新能源时代：铝合金压力管道在氢能储运中的关键技术

新能源时代：铝合金压力管道在氢能储运中的关键技术氢能储运的安全性与经济性瓶颈，正在通过材料科技的突破一步步被化解。氢能作为清洁能源的代表，其开发利用已成为全球能源转型的重要方向。然而氢气的储存和运输始终是制约产业发展的关键环节。面对高压氢气环境下钢材容易发生的氢脆问题，铝合金材料正逐渐成为储氢罐和输氢管道的关键材料。这项技术突破不仅提升了氢能储运的安全性，还为大规模应用氢能奠定了坚实基础。

01 氢能储运的挑战与材料抉择氢能产业具有广阔前景，但氢气储存和运输环节却存在诸多挑战。氢是世界上最轻的元素，分子直径小、密度小，容易在管道中和阀件间发生泄漏。更为棘手的是，氢气无色无味，泄露后难以发觉，在受限空间内积聚后易形成爆炸混合物。在材料安全性方面，传统的钢铁材料面临氢脆失效的风险。金属材料在高压氢环境中服役时，氢分子能够分解成氢原子渗透入金属材料内部，造成材料的性能劣化。氢脆表现为“H2吸附到金属表面→分解成H原子→渗透进金属内部→在金属内部扩散→聚集→引发氢致裂纹等”。当管道中存在足够的氢含量、对氢敏感的金相组织、应力集中这3个条件时，就容易导致管道氢脆开裂。相比钢铁材料，铝合金表现出更优异的抗氢脆性能。铝结构受氢分子入侵的影响较小，可采用铝制合金作为内层材料，降低氢脆现象发生。因此，铝合金逐渐成为储氢罐内胆和输氢管道的关键材料。

02 铝合金储氢罐的关键技术目前高压气态储氢是最成熟、应用最广的储氢方式，其中储氢罐内胆及瓶口组合阀等关键零部件均由铝合金制成。为降低储运成本，需要增加质量储氢密度，提高储氢压力，这不仅要求材料具有更高的强度以承受载荷，同时还要关注材料在高压氢环境长期服役过程的氢脆敏感性。储氢瓶主要应用高压气态储氢技术，大体分为四类：Ⅰ、Ⅱ型重容比大，氢脆问题严重，难以在车载领域应用；Ⅲ型瓶重容比偏大，生产成本高；Ⅳ型瓶重容比小，耐腐蚀性好，成本低，已成为车载高压储氢瓶技术发展主流。各类型储氢瓶数据对比当前我国氢气瓶主要存在四个问题：单位质量储氢密度偏低；塑料内胆材料工艺不完善；瓶口组合阀技术不成熟；评价不系统、标准缺失。要解决这些问题，需要把握关键科学问题与关键技术问题，包括制备过程材料-结构-工艺-性能协同作用机制，复杂工况下多材质多界面失效机理等。

03 输氢管道技术的创新进展管道输氢是实现氢能大规模长距离输送的有效方式，是国内氢能开发利用领域的焦点之一。然而国内管道输氢技术仍处于起步阶段，在基础理论及应用技术方面急需突破。国外管道输送氢气比较成熟，其中美国氢气管道总里程超过2600公里，在墨西哥湾沿岸建有全球最大的氢气供应管网，全长超过900公里，输氢量达到150万Nm³/h。欧洲也已建成超过1500公里的输氢管道，管道运行压力一般在5MPa以下，管径从100mm到500mm不等。国内关于氢气管道的标准有GB 50177《氢气站设计规范》、GB 4962《氢气使用安全技术规程》等，但这些标准均不适用于氢气长输管道。国内在纯氢输送管道方面，已建氢气管道材料采用L245或更低，压力低于4MPa，与国外存在差距。在输氢管道技术方面，隔气层是重要结构。目前隔气层主要由乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH）构成。EVOH是将乙烯聚合物的加工性和乙烯醇聚合物的阻隔作用相结合，不仅表现出极好的加工性能，而且也对气体、气味、香料、溶剂等呈现出优异的阻断作用。20℃，200bar条件下，EVOH耐甲烷的渗透性能比HDPE强1万倍，耐氢气渗透率比PA6强20倍。

