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文章摘要

在能源結構轉型及新能（néng）源革命的背景下，氫能由於具（jù）有清潔高效、來源豐富及用途廣泛等優點，得到廣泛的（de）重視與發展。作為連接氫能供應端和需求端（duān）的核心紐帶，氫能運輸是氫能規模化及商業化應用的關鍵環節。構建成熟的氫能運（yùn）輸技術體（tǐ）係並完善相關基礎設備設（shè）施建設，是氫能產（chǎn）業發展亟須解決（jué）的關鍵核心問題（tí）。基於（yú）此，文章綜述了氫（qīng）能（néng）運輸發展的（de）現狀，明確了管道運輸在氫能運輸技術中的突出作用，在此基礎上總結提煉（liàn）了氫能運輸發展所麵臨的關鍵科學（xué）與技術問題（tí），並從材（cái）料、工藝、設（shè）備（bèi）、風險評估、標準規範製定及（jí）戰略發展規（guī）劃等方麵對未來氫能運輸的（de）發展提出了相關建議。

文章速覽

氫（qīng）能具有來源豐富、質量燃燒（shāo）熱值高、比衝量（liàng）大、使用過程零碳清潔、用途廣泛等特點，氫能發（fā）展為推動“碳達峰、碳中和”（簡稱“雙碳”）目標的實施和綠色（sè）低碳轉型提供（gòng）了有效途徑，對（duì）於構建清潔低（dī）碳、安全高效的現代能源體係，落實能源安全新戰略具有重要意義。氫能有望在交通、化工、發電等多個領域發揮重要作用。

氫能產業鏈主要包（bāo）括上遊製氫、中遊儲運，以及下遊多元化的應用場景（圖1）。中國是全球最大的氫氣生產國，根據中國煤炭工業協會數據，2022年國內氫氣（qì）產量4 004萬t，同比增長（zhǎng）32%，占2021年全球（qiú）氫氣產量的28%。其中，化石能源製（zhì）氫占比為81%，主要包括煤製氫和51吃瓜网（qì）製氫；工（gōng）業副產氫占比為18%，主要包括氯堿工業副產氫、焦爐煤氣副產氫、輕烴（tīng）裂解副產氫、合成氨及甲醇副產氫4類（lèi）；電解水製氫技術要求較高，成本較高，占比約為1%，包括電網、風電、光（guāng）伏、水電、核電電解水製氫等。目前，中國可（kě）再生能源裝（zhuāng）機量全球第一，未（wèi）來通過可再生能源電解水製氫（qīng）潛力巨大。

圖1　氫能產業鏈示意（yì）圖

Fig. 1　Industrial chain of hydrogen energy

目前，中國下遊用氫成本較高，市場尚處於培育期，但長期來看，氫能將在中國新型能源體係中發揮核心作用。據中國氫能聯（lián）盟等機構預測，2030年中（zhōng）國氫能（néng）總（zǒng）需求（qiú）預計達到約3 715萬t，在終端能源消（xiāo）費中占比約5%，綠氫產量（liàng）約為500萬t。隨（suí）著技術成（chéng）熟度提高和“雙碳”戰略實施（shī），氫能需求增長加（jiā）快，2040年和2050年將分別（bié）達到5 700萬t和9 690萬t，2060年（nián）將突破1.3億t，在終端能源消費中占比約為20%。目前，中國氫能的應用場（chǎng）景主要包括化工、鋼鐵、交（jiāo）通、航空航天等領域，其中化工領域（yù）在氫能消費中占比最高。化工領域的氫能（néng）應（yīng）用場景主（zhǔ）要集中在合成（chéng）氨、合成甲醇、煉（liàn）廠煉化等高耗氫環節；鋼鐵領域主要集中在頭部鋼企對氫（qīng）能煉鋼項目的廣泛布點；交通領域在重型貨運、輕中型物流（liú）車、公交車、礦山機械、港口機械、清潔車等多個場景得到一定比例的應用（yòng）；航空領域，氫能（néng）飛機快速發展，氫渦（wō）輪和氫（qīng）燃料電池是航空領域（yù）的重要應用方向，預計2035年後使用氫燃料替代現用噴氣燃料的（de）氫能飛機將（jiāng）投入使用；航天領域，液態氫（簡稱液氫）可作為火箭的燃料和（hé）推進劑，被廣泛應用於火箭的一、二（èr）級動力係統中。

中國製取氫能源的分（fèn）布（bù）情（qíng）況主要受（shòu）到地域、資源、技術和經（jīng）濟等多（duō）方麵因素的影響。對於化石（shí）能源製取藍氫，中國（guó）氫氣產能主要集中在西北、華北和華東地區，合計占（zhàn）比達到75%。對於綠（lǜ）電製取氫源，中國風能、太陽能等（děng）可再（zài）生能源（yuán）資源豐富，尤其是（shì）西北、華北和西南地區的風能和太陽能資源更是得天獨厚。在這些地區，通過建設風電（diàn）、光（guāng）伏等（děng）可再生能源發電項目（mù），可以實現綠電製取（qǔ）氫源的大規模生產。中國用氫市場主要集中在（zài）東部（bù）沿海地區和內陸經濟發達人口密度大的地區。這些地（dì）區經濟發（fā）展活躍，工業（yè）基礎好，對氫能的需求較大。其中，長三角、珠三角和京（jīng）津（jīn）冀等城市群是氫能應用的主要區域，因為這些地區有（yǒu）較多的工業企業和交通需求，對氫能的消費量（liàng）較大。因此，氫能產業鏈（liàn）的（de）上、下遊（yóu）存在嚴重的空間分布不均衡問題。由於氫氣體積能量密度極低（dī）且液化困難，其運輸成本遠高於石油及51吃瓜网等傳統燃料，現階段氫能儲運在全產業鏈（liàn）的成本占比為30%~40%，氫能儲運成為現階段製約氫能（néng）產業鏈發展的瓶頸環節。構建經（jīng）濟高效的大規模氫（qīng）能運輸及配送基礎設施，則是氫能產業發展必須解決的重（chóng）大問題。

