺寸，试样分别采用Φ914.4 mm×12.7 mm和Φ323.9 mm×4.5 mm两种规格的钢管，试验环境参数见表5。

3 X80管道设计建议

3.1 改进方法

式中：RA——在空气与在氢气条件下试验后试样面积的平均减少量；

以管道内外表面产生的纵向缺陷为例，缺陷长度为2c，相对深度为a/t，a为裂纹深度，t为钢管壁厚，缺陷长度与深度的关系如图11所示。由于外表面缺陷和内表面缺陷都会受到氢的影响，而外表面缺陷通常会被“低估”，事实上，外表面缺陷并未与氢气直接接触，而仅与渗透管道管壁处的氢接触。当外表面的氢浓度边界条件为0时，氢是如何影响该侧缺陷的性能尚不清楚。缺陷的临界尺寸根据API 579标准进行计算。

3.2 缺陷临界尺寸

根据2006年8月4日发布的法国法令，并考虑到大型管道的尺寸，通过式（4）获得最高工作压力，即

式中：α——载荷系数；

C

——输送天然气的管道成本；

t——钢管的壁厚，mm；

Φ——钢管的外径，mm。

看到这里，泥巴先洗澡了，左小龙在窗边看局势，然后左小龙再去洗澡，出来的时候看见泥巴躺在床上，警灯闪耀的光芒隔着窗帘映在天花板和墙壁上。很快，救护车的顶灯也来帮助柔和警车灯光的锐利，房间里一片光辉。左小龙去拉紧了窗帘，发现远处已经起雾了，楼下的人渐渐被降下的水汽包围。

二是推动中部工业集中区“二次创业”。该区域纵贯东西、连接上下河，包括毗邻的省级经济开发区、姜堰高新区、装备园区三个园区，贡献了全区60%的工业开票销售。我们以“二次创业”为动力，大力推进产业转型升级，着力集聚高端创新要素，积极引入优质工业增量，做优做强实体经济，持续推动质量变革、效率变革、动力变革，力争到2020年该区域工业开票销售超700亿元，占全区比重80%以上。

为了比较天然气与氢气管道的设计建议，这两种气体选择了相同的安全系数（等于1）。缺陷临界深度与长度的关系如图11所示，由图11可知，对于大管道，在天然气中的相对深度比在H

中的相对深度高2.3～3.3倍，对应小管道则高1.7～2.2倍，相对深度具体取决于缺陷长度。

3.3 管道设计

在MTS伺服液压试验机上对轴对称光滑和缺口试样进行拉伸试验，试验在充满氢气或氮气的压力容器中进行，气体压力为35 MPa，两种气体的纯度均为6.0。在氢气环境下进行所有力学性能试验之前，试样在30 MPa氢气环境下保持30 min。图4显示了不同应变速率和气体环境下光滑试样的拉伸试验结果，由图4可以看出，材料的力学行为不受氢气的影响，但观察到总伸长率降低，且应变速率越低，这种效应越明显。然而，有相关研究表明，X80钢通过阴极电解引入氢后，屈服强度随着氢浓度的增加而降低。本研究的试验情况，考虑到30 MPa压力的氢气环境，氢气的溶解度较低，约为4.5×10

，不足以影响材料的屈服强度；另一方面，在氢气中进行试验后，塑性损失是明显的，拉伸试样整个标距的表面可以看见裂纹。此外，氢气压力从10～30 MPa的变化不会引起塑性的显著变化。事实上，氢气压力从0.1 MPa到约5 MPa，其影响是增加的，然后趋于稳定。

徐艺真急了，急切地说：“姨父，你和姨妈从小把我拉扯大……得了得了，一大早的，用不着这么煽情吧？我上去了。”

按照相同方法，小直径管道的载荷系数在0.46～0.54之间，这些值可与ASME B31.12规范推荐的等效材料在20 MPa气压下的载荷系数进行比较。在该规范中，载荷系数包括设计系数和材料性能系数，取值范围为0.21～0.27，具体取决于管道地区等级。

综上所述，对于X80钢，假设焊缝与母材在氢气环境中的性能相似，建议在氢气压力＜30 MPa的环境条件下服役时的载荷系数为0.35，这在近期进行的ANR CESTAR项目中得到部分解决。而根据译者的试验数据和观点认为，焊缝的成分、组织和力学性能与母材差异很大，存在缺陷的几率更高，尺寸更大，尤其是氢环境下的塑性和韧性的下降比母材更大，这种假设偏于危险，应引起设计者和研究者的关注。