04 铝合金材料制备的技术突破面对氢能储运的技术需求，铝合金材料的制备技术也在不断创新。一项2022年公开的新能源汽车储氢用大口径6061铝合金挤压管材的制备方法，展示了铝合金成分优化的重要进展。该方法设计的合金成分的元素含量以重量百分比计包括：Si0.6-0.70%，Fe0.15-0.20%，Cu0.28-0.35%，Mn0.15-0.20%，Mg0.85-1.1%，Zn0.18-0.25%，Ti0.14-0.15%，Cr0.1-0.3%，Ni0.05%，余量为Al。特别关键的是，调整了Mg/Si比为1.40-1.53之间，并对铸锭的热处理工艺进行优化。同时，为了保证管材满足精度要求和表面质量要求，对工模具和挤压参数进行了设计，得到了具有良好塑韧性和刚度，成分分布均匀、晶粒细小的铝合金挤压管材，从而满足新能源汽车储氢管的使用要求。中铝材料应用研究院有限公司在氢能用先进铝合金领域也取得了重要突破，近期有四项发明专利获得国家知识产权局授权。他们攻克了常规电化学方法难以模拟实际服役状态下氢原子扩散速率及分布状态的难题，开发了一种快速评价方法，实现快速精准的评价材料的高压氢脆敏感性。并通过对多尺度微观组织设计，开发出满足70MPa以上超高氢压工况下强度需求的抗氢脆新材料。山东能源集团所属轻合金公司则成功研发了储氢用大规格高精度铝合金型材，具有重容比小、单位质量储氢密度高等优点，有效破解了氢能安全高效存储应用的技术瓶颈，达到国内领先水平。产品应用于氢燃料电池车载高压储氢系统，满足了高表面质量、高尺寸精度的技术要求。

05 未来展望与发展路径随着氢能产业的快速发展，储氢瓶市场前景广阔。有预测显示，五年内储氢汽车大约50万辆，市场容量将达100亿元。未来技术和产品将移植至加氢站，单个加氢站约300-600万元，市场将达300亿元。在氢气输送管道标准方面，欧美国家形成了比较健全的氢气输送管道标准体系。其中美国工程师协会编制的ASME B31.12《氢气管道系统和管道》、欧洲压缩气体协会编制的CGA G-5.6《氢气管道系统》等均为适用于氢气长输管道的标准。这些标准对氢气输送管道的设计、施工、运行、维护等有明确规定，可用于氢气管道工程的设计、建设、实施。国内对于氢气管道的研究起步较晚，虽然建成了部分氢气管道，但还没有形成完整的氢气管道标准，更缺少氢气长输管道标准。因此，针对输氢管道材料相容性研究，建立完善的氢气长输管道标准体系，可实现低成本大容量高压输氢管道安全运行。管道输氢将大量的可再生能源制氢引入能源系统，不但可以缓解我国天然气供应不足的问题，促进碳减排目标的实现，还为低成本制氢及低成本储运氢提供了可行的途径。综合来看，氢气的运输需要基于考虑运输过程的能量效率、氢的运输量、运输过程氢的损耗和运输里程。在用量小、用户分散的情况下，气氢通常通过储氢容器装在车、船等运输工具上进行输送；氢气用量大时一般采用管道输送。根据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》中提出的储运发展路径，到2030年氢气的储运以气态高压、低温液态相结合，远期2050年氢气管网密布将成为主要的运输方式。铝合金压力管道的技术创新正在为氢能储运环节扫清障碍。多家研究院所和企业已取得专利成果，为氢能产业提供了关键材料保障。随着材料技术的持续进步和标准体系的不断完善，氢能储运的安全性与经济性将得到进一步提升。未来，氢能产业链有望实现全面贯通，为全球能源转型贡献重要力量。