氫氣管線及其對閥門的要求目錄目錄一、氫氣的性質(zhì)及其對材料的影響二、氫氣設(shè)備及其管道三、氫氣管路中的閥門四、安裝管道以及閥門的注意點2氫氣管線及其對閥門的要求一.氫氣的性質(zhì)以及對材料的影響1.氫氣的物理性質(zhì)

氫氣（H2）是一種易燃易爆的氣體（屬于危險化學(xué)品）。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓/760mmHg），氫氣是一種無色，無味、無毒的氣體,無腐蝕性，但有很強的滲透性，常溫下可透過橡皮和乳膠管。氫氣的密度為0.09kg/m3，比空氣輕。氫氣微溶于水、乙醇和乙醚。

3氫氣管線及其對閥門的要求2.氫氣的化學(xué)性質(zhì)（1）可燃性氫氣極易燃燒，純凈的氫氣在空氣里安靜地燃燒，產(chǎn)生淡藍色的火焰，放出熱量。由于氫氣無色無味，燃燒時火焰是透明的，因此其存在不易被感官發(fā)現(xiàn)。氫氣、氧氣混合燃燒火焰溫度為2100-2500℃，其中氫氣在空氣中的爆炸極限為4.2%-74%，在氧氣中的爆炸極限為5.0%-94.3%。氫氣和氟、氯、一氧化碳混合均有爆炸的危險，其中，氫與氟的混合物在低溫和黑暗環(huán)境就能發(fā)生自發(fā)性爆炸，與氯的混合比為1：1時，在光照下也可爆炸。4氫氣管線及其對閥門的要求氫氣之爆炸范圍最強烈的爆炸范圍空氣、氧氣中混入氫氣的體積占總體積之比%5氫氣管線及其對閥門的要求6氫氣管線及其對閥門的要求（2）還原性

氫氣具有很強的還原性。利用其還原性，氫氣被廣泛的應(yīng)用于鋼鐵企業(yè)不銹鋼冷軋和碳鋼冷軋卷板退火時的保護氣體。氫氣不但對帶鋼具有防氧化的作用，而且對帶鋼上的鐵銹具有還原作用，這樣就實現(xiàn)了帶鋼的光亮退火。7氫氣管線及其對閥門的要求（1）氫鼓包

定義：氫原子擴散到金屬內(nèi)部（大部分通過器壁），在另一側(cè)結(jié)合為氫分子逸出。如果氫原子擴散到鋼內(nèi)空穴，并在該處結(jié)合成氫分子，由于氫分子不能擴散，就會積累形成巨大內(nèi)壓，引起鋼材表面鼓包甚至破裂的現(xiàn)象稱為氫鼓包。低強鋼，尤其是含大量非金屬夾雜物的鋼，最容易發(fā)生氫鼓包。3.氫氣對金屬材料的影響8氫氣管線及其對閥門的要求2023/7/22產(chǎn)生氫鼓包的腐蝕環(huán)境：介質(zhì)中通常含有硫化氫、或者砷化合物、或者氰化物、或者含磷離子等毒素，這些介質(zhì)阻止了放氫反應(yīng)。預(yù)防措施：消除工況中的毒素介質(zhì)；如果不能消除，選用空穴少的鎮(zhèn)靜鋼；也可采用對氫滲透低的奧氏體不銹鋼；或者采用鎳襯里、塑料保護層、玻璃鋼襯里等；有時加入緩蝕劑。9氫氣管線及其對閥門的要求（2）氫脆

定義：氫脆是溶于鋼中的氫，聚合為氫分子，造成應(yīng)力集中，超過鋼的強度極限，使得金屬晶格高度變形，在鋼內(nèi)部形成細小的裂紋，又稱白點。氫脆只可防，不可治。氫脆一經(jīng)產(chǎn)生，就消除不了。

氫脆現(xiàn)象10氫氣管線及其對閥門的要求2023/7/22避免和消除的措施：2.減少金屬中滲氫的數(shù)量。若采用酸洗，需要在酸洗液中添加緩蝕劑；在除油時，采用化學(xué)除油、清洗劑或溶劑除油；在電鍍時，堿性鍍液或高電流的鍍液滲氫量都較少。3.采用低氫擴散性和低氫溶解度的鍍涂層