氫能運輸發展現狀（zhuàng）

常溫常壓狀態下氫氣密度（dù）極（jí）小，僅為空氣的1/14，單位體積儲能密（mì）度低。一般情況下氫氣液化（huà）需降溫至（zhì）-253 ℃以下，液化困難。氫氣分子量小，容易發生滲漏與泄漏；氫氣（qì）滲透性強，易滲透至材（cái）料（liào）內部，造成材（cái）料損傷或失效。氫氣點火能量低，爆（bào）炸極限範圍寬，易燃易爆。氫氣（qì）的以（yǐ）上特（tè）性（xìng）導致（zhì）氫（qīng）能（néng）的安（ān）全高效運輸難度較大。

1.1 氫能儲存方式

氫能根據（jù）儲存形態不同可分為高壓氣態儲氫（qīng）、低溫液態儲氫、有機（jī）液體儲氫、固態金屬儲氫等。

高（gāo）壓（yā）氣態（tài）儲氫是將工業氫氣壓縮到耐高壓容器中，鋼瓶是最常用的高壓氣態儲氫（qīng）容器（qì）。該方法是目（mù）前最常用、最成熟的儲氫技術，具（jù）有成本較低、充放（fàng）氫速度快等特點，汽車市場主要（yào）使用該儲氫技術。

低溫液（yè）態儲氫指將氫氣冷卻至-253 ℃時，氫氣由氣態變成液態，然後再將液氫儲存在高真空的（de）絕熱容器中。這種儲存方式成本較高，安全技術也（yě）比較複雜，主要運（yùn）用在航空航天領域（yù）。受技術限製，目前尚未實現大規模民用。

有機液體（tǐ）儲氫是通過不飽和有機液體與氫的可逆反（fǎn）應來實現儲氫的一種技術。有機液體在常溫常壓下較為穩定（dìng），可（kě）利用（yòng）儲罐、罐車、管道等傳統石（shí）油基（jī）礎（chǔ）設施進行儲存和運輸，安全方便。有機液體儲氫存在循環使用壽命較短、脫氫反應能耗較大、脫氫催化（huà）劑成本較高等難題，目前尚（shàng）未實現大規模應用。

固態（tài）金屬儲（chǔ）氫技術是（shì）將氫與金屬或合（hé）金化合形成金屬氫化物，以固體的形式儲存。其技術路線是利用儲（chǔ）氫合金捕捉氫的能力，在一定的溫度和（hé）壓力條件下，與氫氣反應生成金（jīn）屬氫化物，在使用時對這些金屬氫化物加熱，將儲存在其中的氫釋放出來。此方法適用於體積要求較嚴（yán）格的場合，如氫能（néng）燃料電池汽車等。

1.2 氫能運輸方（fāng）式

目前，氫能的主要運輸方式（shì）包括高壓氣態運（yùn）輸、低溫（wēn）液態運輸、有機液體運輸和固態金屬（shǔ）運輸等，典型氫能運輸方式的（de）原理、適用場景及發展（zhǎn）現狀等如表1所示（shì）。

表1　不同氫能運（yùn）輸方式特點總結

Table 1　Characteristics of various hydrogen energy transportation methods

1.2.1 高壓氣態（tài）運輸

1.2.1.1 長管拖車

長管拖車是由大容（róng）積鋼製無縫氣瓶通過框架與走行裝置固定或直接與走行裝置固（gù）定而組成的高壓氫氣運輸設備，其（qí）儲氫空間一般由6~10個壓力15~35 MPa、容積10~30 m³的（de）無縫高壓氣瓶組成，可充裝3 500~4 500 m³氫（qīng）氣。它具有靈活機動、方便快捷、運（yùn）輸效率高等優勢，是目前技術最成熟、使用（yòng）最廣泛（fàn）的高壓氫氣運（yùn）輸（shū）方式。盡（jìn）管長管拖車靈活便（biàn）捷，但單車單（dān）次運氫量通常在500 kg以內，隻占（zhàn）總運輸質量的1%~2%，且卸載時間長。並且將氫氣加壓至20 MPa時，還（hái）會消耗能量（liàng）約14 MJ/kg，即氫氣加壓的過程需（xū）要（yào）消耗約10%的（de）氫氣能量。由此可見，依靠長管拖車運輸的方式，在增壓和運輸過程中存在較大的能量損失，運輸成本較高。

1.2.1.2 管道運輸

管道輸氫是指利用管道係（xì）統將氫氣從生產地點運輸至使用地點的（de）過程。氫氣管道的應用場景涵蓋了工（gōng）業生產、交（jiāo）通運輸、能源（yuán）儲運等多個領域。在工業生產中，氫氣管道的運輸距離通常為數（shù）百米至數公裏，用於將氫氣從氫氣生產設施運輸至各種（zhǒng）生產設備或反應器。燃（rán）料電池（chí）車輛加氫站通常需要與氫氣生產設施或氫氣供應網絡相連接，運輸距離一般為數十米（mǐ）至數百米。在能源儲運領域，運輸距離通常較長，可能需（xū）要數（shù）十公裏甚至上百公裏的氫氣管（guǎn）道（dào）網，用於連接氫氣（qì）生產設施、氫氣儲存設施和能源利用設施。