3.4 成本估算

通过输送相同能量的天然气与氢气，计算管道的运行成本。在ANR项目准备中，据估计，对于确定的直径，压力必须增加2.5个系数，以便氢气管道输送与天然气管道相同的能量。对于直径为914.4 mm、厚度为12.7 mm的X80天然气管道，其载荷系数为0.73，可在11.2 MPa的气体压力下服役，当氢气管道输送相同能量时，相同直径下的输送压力应为28 MPa。根据上一章节所提到的载荷系数，当氢气压力为28 MPa时，管道的厚度应为65.9 mm。对于特定的钢材，成本与其质量成反比，可以按照式（5）估算输氢管道与输气管道的成本。

式中：C

——输送氢气的管道成本；

R

——0.5%的总应变时的材料屈服应力；

Φ——管道直径，mm；

现代社区作为“单位制”的替代存在于国家和个人之间的空间，面临着政府权力的让渡、基层群众和社会组织参与的高涨双重“挤压”，社区组织自身也面临着自身定位重塑以及多元治理伙伴的结构式关系的建立等一系列问题，而这些问题也是基层社区治理格局架构中无法回避的现实。面对这些问题，我们不禁思考：社区自治组织的“行政性”与“自治性”选择一定是二选一的选择吗？社区自治组织与其它社会治理主体相比，在政治和社会领域中凸显的优势能否成为其功能定位的现实依据？

t

——氢气管道的壁厚，mm；

t

——天然气管道的壁厚，mm。

HOG(梯度方向直方图)+SVM(支持向量机)的目标识别由法国研究人员Dalal提出,主要思想是使用HOG对目标进行特征提取,利用线性SVM分类器对目标进行分类从而实现目标检测[7]。本文使用OpenCV2.4.9库中现成的HOG+SVM行人检测函数对目标进行检测,目标检测方法的步骤为:对输入图像进行颜色空间标准化;计算像素梯度,计算得到的梯度结果统计在梯度方向直方图上;对重叠块中的对比度进行归一化,生成特征向量;使用SVM分类器对生成的特征向量进行训练,其流程图如图2所示。

同样的方法也适用于在0.8 MPa气体压力下服役的小直径（Φ=314.4 mm）管道。此外，氢气管道成本与天然气管道成本比值约为5。

另一方面，对比高钢级（X80）与典型低钢级（A42）的输氢管道成本。A42钢级管道的载荷系数为0.4，屈服强度为596 MPa；而X80钢级管道的载荷系数为0.35，屈服强度为250 MPa，可以根据外径与压力之间的函数关系估算在相同外径下的相对成本。考虑到X80钢管比A42钢管的成本高约1.25倍，两种钢级管道的成本比按公式（6）计算，结果见图13。

对照组和观察组病患的TG，2 hPBG，TC和葡萄糖耐量等指标都高于正常值，差异有统计学意义（P<0.05）对照组和观察组病患的TG，2 hPBG，TC和葡萄糖耐量等指标相对比，其数据差异无统计学意义（P＞0.05）。见表1。

根据图13，对于运行压力0.1 MPa～1.5 MPa的输氢管道，X80钢级管道的建造成本比A42钢级节约费用约40%，特别对于中长距离的氢气输送，成本差异显著。

4 结论

（1）采用ISO 11114-4标准方法A对X80高钢级管线钢在高压氢气环境下的力学性能进行表征，结果表明，在氢环境下X80高钢级管线钢的屈服强度和拉伸性能不变，而断裂伸长率和塑性发生变化，相比之下，其韧性大幅下降，疲劳裂纹扩展速率增大。这也表明很难明确定义适用于气态氢管道或储存装置的“通用”脆化指数，需要一个适用于此类承压结构的标准。

我在大学里教了三十多年书，不敢说教得如何好，当年以大学本科毕业生的身份走上专科讲台，本身就有点先天不足，好在我喜欢学习，算是弥补了一些缺陷。不过，有一点我很自豪：在三十多年的教育生涯中，我从未体罚、侮辱过学生，我对违纪学生的批评未必和风细雨，却绝对就事论事，不人为扩大范围，不伤及学生自尊。

（2）根据氢气压力环境下的试验结果，估算了氢气管道的成本。根据API 579标准，天然气管道的临界裂纹深度应当比氢气管道高2～3倍，因此，建议高钢级管道的载荷系数为0.35，而低钢级和中等钢级管道的载荷系数为0.4。为了在相同时间内输送相同的能量，输氢管道成本似乎比输送天然气的管道高约5倍；另一方面，使用高钢级材料可产生超30%的成本收益，特别是在低压条件下使用大直径管道时，其成本效益更高。事实上，当压力从10 MPa降至3 MPa时，高钢级材料的氢脆敏感性降低。

（3）研究表明，在氢气环境中，焊缝和母材的力学性能相似，但必须检测焊缝在氢气压力环境中的性能。

译自：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.