一般認為,在電鍍Zn、Cd、Sn、Pb時,滲入鋼件的氫容易殘留下來,而Cu、Mo、Al、Ag、Au、W等金屬鍍層具有低氫擴散性和低氫溶解度,滲氫較少。4.鍍前去應(yīng)力和鍍后去氫以消除氫脆隱患等1.選用對氫脆不敏感的材料，如選用含Ni、Mo的合金鋼。11氫氣管線及其對閥門的要求2023/7/22（3）氫蝕定義：在高溫高壓環(huán)境下，氫進入金屬內(nèi)與一種組分或元素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)使金屬破壞，稱為氫蝕。預(yù)防措施：選用抗氫鋼?？蛇x用16MnR（HIC）、15CrMoR（相當(dāng)于1Cr-0.5Mo）、14Cr1MoR（相當(dāng)于1.25Cr-0.5Mo）、2Cr-0.5Mo、2.25Cr-1Mo、2.25Cr-1Mo-0.25V、3Cr-1Mo-0.25V等?？箽滗撝械腃r和Mo能形成穩(wěn)定的碳化物，這樣就減少了氫與碳結(jié)合的機會，避免了甲烷氣體的產(chǎn)生。

12氫氣管線及其對閥門的要求2023/7/22其實氫腐蝕從理論上分成以上三種，而實際中三種腐蝕幾乎同時存在。所以遇到氫腐蝕環(huán)境（臨氫環(huán)境）的設(shè)備一般按納爾遜曲線進行選材，并要引起高度重視。常用的抗氫材料有奧氏體不銹鋼、沉淀強化奧氏體合金、低合金鋼、鋁合金及銅合金等。13氫氣管線及其對閥門的要求（3）在氫氣管道與其相連的裝置、設(shè)備之間應(yīng)安裝止回閥，界區(qū)間閥門宜設(shè)置有效隔離措施，防止來自裝置、設(shè)備的外部火焰回火至氫氣系統(tǒng)。氫氣作焊接、切割、燃料和保護氣等使用時，每臺(組)用氫設(shè)備的支管上應(yīng)設(shè)阻火器。（4）對氫氣設(shè)備、管道和閥門等連接點進行漏氣檢查時，應(yīng)使用中性肥皂水或攜帶式可燃氣體檢測報警儀，禁止使用明火進行漏氣檢查。

（5）爆炸危險區(qū)域內(nèi)電氣設(shè)備應(yīng)符合防爆要求，因需要在爆炸危險區(qū)域使用非防爆設(shè)備時應(yīng)采取隔爆措施。

15氫氣管線及其對閥門的要求（6）氫氣管道應(yīng)設(shè)置分析取樣口、吹掃口，其位置應(yīng)能滿足氫氣管道內(nèi)氣體取樣、吹掃、置換要求；最高點應(yīng)設(shè)置排放管，并在管口處設(shè)阻火器。（7）氫氣管道、閥門及水封等出現(xiàn)凍結(jié)時，作業(yè)人員應(yīng)使用熱水或蒸汽加熱進行解凍，且應(yīng)帶面罩進行操作。禁止使用明火烘烤或使用錘子等工具敲擊。16氫氣管線及其對閥門的要求2.管線的材質(zhì)以及流速(1)氫氣管線材質(zhì)的選擇

按照國家氫氣站設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，氫氣管道的管材應(yīng)采用無縫鋼管。如對氫氣純度有嚴(yán)格要求時，選用的材料有所不同：①氣體純度大于或等于99.999%，應(yīng)采用內(nèi)壁電拋光的低碳不銹鋼管(316L)或內(nèi)壁電拋光的不銹鋼管(304)。②氣體純度大于或等于99.99%，應(yīng)采用內(nèi)壁電拋光的不銹鋼管(304)，或者無縫鋼管。③氣體純度小于99.99%，選用無縫鋼管。17氫氣管線及其對閥門的要求工作壓力（MPa）最大流速（m/s）＞1.680.1～1.612＜0.1按允許壓力降確定(2)碳素鋼管中氫氣最大流速注：氫氣工作壓力為0.1～3.0MPa，在不銹鋼管中最大流速可為25m/s。設(shè)計壓力（MPa）最大流速（m/s）＞3.0100.1～3.015＜0.1按允許壓力降確定18氫氣管線及其對閥門的要求管道工作壓力(MPa)強度試驗氣密性試驗泄漏量試驗試驗介質(zhì)試驗壓力(MPa)試驗介質(zhì)試驗壓力(MPa)試驗介質(zhì)試驗壓力(MPa)<0.1空氣或氮氣0.1空氣或氮氣1.05P空氣或氮氣1.0P0.1～3.01.15P1.05P1.0P>3.0水1.5P1.05P1.0P(3)管道的試驗介質(zhì)與試驗壓力管道工作壓力(MPa)強度試驗氣密性試驗泄漏量試驗試驗介質(zhì)試驗壓力(MPa)試驗介質(zhì)試驗壓力(MPa)試驗介質(zhì)試驗壓力(MPa)<0.1空氣或氮氣0.1空氣或氮氣1.05P空氣或氮氣1.0P0.1～3.01.15P1.05P1.0P>3.0水1.5P1.05P1.0P19氫氣管線及其對閥門的要求工作壓力（MPa）材料＜0.1閥體采用球墨鑄鐵或鑄鋼