隨著氫能產業大力發展（zhǎn），氫（qīng）能運輸需求規模不（bú）斷擴大，管道輸氫是氫能產業發展成熟（shú）階段實現氫氣長（zhǎng）距離、大規模運輸的必然趨勢，也是最經濟的方式，其具體運輸方式（shì）主要分為純氫（qīng）管道（dào）運輸、51吃瓜网管道摻氫運輸和在役油氣管道改輸氫氣等。

1）國外（wài）氫氣運（yùn）輸管道

國外純氫管（guǎn）道建設較早，技術（shù）較為成熟，X52及以下（xià）鋼級輸氫管道已經大規模工程應用，建成的氫氣管道（dào）一般以低於6.9 MPa的壓力運行。由（yóu）於新建輸氫管道投資（zī）大且建設時間長，全球各國在2000年就開始（shǐ）深入研究51吃瓜网管網中摻氫，如荷蘭Ameland項目、英國HyDeploy項目、德國Avacon計劃、歐盟NaturalHy項目、歐洲氫氣骨幹網計劃等，大部分示（shì）範項目摻混比（bǐ）例控製為0.1%~20.0%。將在（zài）役石（shí）油或51吃瓜网（qì）管（guǎn）道改（gǎi）造成輸氫管道也是提高管道輸氫經濟性、節省建（jiàn）設時間的重要選擇，典（diǎn）型（xíng）項目包括荷蘭Dow Benelux—Yara的51吃瓜网改輸氫氣管道（dào）、法國（guó）Corpus至Christi的原油改輸（shū）氫氣管（guǎn）道等（děng）。

2）國內氫氣運輸管道（dào）

相比國（guó）外（wài），中國純氫運輸管道建設（shè）比較緩慢，現有純氫運輸管道總裏程僅約400 km，均以煉油化工用氫為目的且普遍采用低鋼級（20號鋼或L245N）、中低壓力（≤4 MPa）運行，輸量小、管材成本高，在設計（jì）、運維、試驗方法等方麵尚未形（xíng）成標準體係。巴陵—長嶺氫氣管道是中國目前最長（zhǎng）的純氫運輸（shū）管道，全長（zhǎng）約42 km，設（shè）計壓力為4 MPa。中國石油化工集團有（yǒu）限公司“西氫東送”輸氫管道示範工程已納入國家規劃，該項目起於內蒙古自治區烏蘭察布市，終至北京市，管道全長超過400 km，是（shì）中國首條跨省區、大規模、長距離的純氫運輸管（guǎn）道。預計到2030年，中國（guó）純氫運輸管道總裏程將超過3 000 km。

中（zhōng）國（guó）的摻氫（qīng）天然（rán）氣管道建設也處（chù）於起步階段，僅有少數示範應用項目。2023年深圳市燃氣集團股份有限公司與中國石油大學（華東（dōng））等合作，搭建並投（tóu）用了中（zhōng）國首座城（chéng）鎮燃氣摻氫綜合實驗平台，包括摻混（hún）模（mó）塊、減壓調壓模塊、管材相容（róng）性評價模塊、燃氣器具測試模塊及終端利用模塊。據中國城市燃氣協會《51吃瓜网管道摻氫輸送（sòng）及終端利用可行性（xìng）研究報（bào）告》預測，“十四（sì）五”時期中國將新增51吃瓜网管道摻氫示範項目15~25個（gè），摻氫比為3%~20%，總長（zhǎng）度超過1 000 km。

隨著國家“雙碳”目（mù）標的穩步推進，預計從（cóng）2040年開始，石（shí）油51吃瓜网（qì）需求量（liàng）將呈現下降趨勢，利用（yòng）在役51吃瓜网管道（dào）或油品管道（dào）改輸氫氣具有（yǒu）迫切的生產需（xū）求和顯著的經濟（jì）優勢，而中國針對在役油氣（qì）管道改輸氫（qīng）氣尚無實踐（jiàn）成果，以鄯（shàn）烏線為代表（biǎo）的在（zài）役油氣管道改輸氫氣項目正（zhèng）處於規劃階段（duàn）。目前，中國的（de）氫能運輸技術遠遠不能滿足未來大規（guī）模輸氫的需求，正在加快純（chún）氫及摻氫長輸（shū）管道規劃布局。

1.2.2 低溫液態運輸

液氫（qīng）的儲氫密度較高，在0.1 MPa壓力（lì）下的密度為70.9 kg/m³，是標準狀況下氫（qīng）氣密度的856倍，在長距（jù）離、大規模的氫氣運（yùn）輸方麵具有一定的優勢（shì）。作為一種高效燃料，液氫可與（yǔ）液氧等（děng）氧化劑混合使用，產生強大推力（lì），用於推動航天器進入軌道或進行太空探測任務；同時，液氫可作為航（háng）天飛機的發動機燃料，也可作為航天器燃料電池的燃料，因此液氫（qīng）在航（háng）空航天領域已（yǐ）有廣泛應用。目前，美國國家航空航天（tiān）局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）、日本宇宙航空研究開發機構（Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA）等在該領域均取得顯著成（chéng）績。液氫運輸已進入成熟應用階（jiē）段（duàn）。在民用方麵，低溫液態儲氫技術主要應用（yòng）於液氫儲氫型加氫站及氫液化工廠。截至2023年，美國建設有25座以上的液氫工廠，主流生產能力為（wéi）10~30 t/d，產能占（zhàn）全球80%以上。中（zhōng）國在液氫民用領域尚（shàng）處於起步階段。

