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ESCI期刊JPSE好文推荐:氢气管道及氢脆文集 精选

已有 5901 次阅读 2023-9-7 13:51 |系统分类:科研笔记

氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源,是未来国家能源体系的重要组成部分,是用能终端实现绿色低碳发展的重要载体,是战略性新兴产业重点发展方向。发展氢能产业,对构建清洁低碳安全高效的能源体系、实现碳达峰碳中和目标,具有重要意义。国家发展改革委、国家能源局联合研究制定的《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》将创新摆在产业发展的核心位置,聚焦氢能制备、储存、输运、应用全链条,促进产业链创新链深入融合发展。

利用长输管道进行氢气输送,是发展规模氢能经济、加速实现能源转型战略的重要一环。但在高压氢气环境中,管道存在发生氢脆的潜在可能,严重影响了管道安全,并制约了氢气管道工业的发展。在此,Journal of Pipeline Science and Engineering特整理了氢气管道及氢脆文集,以期帮助管道领域的工程技术专家解决科学困扰与技术难题。该文集收录的文章涵盖了管道输氢战略,掺氢天然气管道安全评价,气态充氢测试,以及液相环境充氢及管道氢致开裂研究。


A techno-economic study of the strategy for hydrogen transport by pipelines in Canada

加拿大管道输氢战略的技术经济研究


Winston Cheng a,b, Y. Frank Cheng a,∗

a. Department of Mechanical & Manufacturing Engineering, University of Calgary, Canada

b. Department of Political Science, University of British Columbia, Canada

摘要管道输氢因其高效、经济以及能够加速实现规模化氢能经济的巨大优势,日益受到世界各国的重视。然而,制定管道输氢战略需要依据各地具体现况进行科学决策。本文概述了加拿大氢能经济发展的战略规划,分析了加拿大以及能源大省阿尔伯塔实现规模输氢的技术经济性,在量化各种输氢技术关键指标的基础上,指出在加拿大采用管道输送氢气的独特优势,讨论了将服役多年的天然气管道转换输氢时存在的技术挑战以及需要克服的难题,主要包括管道材料与高压氢气环境的兼容性、氢气/天然气混合处理与管道运行、泄漏与完整性管理,以及对用户终端的安全性与影响。

引文:CHENG W, CHENG Y F. A techno-economic study of the strategy for hydrogen transport by pipelines in Canada[J]. Journal of Pipeline Science and Engineering, 2023, 3(3): 100112.


原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667143323000045




Assessing damaged pipelines transporting hydrogen

输氢管道损伤评价


R.M. Andrews a,∗

N. Gallon a, O.J.C. Huising b

a. ROSEN UK, United Kingdom

b. EPRG c/o N.V. Nederlandse Gasunie, The Netherlands

摘要利用新建管道和天然气管道输送氢气受到广泛关注。针对氢对管道钢材力学性能的影响,已有室内试验的测试结果表明:即便较低的氢分压也会降低钢材的断裂韧性等性能,增大疲劳裂纹的扩展速率。但是,定性论证表明,在实际工程中,氢对管道的影响可能并没有小规模室内试验预测的结果那么严重。若将上述室内试验表现出的规律应用于实际管道工程体积腐蚀、凹陷等的损伤评价,将对评价结果产生影响。其原因是:大多数管道损伤评价方法是半经验方法,并采用非氢条件下的全尺寸测试数据进行校准。基于此,欧洲管道研究小组(EPRG)通过委托,分别选用现代高韧性管材和老旧低韧性管材开展输氢管道的损伤评价,数值分析结果表明:即使管道性能因暴露于氢环境而降低,高韧性材料仍然能够承受研究范围内的损伤;但低韧性材料无法承受某些类型的损伤,在此条件下,需要修复更多损伤并降低管道运行压力。此外,管道开裂损伤无法满足ASME B31.12中对防止随时间变化的裂纹扩展的要求。为了确定使用小规模室内试验数据的预测结果是否会在实际管道工程中发生,仍需开展深入研究。

引文:ANDREWS R M, GALLON N, HUISING O J C. Assessing damaged pipelines transporting hydrogen[J]. Journal of Pipeline Science and Engineering, 2022, 2(3): 100066.


