高压氢阻隔涂层在高压氢气储运中的研发与应用
高压氢阻隔涂层研发与应用
鲍怿 徐青
上海一元能源科技有限公司
摘要：氢脆严重影响金属材料的性能，成为制约氢气高效安全储运的瓶颈。基于高压氢气储运中的氢脆现象，研发了一种高压氢阻隔涂层材料，通过实验测试和实际工程项目应用，验证了该材料在解决氢脆问题、降低氢能储运成本方面的优势，为氢能安全储运提供了全新的解决方案。
关键词：氢脆；金属选材；氢阻隔
氢能作为清洁能源的重要组成部分，在全球能源结构转型中占据重要地位。氢脆现象是氢能储运中面临的核心技术难题之一，特别是在高压氢气环境下，氢原子易渗透入金属材料，导致其脆化和失效。传统抗氢脆解决方案依赖于316L不锈钢、镍基合金等高成本材料，虽然在性能上能有效抗氢渗透，但其价格高昂，加工复杂，限制了氢能基础设施的发展。在能源转型大背景下，市场对高效抗氢脆材料的需求十分迫切，研发一种低成本、高性能的氢阻隔材料，有望解决氢能安全经济的储运需求。
1 高压氢气输送面临的技术挑战氢脆现象是氢原子渗透到金属材料内部，导致材料脆化并最终失效的现象。其主要原因在于氢原子在金属晶体中扩散，降低了金属的塑性和韧性。
1.1 氢脆机理及影响
氢脆现象源自氢原子与金属内缺陷的相互作用，导致裂纹的扩展与材料的断裂（图 1）。实验表明，氢在钢材中的扩散系数约为1.3×10-8 cm²/s，在高压下氢原子通过扩散进入金属晶格中的位错和晶界，并在缺陷处积聚，造成材料的疲劳强度显著下降。氢原子在金属中的扩散速率与温度、压力密切相关。在压力达到70 MPa时，普通低碳钢的氢脆风险显著增加，这也进一步加大了氢气输送设备在设计和选材上的挑战。
氢脆导致的开裂与氢裂纹微观图氢脆对氢能储输环节的主要影响包括：（1）材料失效风险增加。在高压氢气环境下，氢原子能够渗入金属材料的微观结构中，与材料中的缺陷（如微裂纹、晶界等）发生作用，削弱材料的内部结合力。这会导致材料的脆性增加，易发生开裂或破坏。这种材料失效风险的增加，对氢气输送管道和储氢气瓶的长期稳定性和安全性构成了极大挑战。（2）安全性问题凸显。在氢气的储存和运输过程中，特别是在高压条件下，如果材料发生氢脆现象，可能会引发氢气泄漏甚至爆炸，严重威胁公共安全。氢脆现象使得管道和储氢设备的使用寿命缩短，增加了设备故障和安全事故的风险，限制了氢能的推广和应用。（3）成本增加。为了防止氢脆现象，目前氢能储运环节通常采用高成本的抗氢脆合金材料（如316L不锈钢或镍基合金）来制造输氢管道和储氢气瓶。这些材料虽然具有良好的抗氢脆性能，但价格昂贵，增加了氢能基础设施的建设和运营成本。同时，这些材料在加工和焊接过程中也面临技术挑战，进一步增加了设备制造和维护的成本。
1.2 不同等级管道钢在高压氢气环境中的表现
在氢气输送领域，根据不同的应用环境和成本控制需求，人们使用不同等级的管道钢。以下是几种常见管道钢的性能特点及其在高压氢气环境中的表现：
（1）低碳钢。优点：低碳钢因其低成本和良好的加工性与焊接性，在工业管道中得到了广泛应用。其在常规环境下具有较好的韧性和延展性。缺点：在高压氢气环境中，低碳钢的抗氢脆性较差。氢原子容易渗透并聚集在金属基体中，导致材料的脆化和开裂，尤其是在长时间高压条件下。（2）低合金高强度钢（如X52、X60、X70）。优点：具有较高的强度和韧性，能够承受较高的压力，这使其成为中高压输氢管道的常用材料选择。它们在常规条件下表现出较好的抗拉强度和耐久性。缺点：在高压氢气环境中同样面临氢脆的风险。尽管较低的碳含量和特定的合金成分可以提高其抗氢脆能力，但在高压环境下，氢脆现象仍然可能发生，特别是随着使用时间的延长。（3）高合金钢（如316L不锈钢、镍基合金）。优点：高合金钢，如316L不锈钢和镍基合金，具有出色的耐腐蚀性和抗氢脆性能，在高压氢气环境中表现优异。其化学成分和微观结构能够有效抵抗氢原子的渗透和扩散，提供良好的安全性。缺点：价格高昂，材料成本和加工成本显著增加，大规模应用受到限制。此外，这些材料通常比低碳钢和低合金钢更重，增加了运输和安装的费用。
2 高压氢阻隔涂层研发
针对氢脆问题，高压氢阻隔涂层采用生物基高分子复合材料，通过在金属表面涂覆致密结构以减少氢渗透，提高了传统金属材料的耐氢性能。