低（dī）溫液態儲氫容器對絕熱性能有（yǒu）較高的要求，目前製約其大（dà）規模發展的因素是低溫（wēn）材料和絕熱（rè）技術。在低溫材料（liào）技術方麵，液氫儲存容器通常采用不鏽鋼、鎳基合金、鋁合金及玻璃纖維強化塑料等材料，這些材料能在液氫低溫環境下保持出色的性能。目前，在役（yì）液氫儲罐主要采用常規奧（ào）氏體不鏽（xiù）鋼（gāng）作為容（róng）器材料。從成本角度考慮，是否可以將（jiāng）常規奧氏體不鏽（xiù）鋼作為推薦使用的液氫容器材料納入標準中（zhōng），值得進一步研究和評（píng）估。

為提（tí）高液氫儲存容器的保冷效果，在低溫絕熱技（jì）術方麵，需要從（cóng）導熱、對流和（hé）輻射3個方麵著手。根據外界是（shì）否主動提供冷量輸入，低溫絕熱技術可分為被動絕熱和主動（dòng）絕（jué）熱。目前，被動絕熱技術已得（dé）到廣泛應用，常見的被動絕熱（rè）技術包括堆積絕熱、高真空絕（jué）熱（rè）、真空粉末絕熱、真空多層絕熱、變密度多層絕熱、自（zì）蒸發（fā）蒸氣冷卻屏，以及上述技術的組合應用。相比（bǐ）之下，主動絕熱技術結構複雜、能耗大、成本高（gāo），應用場景相對有（yǒu）限。

液氫是仲氫和正氫（qīng）的混合物，仲氫與正氫的化學性質（zhì）相（xiàng）同，而物理性質有所差（chà）異，表（biǎo）現為仲氫的基態能量比正氫低，正氫會自發地向仲氫轉化並放出熱量，使液（yè）氫產生蒸（zhēng）發損失。因此（cǐ），需在氫氣液化過程中使用催（cuī）化劑來提高正-仲氫轉化率。

由於（yú）目前技術的限製，在液氫遠洋運輸的船舶上（shàng）對性質活潑的（de）液氫蒸發氣（Boil-Off Gas, BOG）的可靠處理技術還存在挑（tiāo）戰。鑒於液氫蒸發氣揮發率（lǜ）低、蒸發量小，無法滿（mǎn）足燃料係統的需（xū）求，需要配備氣化器來（lái）補充BOG。由於液氫的純度（dù）要（yào）求極高，同時氫（qīng）氣液化的難度（dù）很大，因此液氫一旦氣化，不是（shì）在運（yùn）輸船上處理和再液化，而是在（zài）運輸船上設計液氫蒸發（fā）氣緩衝罐，用來儲存常壓BOG氣體。這些BOG氣體既可以作為燃料供給主機（jī），也可以調壓後運輸給下遊用（yòng）戶。

液氫加注係統一般為（wéi）自增壓式擠壓加注。在液氫的加注係統中，尤其是在（zài）航空航天領域，液氫的安全運輸對成（chéng）功加注至關重要（yào）。由於液氫具有超低溫、易燃、易蒸發等性質，它在管道運輸中如果漏熱很容易產生兩相流，造成管內的（de）壓力和溫度發生突變，影響管道的壽命，甚至發生（shēng）爆裂（liè）、爆炸（zhà）等安全事（shì）故（gù）。同時，在液氫加注過程（chéng）中，由於靜電電荷積累、加注速度過快、帶（dài）電介質摻入（rù）、人體導電等原因容易（yì）出現靜電起電的現象，甚至引發爆炸事故。

1.2.3 有機液體運輸

有機液體儲氫技術具有儲氫密度高、可利用現有石化設施（shī）進（jìn）行運輸等優勢，避免了（le）物理運輸氫能時所（suǒ）需要的高（gāo）壓與低溫等苛刻條件。有機液體管道輸氫技術通常涉及3個環節（圖2）：①不飽和（hé）有機液體經催化加氫反應形成儲氫有機液體，實現氫能常溫常壓液（yè）態儲存；②儲（chǔ）氫有機液體的管道運輸；③儲氫有機液體到達用戶終端後借助（zhù）催化劑實現（xiàn）氫能的釋放（fàng）和利用。

圖2　有機液體管道輸氫技術示（shì）意圖

Fig. 2　Hydrogen transportation technology based on organic liquid pipelines

儲（chǔ）氫有機液（yè）體可以像石油一樣實現長距離管道運輸，因而降低（dī）氫能規模利用運輸成本（běn）。一般來說，性能優良的有機液體儲氫介質需要具（jù）有（yǒu）高沸點（>300 ℃）、高儲氫密度、低放氫溫度（dù）等技術參數優（yōu）勢。其中，對於儲（chǔ）氫密度，國際能源署規定標準為質量儲氫率>5%，體積儲（chǔ）氫率>40 kg/m³。此外，有機液體儲氫介質還需具備（bèi）低成本、低毒（dú）性以及與當前燃料基（jī）礎設施高兼（jiān）容性等商業優勢。