原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667143322000385




Application of line pipe and hot induction bends in hydrogen gas

管线钢管和感应加热弯管在氢气环境中的应用


G. Golisch a,∗,G. Genchev a

E. Wanzenberg a,J. Mentz a

H. Brauer b,E. Muthmann c,D. Ratked

a. Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, Duisburg, Germany

b. Mannesmann Line Pipe GmbH, Siegen, Germany

c. Salzgitter Mannesmann Grobblech GmbH, Mülheim an der Ruhr, Germany

d. Mannesmann Grossrohr GmbH, Salzgitter, Germany

摘要在即将到来的氢经济时代,纯氢与混氢天然气管道输送是重要的发展方向,而钢制输氢管道大规模推广应用亟待开展如下科研攻关:①研发可有效应对氢脆风险的技术方法;②在现有安全运行数十年的氢气管道建设运行经验的基础上,研发更高压力、更高钢级的输氢管道技术;③氢与钢材的作用机理已研究数十年,在此基础上,充分探究既节约资源又可保证输氢管道长期安全运行的各类钢材的性能要求。研究了不同材料管线钢在带压氢气中的性能,结果表明:与酸性气体腐蚀反应相比,氢气与钢表面的反应要弱得多,因而引入钢材中的氢原子数量也要少得多。此外,还研究了管线钢减阻涂层在氢气环境中的适用性。研究结果表明:对于发展输氢管道存在的各种制约因素,未来研究应集中在氢气富集与力学载荷相结合的局部影响上,并加强钢材性能实验室测试评价方法和标准研究,在管材质量鉴定、产品开发、规范制定、许用测试方面实现突破。

引文:GOLISCH G, GENCHEV G, WANZENBERG E, MENTZ J, BRAUER H, MUTHMANN E, et al. Application of line pipe and hot induction bends in hydrogen gas[J]. Journal of Pipeline Science and Engineering, 2022, 2(3): 100067.


原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667143322000397




Blending hydrogen in existing natural gas pipelines: integrity consequences from a fitness for service perspective

在现有天然气管道中掺氢:从适用性角度看完整性后果


Mariano A. Kappes a,∗, Teresa E. Perez b

a. National Atomic Energy Commission, Instituto Sabato (UNSAM-CNEA), Av. Gral. Paz 1499 (1650), San Martin, Buenos Aires, Argentina

b. TEP Consulting, Instituto Sabato, UNSAM CNEA, San Martin, Buenos Aires, Argentina

摘要在现有天然气管道中掺入氢气会损害钢材的完整性,因为它会增加疲劳裂纹的增长,促进亚临界裂纹的产生,并降低断裂韧性。在这方面,一些实验室报告称,在含氢气态环境中测得的断裂韧性(KIH)可能是在空气中测得的断裂韧性(KIC)的50%,甚至更低。从管道完整性的角度来看,根据断裂力学的预测,在天然气管道中注入氢气会降低失效压力,并减小给定压力水平下的临界缺陷尺寸。对于具有给定缺陷尺寸的管道,如本研究所示,当管道因脆性断裂而失效时,氢脆(HE)对预测失效压力的影响最大。氢脆对失效压力的影响随着裂缝尺寸的减小或断裂韧性的增加而减小。水压试验成功后的安全系数会降低,因此应缩短水压试验的间隔时间。在这项工作中,使用裂纹评估方法(二级,API 579-ASME FFS)对所有这些影响进行了量化,并考虑了API 5L X52管线钢的KIH和KIC文献值。为了描述不同情况的特征,假定了各种裂纹尺寸,包括尺寸接近当前在线检测技术检测极限的小裂纹和代表最大裂纹尺寸的大裂纹,这些裂纹在水压试验达到钢材规定最小屈服应力的100%时仍能存活。本文讨论了较小的失效压力和较小的临界裂纹尺寸对管道完整性的影响。

