鮑懌 徐青

上海一元能源科技有限公司

摘要：氫脆嚴重影響金屬材料的性能，成為制約氫氣高效安全儲運的瓶頸。基于高壓氫氣儲運中的氫脆現象，研發了一種高壓氫阻隔涂層材料，通過實驗測試和實際工程項目應用，驗證了該材料在解決氫脆問題、降低氫能儲運成本方面的優勢，為氫能安全儲運提供了全新的解決方案。

關鍵詞：氫脆；金屬選材；氫阻隔

氫能作為清潔能源的重要組成部分，在全球能源結構轉型中占據重要地位。氫脆現象是氫能儲運中面臨的核心技術難題之一，特別是在高壓氫氣環境下，氫原子易滲透入金屬材料，導致其脆化和失效。傳統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，但其價格高昂，加工復雜，限制了氫能基礎設施的發展。在能源轉型大背景下，市場對高效抗氫脆材料的需求十分迫切，研發一種低成本、高性能的氫阻隔材料，有望解決氫能安全經濟的儲運需求。

1  高壓氫氣輸送面臨的技術挑戰

氫脆現象是氫原子滲透到金屬材料內部，導致材料脆化并最終失效的現象。其主要原因在于氫原子在金屬晶體中擴散，降低了金屬的塑性和韌性。

1.1  氫脆機理及影響

氫脆現象源自氫原子與金屬內缺陷的相互作用，導致裂紋的擴展與材料的斷裂（圖 1）。實驗表明，氫在鋼材中的擴散系數約為1.3×10-8 cm²/s，在高壓下氫原子通過擴散進入金屬晶格中的位錯和晶界，并在缺陷處積聚，造成材料的疲勞強度顯著下降。氫原子在金屬中的擴散速率與溫度、壓力密切相關。在壓力達到70 MPa時，普通低碳鋼的氫脆風險顯著增加，這也進一步加大了氫氣輸送設備在設計和選材上的挑戰。

圖 1 氫脆導致的開裂與氫裂紋微觀圖

氫脆對氫能儲輸環節的主要影響包括：

（1）材料失效風險增加。在高壓氫氣環境下，氫原子能夠滲入金屬材料的微觀結構中，與材料中的缺陷（如微裂紋、晶界等）發生作用，削弱材料的內部結合力。這會導致材料的脆性增加，易發生開裂或破壞。這種材料失效風險的增加，對氫氣輸送管道和儲氫氣瓶的長期穩定性和安全性構成了極大挑戰。

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

（3）成本增加。為了防止氫脆現象，目前氫能儲運環節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，但價格昂貴，增加了氫能基礎設施的建設和運營成本。同時，這些材料在加工和焊接過程中也面臨技術挑戰，進一步增加了設備制造和維護的成本。

1.2  不同等級管道鋼在高壓氫氣環境中的表現

在氫氣輸送領域，根據不同的應用環境和成本控制需求，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及其在高壓氫氣環境中的表現：

（1）低碳鋼。優點：低碳鋼因其低成本和良好的加工性與焊接性，在工業管道中得到了廣泛應用。其在常規環境下具有較好的韌性和延展性。缺點：在高壓氫氣環境中，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）低合金高強度鋼（如X52、X60、X70）。優點：具有較高的強度和韌性，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。它們在常規條件下表現出較好的抗拉強度和耐久性。缺點：在高壓氫氣環境中同樣面臨氫脆的風險。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，但在高壓環境下，氫脆現象仍然可能發生，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）。優點：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，在高壓氫氣環境中表現優異。其化學成分和微觀結構能夠有效抵抗氫原子的滲透和擴散，提供良好的安全性。缺點：價格高昂，材料成本和加工成本顯著增加，大規模應用受到限制。此外，這些材料通常比低碳鋼和低合金鋼更重，增加了運輸和安裝的費用。

2  高壓氫阻隔涂層研發

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

2.1  材料研發過程  

涂層材料的研發過程結合了多項技術創新。研究人員采用了顆粒有序排列技術，通過高分子基體的定向排列，形成了有效的氫氣阻隔屏障。在實驗室環境下，涂層的致密性和均勻性經過反復優化，最終實現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。研發階段還通過多次循環氫氣壓力測試（最高70 MPa），驗證了涂層的附著力和抗疲勞性能。

2.2  材料性能測試  

實驗測試在模擬高壓氫氣環境中進行，主要包括氫滲透率、附著力和溫度適應性測試。具體數據如下：

（1）氫滲透試驗。在15℃和55℃、70 MPa壓力下分別進行了3次重復測試，結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316L不銹鋼1.2×10-13 mol·m /（m²·s·Pa），其抗氫滲透性能提高了數十倍。

（2）涂層的附著力試驗。試驗表明，在30 MPa的拉伸應力下，涂層與基材之間的粘合力依然保持穩定，沒有出現明顯剝落現象。

（3）溫度穩定性試驗。在﹣40℃～180℃的范圍內進行，涂層材料在高低溫循環中保持了結構的完整性，未出現開裂或變質現象。

2.3  涂層材料的性能優勢  

高壓氫阻隔涂層基于先進的生物基高分子復合材料技術，通過顆粒有序排列在基材表面構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、溫度適應范圍（﹣40℃～180℃）和附著力（超過30 MPa）等方面均表現出色。涂層材料不僅適用于氫氣輸送管道，還可應用于高壓儲氫氣瓶、摻氫天然氣管道等多種儲運設備。廣泛的溫度適應性和耐用性，可為不同場景的氫能儲運提供可靠的解決方案。

傳統抗氫脆材料如316L不銹鋼和鎳基合金價格昂貴，通過將高壓氫阻隔涂層應用于普通低合金鋼，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，設備材料成本減少了約65%，這對于大規模氫氣輸送設備具有顯著的經濟效益。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備的使用壽命，減少了設備維護和更換成本。實驗數據表明，涂層材料可使設備使用壽命延長5～10年，極大降低了設備的長期運營成本。此外，由于涂層具有良好的附著力和耐腐蝕性，設備的維護周期可以從每3年延長到每5～7年，進一步減少了運營中的維修和停工成本。

3  應用效果分析

（1）中石油寶世威寶雞鋼管有限公司項目  

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

在廣州OPR氫能源公司高壓儲氫瓶項目中，采用III型儲氫氣瓶，內壁涂覆了高壓氫阻隔涂層，應用于70 MPa的高壓氫氣儲存。該項目的涂層應用不僅顯著提升了儲氫瓶的抗氫滲透性能，還通過涂層技術實現了約40%的成本節約。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險。

（3）西安長慶油田設計院輸氫管道項目  

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

4  結語

氫脆問題是制約氫氣儲運設備安全性和經濟性的主要瓶頸，傳統的抗氫材料如316L不銹鋼、鎳基合金等雖然具有良好的抗氫脆性能，但其高昂的價格大大增加了氫氣儲運系統的建設成本。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涂覆純氫輸送管道有望在大規模氫氣儲運中廣泛應用，為氫能基礎設施的建設提供經濟可行的解決方案。

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