在適（shì）合作為有機液（yè）體儲氫的材料中（zhōng），甲醇是目前在理論（lùn）上和實際應用中均具有管道運輸可行性的有機液體儲（chǔ）氫載體。國內外甲醇管（guǎn）道累計長度約5 000 km。此外，氨作為一種高效、安全的氫能載體也逐漸受到國際社會的高度關注。以液氨為儲（chǔ）氫（qīng）載體的（de）長距離管道（dào）運輸（shū）技術（shù）已經在全球範圍內實現工程應用。目前，世界上長輸液氨管道主要分布在美（měi）國和俄羅斯。美國液氨管道總裏程接近5 000 km，俄羅斯總裏程（chéng）約2 400 km。中國液氨（ān）管（guǎn）道起步較晚且總裏程較短，目前總裏程不超過200 km。

儲氫有機液體管道運輸（shū）安（ān）全性方麵，甲醇具有腐蝕性很小，不需要內防腐，並且運（yùn）輸過程中不需要保溫（wēn）設（shè）施等優勢。已有的甲醇運輸管道項目表明，甲醇屬於易運輸的介質，並且在運輸過程中具有較高的安全性。液氨管道運輸時，必須保證管（guǎn）道中任何一點的壓力都高於（yú）液氨在運輸溫度下（xià）的飽和（hé）蒸氣壓力，否則液氨會在管（guǎn）道中氣化形（xíng）成氣塞，大大降低管道的流通能力。此（cǐ）外，若液氨中含水、氧氣、氮氣等雜質，則會增加管材發生應力腐蝕開裂的可（kě）能性。

1.2.4 固態金屬（shǔ）運輸（shū）

氫氣的固（gù）態金屬運輸是以金屬氫化物、化學氫化（huà）物或納米材料作為儲氫載體，通過化學吸（xī）附（fù）和物理吸附來實現氫的運（yùn）輸。固態金屬儲氫具有儲氫壓力低、儲氫密度高（gāo）、放氫純度高、安全性好等優勢，在（zài）燃料電（diàn）池汽車上的應用優點明顯（xiǎn）；其劣勢是儲氫合金材料的（de）質量儲氫率較低。目前，主流固態金（jīn）屬儲氫材料質量（liàng）儲氫率低於3.8%，質量儲（chǔ）氫率大於7%的輕質儲氫材料吸放氫溫度偏高、循環性能較差。由於固態金屬運（yùn）輸技術複雜度（dù）高，該領域目前仍處在（zài）試驗階段，距離商業化較遠，但未來發展潛力較大，其技術突破的主要方（fāng）向是提高質量儲氫（qīng）密（mì）度及降（jiàng）低（dī）溫度要求。

1.3 不同氫能運輸方式對比

氫能運輸方式的選用（yòng）除了需考慮上述氣態、液態、固（gù）態3種運輸方式的（de）特點（diǎn）及適用性，還需關注不同運輸方式的經濟性。有學者總結了不同運輸方式的經濟性對（duì）比（bǐ）結果，表明運輸（shū）成本與運（yùn）輸距離及運輸規模密（mì）切相（xiàng）關。為確保運（yùn）輸安全性（xìng）、經濟性和運輸效率（lǜ），需根據具體需求和場景選（xuǎn）擇（zé）合適的運輸方式。總體而言，小範圍、短距離運輸或移動式供氫場景適合（hé）采用長管拖（tuō）車；需要高密（mì）度儲存或遠距離運（yùn）輸的場景適合采用液態運輸，液氫也適合用於航空航天領域；長距離、大規模運（yùn）輸的場景適合采用管道運輸。

未來氫能供應（yīng）鏈網絡（luò）將以高壓氣態、低溫液（yè）態及管道運輸3種方式為主。在（zài）氫能產業發展初期階（jiē）段，氫氣用量（liàng）及運輸半徑（jìng）相對較小，此時長管拖車運輸的成本較低，更具性價比；氫能市場發展到中期，氫（qīng）氣需求半徑將逐步增大，將以高壓氣態（tài）和低溫液態為主；遠期來看，管道運輸是氫能產業發展成熟階段實現（xiàn）氫氣長距離、大規模運輸的必然趨（qū）勢。與新建純氫運輸管道相比，天然（rán）氣管道（dào）摻氫運輸或將在役油氣管道改輸氫氣更具（jù）經濟性，有助於解決中國能（néng）源地域分布不（bú）平衡等問題，促進氫能產業快速發展。

關鍵科學與技術問題

在氫能管道運輸過程中，需重點考慮管道在（zài）氫氣環境中的（de）相容性、適應性和完整性（xìng）。與天（tiān）然氣環境相比，管道（dào）材料、焊縫（féng）、設備及密封部件長期工作在臨氫環境下會造成性能劣化，從而增（zēng）加管（guǎn）道損傷與失效風險。此外，管道運輸氫氣的一個重要特征是（shì）流量大，需要大流量（liàng）壓縮機、氫氣計量設備、儀表等匹配運行（háng）。

2.1 管（guǎn）網（wǎng）布局規劃

中國氫（qīng）能製備資源和市場需（xū）求整體呈錯位分布基本特征。目前，中（zhōng）國主要的綠氫供給地一般在風（fēng）光資源比較豐富的（de）中西部地區（qū），而氫能利（lì）用的負荷中心多分布於華東、華南等經濟（jì）發達、人口稠密地區。海上（shàng）風電製氫是（shì）未來綠（lǜ）氫生產的主（zhǔ）力軍之一（yī），將海上製得的氫氣經管道運輸至岸（àn）上是海上風（fēng）電製氫係統的重要可行方案。