该文尚在出版阶段,预计于第3卷第4期正式上线。



High energy X-ray diffraction and small-angle scattering measurements of hydrogen fatigue damage in AISI 4130 steel

AISI 4130钢氢疲劳损伤的高能量X射线衍射和小角度散射测量


M. J. Connolly a,∗, J-S. Park b, J. Almer b

M.L. Martin a, R. Amaro c, P.E. Bradley a

D. Lauria a, A.J. Slifka a

a. National Institute of Standards and Technology, USA

b. Argonne National Laboratory, USA

c. Advanced Materials Testing Technology (AMTT), USA

摘要无论是利用现有管道输送氢气还是研发不易受氢气影响的新钢材,准确的寿命预测至关重要,而寿命预测模型可以评价材料已经受到的损伤量以及材料失效前仍能承受的损伤量。但是,材料的损伤过程并不相同,当材料处于惰性环境和氢环境中时,力学载荷转化为损伤的方式也不相同。例如,在氢致解离、氢致局部塑性变形、微孔聚合这3种主要的氢脆机理中,氢分别起到了增强颗粒分离、位错产生与运动、空隙聚结的作用。若要全面理解这3种损伤模式,就需要能够同时探究这3种损伤模式的测量方法。因此,提出了在氢环境下钢材疲劳期间同时采用高能X射线衍射(High Energy X-ray Diffraction,HEXRD)和小角度X射线散射(Small-Angle X-ray Scattering,SAXS)测量的方法。HEXRD测量探究解离和位错密度,SAXS测量探究微孔产生和聚结。基于测量结果,分别讨论了空气致钢材损伤和氢致钢材损伤的损伤模式差异及这些差异对寿命预测结果的影响。

引文:CONNOLLY M J, PARK J-S, ALMERB J, MARTIN M L, AMARO R, BRADLEY P E, et al. High energy X-ray diffraction and small-angle scattering measurements of hydrogen fatigue damage in AISI 4130 steel[J]. Journal of Pipeline Science and Engineering, 2022, 2(3): 100068.


原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667143322000403



Effects of La3+ on the hydrogen permeation and evolution kinetics in X70 pipeline steel

La3+对X70管线钢中氢渗透和析氢反应动力学的影响


徐政一a, 张鹏远a, 张博c, 雷冰b

 冯志远b, 王俊一a, 邵亚薇a, 

孟国哲b,*, 王艳秋a,*, 王福会a,d

a.哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院,腐蚀与防护实验室;b.中山大学化学工程与技术学院,海洋腐蚀与表面工程组;c.中国赛宝研究所;d.东北大学沈阳材料科学国家实验室腐蚀与防护部

摘要本文通过电化学渗氢测试得到的稳态渗氢电流(i)表征La3+对X70管线钢氢渗透的抑制作用,渗氢结果以恒浓度模型进行拟合得到氢原子渗透参数。并以电化学活性表面积校准后的电化学阻抗谱(EIS)结果表征析氢反应(HER)的活性。此外,通过IPZ和表面效应模型计算析氢反应和吸附/解吸过程的动力学参数,结果表明,腐蚀产物中的La3+可以有效地降低Volmer反应和氢原子吸附速率,加速氢原子的解吸过程,从而导致亚表面氢原子C0的显著下降。

引文:XU Z Y, ZHANG P Y, ZHANG B, LEI B, FENG Z Y, WANG J Y, SHAO Y W, MENG G Z, WANG Y Q,WANG F H. Effects of La3+ on the hydrogen permeation and evolution kinetics in X70 pipeline steel[J]. Journal of Pipeline Science and Engineering, 2023, 3(2): 100107.