2.1 材料研发过程
涂层材料的研发过程结合了多项技术创新。研究人员采用了颗粒有序排列技术，通过高分子基体的定向排列，形成了有效的氢气阻隔屏障。在实验室环境下，涂层的致密性和均匀性经过反复优化，最终实现了涂层厚度的最小化（约30μm），同时保持了高效的抗氢渗透能力。研发阶段还通过多次循环氢气压力测试（最高70 MPa），验证了涂层的附着力和抗疲劳性能。
2.2 材料性能测试
实验测试在模拟高压氢气环境中进行，主要包括氢渗透率、附着力和温度适应性测试。具体数据如下：
（1）氢渗透试验。在15℃和55℃、70 MPa压力下分别进行了3次重复测试，结果显示涂层的氢渗透率为4.4×10-16 mol·m /（m²·s·Pa）（15℃）和2.27×10-15 mol·m /（m²·s·Pa）（55℃），相比于传统316L不锈钢1.2×10-13 mol·m /（m²·s·Pa），其抗氢渗透性能提高了数十倍。（2）涂层的附着力试验。试验表明，在30 MPa的拉伸应力下，涂层与基材之间的粘合力依然保持稳定，没有出现明显剥落现象。（3）温度稳定性试验。在﹣40℃～180℃的范围内进行，涂层材料在高低温循环中保持了结构的完整性，未出现开裂或变质现象。
2.3 涂层材料的性能优势
高压氢阻隔涂层基于先进的生物基高分子复合材料技术，通过颗粒有序排列在基材表面构建了一个高效的氢气阻隔屏障。相比其他同类型材料，该涂层材料在抗氢脆能力、温度适应范围（﹣40℃～180℃）和附着力（超过30 MPa）等方面均表现出色。涂层材料不仅适用于氢气输送管道，还可应用于高压储氢气瓶、掺氢天然气管道等多种储运设备。广泛的温度适应性和耐用性，可为不同场景的氢能储运提供可靠的解决方案。
传统抗氢脆材料如316L不锈钢和镍基合金价格昂贵，通过将高压氢阻隔涂层应用于普通低合金钢，整体成本显著降低。综合分析表明，采用涂层的普通钢材相比使用316L不锈钢，设备材料成本减少了约65%，这对于大规模氢气输送设备具有显著的经济效益。除了原材料成本的降低，涂层的高耐用性和抗疲劳性能大幅延长了氢气输送设备的使用寿命，减少了设备维护和更换成本。实验数据表明，涂层材料可使设备使用寿命延长5～10年，极大降低了设备的长期运营成本。此外，由于涂层具有良好的附着力和耐腐蚀性，设备的维护周期可以从每3年延长到每5～7年，进一步减少了运营中的维修和停工成本。
3 应用效果分析
（1）中石油宝世威宝鸡钢管有限公司项目
中石油宝世威宝鸡钢管公司在其长输氢气管道项目中，选用了X70级钢材并涂覆高压氢阻隔涂层。该项目涉及25千米长的纯氢输送管道，压力等级达到10 MPa。涂层的应用提高了管道的抗氢脆能力，减少了因氢渗透导致的裂纹扩展问题，并降低了总项目成本。相比使用316L不锈钢的传统方案，成本降低了约60%。（2）广州OPR氢能源科技有限公司高压储氢瓶项目在广州OPR氢能源公司高压储氢瓶项目中，采用III型储氢气瓶，内壁涂覆了高压氢阻隔涂层，应用于70 MPa的高压氢气储存。该项目的涂层应用不仅显著提升了储氢瓶的抗氢渗透性能，还通过涂层技术实现了约40%的成本节约。与不锈钢储氢瓶相比，涂层材料使气瓶的使用寿命延长了5年，减少了氢气泄漏的风险。（3）西安长庆油田设计院输氢管道项目在西安长庆油田设计院的输氢管道项目中，涂覆了高压氢阻隔涂层材料，有效增强了管道的抗氢脆性能，确保了氢气输送的安全性和效率。
4 结语
氢脆问题是制约氢气储运设备安全性和经济性的主要瓶颈，传统的抗氢材料如316L不锈钢、镍基合金等虽然具有良好的抗氢脆性能，但其高昂的价格大大增加了氢气储运系统的建设成本。高压氢阻隔涂层材料可以涂覆在普通钢材上，通过高效阻止氢原子的渗透，显著提高了普通钢材的抗氢脆性能，并降低了材料成本。高压氢阻隔涂层材料内涂覆纯氢输送管道有望在大规模氢气储运中广泛应用，为氢能基础设施的建设提供经济可行的解决方案。
作者简介：
鲍怿，1999年生，本科，技术工程师，主要从事高分子材料工程应用研究工作。联系方式：17501605667，shtyb-raymond@steeltube-cn.com。
来源：《管道保护》2024年第5期（总第78期）