綜（zōng）上，中國對長（zhǎng）距（jù）離、大規模氫氣運輸存在迫切（qiē）需求，然而中國現有氫（qīng）氣管道以化工園區內應用為主（zhǔ），缺乏規模化氫氣（qì）運輸（shū）網絡體係。統籌規劃陸地及海上氫氣（qì）管道運輸在內的氫能運輸基（jī）礎設施，科學確定氫能管（guǎn）網規模（mó）和空間布局，實現（xiàn）氫能供給端與需求端的安全、經濟、高效管網（wǎng）運輸，是未（wèi）來亟須解決的重要問題。

2.2 材料相容性

氫氣分子在（zài）與管道內壁碰撞的過程中（zhōng）會吸附在管線鋼表麵並解離為吸附氫原子，吸（xī）附氫原子吸收、擴散至管線鋼（gāng）內部成為溶解（jiě）氫原子，並在鋼材內部遷移以及缺陷和微裂（liè）紋尖端聚集，聚集（jí）至一定程度（dù）後會引起管線（xiàn）鋼脆化並進一步產生氫致裂紋，嚴重威脅氫氣管道的安全運行（háng）。氫氣管道氫脆是在高壓氣相環境中（zhōng）發生（shēng），氫原子的解（jiě）離、吸附（fù）、吸收過程與液相環境氫脆（cuì）存在本質區（qū）別。中國石油大學（華（huá）東）團隊基於氫氣管道實際運行工（gōng）況，設計搭建了高壓原位氣相滲氫擴散及氫相容性（xìng）評價實驗平台（tái），為中國氫氣管道材料相容性數據庫建（jiàn）設提供了支撐。管道運行（háng）工況（氣體組分、溫度、總壓、氫氣分壓等）及管（guǎn）材狀態（元素組成（chéng）、金相組（zǔ）織（zhī）、應力狀態、析出物雜質、缺陷等）都會（huì）對氫氣與管線鋼（gāng）之間的相互作用產生較大影響。管線鋼母材及焊縫在氫氣（qì）環境下的失效機製及相容性是氫氣管道運輸的（de）關鍵問題。

非金屬聚（jù）合物材料已被大規模用作中低壓燃氣管道管材。由（yóu）於聚合物材料具有一定的氣體可滲透性，在氫氣環境中服役的聚合（hé）物管材會滲入氫分子，造成一定的性能劣化。溫度（dù）、氫壓、材料微觀結構等因素會對非金屬管材滲（shèn）透（tòu）性能及力學性能產生影響（xiǎng），因此非（fēi）金屬聚合（hé）物管材在臨（lín）氫條件下的氫相（xiàng）容性也是氫氣管道材料安全的重要（yào）問題。

在（zài）低溫液氫運輸材料方麵，中國現有的標準對於奧（ào）氏體（tǐ）不鏽鋼的最低設計溫度（dù）為‒196 ℃，不能滿足低溫（wēn）液氫儲存容器的設（shè）計溫（wēn）度要（yào）求，需建立奧氏體不鏽（xiù）鋼材料的（de）低溫（wēn）力學性能數據庫。基於此，液（yè）氫溫度（-253 ℃）下材料（liào）力學性能的測試及評價是低溫液氫運輸麵臨的關鍵問題。

2.3 管道運（yùn）輸係統密封性

氫分子是自然界中最小的分子，易通（tōng）過管道接（jiē）頭、閥門（mén）等位置發生泄漏，這對氫氣運（yùn）輸管道係統的密（mì）封性能提出了更高要求。管道常用密封元件有密封（fēng）圈（quān）和密（mì）封墊。密封（fēng）圈常用材（cái）料（liào）為橡膠，其中丁腈橡膠（jiāo）、氟橡膠及氟矽橡膠與氫氣具有較好的相容性，更適用於輸氫管（guǎn）道。在管道壓力容器、閥門（mén）及（jí）外殼結合麵等位置處密（mì）封墊較為常見，且墊片材料可為橡膠、聚四氟乙烯和高強石墨等非金屬，也可（kě）為鋁、銅以及碳（tàn）鋼等（děng）金屬材料。

氫氣（qì）在非金屬密封材料中（zhōng）的（de）滲透性較強，但不同研究中滲透速率結果差異較大，尚（shàng）未形成（chéng）統一結論。此外，氫氣會使非（fēi）金屬密封材料性能產生劣化，長期處於氫氣環境的橡膠密封件會產生（shēng）吸氫膨脹，隨氫氣滲透過（guò）程進行，外界氫氣壓力突然降低（dī）也（yě）會誘發橡膠（jiāo）密（mì）封件（jiàn）鼓泡斷裂，導致密封圈使用壽命降低甚至失效（xiào）。目前，國內外對於高壓氫氣環境（jìng）下非金屬密封材料吸（xī）氫膨脹和氫鼓泡行為的研究較少，尚不能夠明確這兩種現象的影響因素及機理。針對金屬密封材料（liào），氫（qīng）氣滲透過程中會誘發其產生微裂紋，導致密封元件（jiàn）延遲開裂，進而影響管道係統的密（mì）封性能（néng）。臨氫環境（jìng）非金屬及金屬密封材（cái）料在氫-應（yīng）力耦合（hé）作用下的密封性能劣（liè）化及失效機理，是氫氣管道（dào）運輸麵臨的關鍵科學問題。