原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667143322000798



Hydrogen assisted cracking driven by cathodic protection operated at near −1200 mV CSE – an onshore natural gas pipeline failure

近−1200 mV CSE工况阴极保护下陆上天然气管道氢致开裂失效


Pablo Cazenave a,∗ , Katina Jimenez a

Ming Gao a, Andrea Moneta b, Pedro Hryciuk b

a. Blade Energy Partners Ltd., Houston, TX, USA

b. Transportadora de Gas del Norte S.A., Buenos Aires, Argentina

摘要2018年1月,一条1960年投运的直径为22英寸的在役陆上天然气管道断裂,其断裂由最近压气站下游150公里(93英里)处的轴向裂缝引起。为了分析引起管道断裂的根本原因,对断裂点下游约42公里(26英里)处硬斑管道内检测报告的缺陷进行开挖验证,发现泄漏主要由环向裂纹群及蛛网状裂纹群造成,与硬斑无关。本研究表明,造成在役管道断裂和泄漏的开裂机制主要原因是阴极保护引起的氢环境辅助开裂(HAC)。管道失效的根源在于管道涂层老化、有缺陷,以及在管地电位限值(−1200 mV CSE)附近运行了几十年的阴极保护系统。本研究首次完整地记录了陆上输气管道在阴极保护由氢辅助开裂造成失效的案例,X52管线钢管体距离焊缝较远的位置出现了裂纹,与硬斑无关。本文还总结了用于管道断裂根本原因分析的方法和结果,其中探讨了管道系统中管道完整性管理的含义。管道运营商实施了一系列预防和纠正措施,包括压力测试、改善阴极保护、涂层修复计划和管道内检测计划等。

引文:CAZENAVE P, JIMENEZ K, GAO M, MONETA A, HRYCIUK P. Hydrogen assisted cracking driven by cathodic protection operated at near −1200 mV CSE – an onshore natural gas pipeline failure[J]. Journal of Pipeline Science and Engineering, 2021, 1(1): 100-121. DOI: 10.1016/j.jpse.2021.02.002.


原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667143321000135


编辑:吴珮璐

审核:关中原

期刊及主编介绍


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期刊Journal of Pipeline Science and Engineering 是在黄维和院士、国家石油天然气管网集团有限公司领导、《油气储运》编委的共同倡导下,由国家石油天然气管网集团有限公司主办的开放获取型国际期刊,期刊主编由加拿大卡尔加里大学程玉峰教授和国家石油天然气管网集团有研究总院副院长陈朋超共同担任。

Journal of Pipeline Science and Engineering旨在为石油、天然气和非常规化石燃料等能源管道领域提供国际水准的交流平台、促进领域内最新研究成果的交流以及推动相关产业的快速发展。2022 CiteScore 4.0

目前,期刊已被ESCI,DOAJ,Scopus,EBSCOhost等重要数据库收录。



主编:程玉峰 院士

  • 欧盟科学院院士

  • 卡尔加里大学终身教授

  • 管道工程领域加拿大首席科学家

研究领域:

油气田与管道腐蚀科学与工程、管线钢技术、管道装备服役失效与完整性管理研究,在国际管道工程领域享有极高知名度和影响力。

学术成就:

  • 出版英文个人研究专著3部

    • Stress Corrosion Cracking of Pipelines, Wiley, US, 2013

    • Pipeline Coatings, NACE, US, 2017

    • AC Corrosionof Pipelines, AMPP, US, 2021

  • 发表学术期刊论文240余篇,引用超过16,000次,H-指数75

  • 曾在2016年于Nature 阐述管道安全对环境保护意义


主编:陈朋超 

  • 教授级高工、博士生导师

  • 国务院政府特殊津贴专家

  • 现任国家管网集团研究总院副院长、党委委员

研究领域:

长期从事管道安全高效与智能化运行技术研究及工程应用,主持省部级以上重大科研攻关9项,正在牵头“十四五”国家重点研发计划“跨地域复杂油气管网安全高效运行状态监测传感系统及应用”研究。

学术成就:

  • 主持省部级以上重大科研攻关9项,正在牵头“十四五”国家重点研发计划“跨地域复杂油气管网安全高效运行状态监测传感系统及应用”研究。

  • 主持研制的超高清多物理场综合检测等系列装备广泛应用,入选国家“十三五”科技创新成就展

  • 研发的多年冻土管道系列关键技术,保障中俄管道顺利建成和安全运行

  • 成果获省部级以上奖励12项,制定国际和国家标准10项,授权发明专利30余件




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1 崔锦华

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