2.4 工藝適應性

現有管道運輸水力、熱力計算模型及多數模擬軟件等基本是針（zhēn）對天然（rán）氣作為管道運輸介質開（kāi）展設計，其在典型51吃瓜网工況下計算（suàn）較為準確，但當管道運輸介質更換為氫氣後，物性參數的狀態方程、流動壓力損失及節流效應（yīng）等均需進行適應性驗證，也（yě）是氫氣管道運輸麵臨的關鍵科學問題。

低溫（wēn）液氫（qīng）儲（chǔ）存方（fāng）麵，目前（qián）國內大（dà）多數地麵液（yè）氫儲罐采用“珍珠岩+真空絕熱（rè）”的被動絕熱技術，鮮有主動絕熱措施，導致液氫具有較高的蒸發率。因此，高效經濟液氫保冷也是氫能運輸（shū）麵臨的關鍵技術問題。此外，針對液氫加注工藝，國內尚未形成係統的設計標準和規範。關於液氫加注過程中因管道漏熱引發兩相流（liú）問題的流動和傳熱特性的研究鮮有報道，是氫能運輸技術發展亟須解決（jué）的（de）關（guān）鍵問題。

2.5 設備儀表（biǎo）適應性

在役51吃瓜网管道（dào）的調壓設備（壓縮機、調壓閥（fá）等）、計量設備（流量計等）和用戶終端設備（燃氣灶具、燃氣輪機等）在（zài）氫氣環境下的適（shì）用性（xìng）受材質相容（róng）性、燃氣互換性和燃爆安全性等共同約束。設備在經過長時間服役後，材料表麵或內部可能產生一定的磨損或缺陷，更易在氫（qīng）氣環境下發生氫脆失效。由於摻氫後天然（rán）氣的（de）密度、熱值和燃燒特性等發生改變，直接影響了調壓設備的效（xiào）率與穩定性、計量設備的準確性、用戶（hù）終端設備（bèi）的燃燒性能等。摻氫天然（rán）氣管道的摻混設備決定了摻混均勻度，進一步影響了管道運輸流動特性和安全（quán）性。同時，氫氣運輸過程中需（xū）要高精度傳感器（qì）來探測氫氣泄漏（lòu）。因此，探（tàn）究摻氫51吃瓜网管道及在（zài）役（yì）油氣改輸氫氣管道的設備儀表適應性，保證管道運輸設備儀表及用戶終端設備的安全、平穩、高效、經濟（jì）運行，是氫氣管道運輸亟須攻克的關鍵問（wèn）題。

2.6 運行安全保障

51吃瓜网管道的安全與維護技術已經較成熟，但氫氣的（de）物理性質和燃（rán）燒特性與天（tiān）然氣相比存在明（míng）顯不同，同時管道失效概率（lǜ）及管道失效後事（shì）故的嚴重程度有顯著差異。氫氣管道的運（yùn）行安全保障及完（wán）整性管（guǎn）理技術是（shì）氫氣管道發展需（xū）攻克的關鍵技術問題。

目前（qián），關於液氫無損儲存的仲正氫轉化（huà）的影響及其流動和傳熱特性的研究較多，而缺乏關於建立液氫儲罐（guàn）內部的氣相氫的壓力場、溫度場、濃（nóng）度場和自（zì）然對流（liú）流場等的研究。因此，氣相氫的物理（lǐ）場研究及仲正氫催化區（qū）位置的（de）確（què）定也是未來需要解決的關鍵問題。

發展建議

3.1 加強（qiáng）頂（dǐng）層戰略規劃，構建規範化氫能運輸網絡體係

目前，中國氫能運輸產業發（fā）展（zhǎn）的政策體係相對鬆散，政府在製定產（chǎn）業宏觀政策時應重視各地（dì）區的氫能稟賦差（chà）異（yì），因地製宜（yí）、精準施（shī）策，把握差異化（huà）優勢，鼓勵氫能運輸基（jī）礎設施建設（shè），合（hé）理匹配低（dī）壓高壓、氣（qì）態（tài）液態固態等（děng）各類運輸方式，逐步提高氫氣儲存和（hé）運輸能（néng）力，構建多元（yuán）化氫能運輸網絡體係，保證氫能“製儲輸用”全產業鏈的穩（wěn）定發展。

歐美（měi）國家（jiā）已頒布ASME B31. 12等純氫管道設計運行標準，中國除正在征求意見稿的行業標準《輸氫管道工程設計規範》外，缺乏相關的自主標準規範。現有氫氣管道建設施（shī）工和完整性管理等相關（guān）內容基本（běn）參照油氣運輸管道和工業管（guǎn）道標（biāo）準及國外氫氣管（guǎn）道標準設計建造（zào），運行管理也基本（běn）按照（zhào）油氣（qì）長輸管（guǎn）道模式進行（háng），因此亟須建立（lì）適用於（yú）中國氫（qīng）氣管道的標準規範體係。

3.2 探索材料失（shī）效機製，實現管材與設備氫相容（róng）性評價

氫氣管道係統麵（miàn）臨材料種類多（duō）、受力狀態和服役環境複（fù）雜等問題（tí），需探究不同材質（金屬和（hé）非金（jīn）屬）、多組分、複（fù）雜（zá）受力和不（bú）同表麵狀態下管材及連接部位的滲氫擴散及氫相容性。同時，需進一步探究（jiū）有機液體輸（shū）氫（qīng）中存（cún）在的應力腐蝕開裂等管材（cái）失效問題及液氫溫度下材料力學性能測評問題，實現有機液體輸氫及液氫運輸的材料相（xiàng）容性評價。

在管道運輸係統密封材料方麵，需探明氫（qīng）-應力耦合作用下密封材料的滲透性能及力學性（xìng）能變化規律，建立管（guǎn）道運輸壓力、運輸介（jiè）質與（yǔ）橡膠（jiāo）密封材料（liào）吸（xī）氫膨脹效應的量化關係，揭示多（duō）因素耦合下密封元件的抗（kàng）爆破減壓失效機製，同（tóng）時構建金屬密封材料密封性能與材料劣化定量關係，形成（chéng）臨氫環境非金屬及金屬密封材料相容性評價體係。

管道運（yùn）輸設備儀表在氫氣環境（jìng）下的適應性評價尚無統一結論，仍不明確管道運輸設備在材料相容性、燃氣互換（huàn）性和燃爆安全性等共同約束下的臨界安全氫氣含量。需探究輸氫管道壓（yā）縮機（jī）和流量計等核心部件及特殊構造（zào）在氫氣環境下的材質安全性；研究複雜管道運輸條件下管道調壓設備、計量設備的運行穩定性（xìng）與準確性；明確閥門及密封部件在氫氣環境下的密封（fēng）性能；進一步研製臨氫環境高性（xìng）能摻混設備，包括氫氣探測器、調壓閥（fá）、流量計等關（guān）鍵管道運（yùn）輸設備。

3.3 形成工藝設計導則，指導氫能管道建設與管理運行

由於目前（qián）缺乏氫氣管道運輸工（gōng）藝設計導則，需搭建氫氣管道運輸流動實驗平台，構建氫氣管道（dào）運輸（shū）水熱（rè）力（lì）計算模型（xíng），進一步（bù）建立氫氣管道（dào）動態仿真模型，綜合考（kǎo）慮輸氣能力、壓力、能量流量等條件，形成管道站間距、儲氣調峰等設計導（dǎo）則。國內尚未形成有機液（yè）體及液氫管道運輸（shū）係（xì）統的設計方法。針對BOG的（de）低溫特性（xìng）和氫氣的易燃易爆特性，BOG的安全回（huí）收（shōu）和高效處理是BOG處理係統的關鍵。未來應開展BOG工藝優化、管道掃氣介質及操作流程、BOG後處理（儲存、液化（huà）或運輸）等研（yán）究。同時，國內（nèi）的氫氣及有機液體管網係統工藝設計及運行仿真主要采（cǎi）用國外（wài）商業（yè）軟件，亟須加快相（xiàng）關軟件國產（chǎn）化的進程，開發適（shì）用於複雜拓撲管網的（de）工藝仿真軟件。

大規模製氫過程通常會產生大量氧氣作為副產品，然而目前缺乏針對大規模製氫所得氧氣（qì）的儲（chǔ）存（cún）和運輸手段（duàn）。基於氧氣用途、運（yùn）輸距離、安全性以及經（jīng）濟性考量（liàng）等因素，需形成規模化氧氣運輸（shū）與利用策略，優化氧氣運輸工藝，進一步提高製氫經（jīng）濟性，推動氫能運輸（shū）及氫（qīng）產業鏈發展。

3.4 開展風險（xiǎn）災害（hài）評估，完善氫能管道完整性管理體係

針對（duì）氫能（néng）運輸管道係統安全事故（gù）演化規律不清、失效（xiào）後（hòu）果難預測和防護效果差的問題，需進一步開展事故特征演化及完整性管理（lǐ）研究；需研究（jiū）全域多物理場多因素作用下氫（qīng）氣（qì）滲/泄漏與積聚、燃燒、爆（bào）炸事故特征演（yǎn）化規律；需（xū）考慮氫促失效作用建立管道係（xì）統缺（quē）陷、裂紋發展模型，建立（lì）全域多物理場監測（cè）的狀態感知（zhī）體（tǐ）係。最（zuì）終建立“管道安全（quán）狀態（tài）—檢/監測數據—事故特征識別—失效（xiào）評估—應急方案決策智能化”的動態風險評估流程和完整性管理體係（xì）。

結束語

在“雙碳”目標下，隨著中（zhōng）國能源生產和消費結構的（de）進（jìn）一步靈活多樣（yàng），氫能已成為管（guǎn）網輸（shū）配的重要對象。管道運輸行業麵臨著氫（qīng）能運輸問題的一（yī）係（xì）列挑戰。目（mù）前，中（zhōng）國已在純氫管道運（yùn）輸技（jì）術、摻氫管道運輸技術、儲氫有機液（yè）體管道運輸技（jì）術及儲氫技術等領域取得了一定進（jìn）展（zhǎn）及成就，有力支撐了中國氫能運輸（shū）行業的發展，但在一些方麵與國外相比仍存在較大差距。未（wèi）來，管網布局規劃、材（cái）料相容性、管道運輸（shū）工藝及設備適應性、運行安全保障（zhàng）技術等將是氫能管道運輸行業發展的重點方向。氫能（néng）管道運輸技術的進步，將對中國氫能產業規模化和可持續性發展發揮關鍵作用。

李玉星，劉翠偉，等：氫能運輸方式與技術發（fā）展現狀及挑戰