密封面采用合金鋼或與閥體一致0.1～2.5閥桿采用碳鋼

閥體采用鑄鋼

密封面采用合金鋼或與閥體一致＞2.5閥體、閥桿、密封面均采用不銹鋼三、氫氣管路中的閥門(1)閥門的選擇根據(jù)國家氫氣設(shè)計規(guī)范GB50177-2005對氫氣管線中閥門應(yīng)采用的規(guī)定：閥門宜采用球閥、截止閥。20氫氣管線及其對閥門的要求(2)閥門材質(zhì)的規(guī)定如下：注：①當(dāng)密封面與閥體直接連接時，密封面材料可以與閥體一致。②閥門的密封填料，應(yīng)采用石墨處理過的石棉或聚四氟乙烯材料。設(shè)計壓力（MPa）材料＜0.1閥體采用球墨鑄鐵或鑄鋼

密封面采用合金鋼或與閥體一致0.1～2.5閥桿采用碳鋼

閥體采用鑄鋼

密封面采用合金鋼或與閥體一致＞2.5閥體、閥桿、密封面均采用不銹鋼21氫氣管線及其對閥門的要求2023/7/22高溫高壓條件對材質(zhì)的要求

高溫高壓條件下,針對管線、閥門的材質(zhì)用到最多的是奧氏體不銹鋼等低碳不銹鋼、低合金鋼（Mo鋼、Cr-Mo鋼）。

奧氏體不銹鋼等低碳不銹鋼在不同的工藝溫度以及氫分壓下具有通用性，低合金鋼只能根據(jù)不同的環(huán)境條件（溫度、氫分壓）確定具體的型號，在保證生產(chǎn)穩(wěn)定進行下選用低合金鋼的牌號方面，國內(nèi)外已經(jīng)有了足夠的經(jīng)驗。除此之外，從經(jīng)濟以及應(yīng)力方面考慮，低碳不銹鋼價格過高，同時易誘發(fā)應(yīng)力開裂，因此選用材質(zhì)還是以低合金鋼為主（諸如：煉油廠、石化廠、合成氨廠等）。22氫氣管線及其對閥門的要求在高溫下，氫分子分解為原子形式，它能夠容易地進入到鋼材中，并進行擴散。在這些條件下，氫在鋼中的擴散是很迅速的，氫可以與鋼中的碳發(fā)生反應(yīng)，引起表面脫碳和內(nèi)部脫碳以及微裂。高溫氫腐蝕形式{表面脫碳內(nèi)部脫碳和微裂紋高溫高壓條件下，臨氫環(huán)境中對材料低合金鋼的討論如下：23氫氣管線及其對閥門的要求2023/7/22表面脫碳：

表面脫碳并不產(chǎn)生裂紋。表面脫碳的通常影響是強度和硬度有輕微的降低，但延性增加。由于影響通常較輕微，所以對其關(guān)注比對內(nèi)部脫碳少的多。

表面脫碳的理論解釋：是基于碳遷移到表面，并在表面形成碳的氣體化合物，使鋼出現(xiàn)貧碳（形成的氣體化合物為CH4或存在含氧氣體時形成CO）。蒸汽會加速這種反應(yīng)，溶解碳向表面擴散，速率控制機理認為是碳的擴散。由于碳化物不斷析出溶解碳，所以碳化物的穩(wěn)定性直接關(guān)系到表面脫碳的速度。24氫氣管線及其對閥門的要求2023/7/22內(nèi)部脫碳和微裂：內(nèi)部脫碳和微裂是由氫向鋼中滲透并反應(yīng)生成其他氣體，如甲烷而造成的。所生成的甲烷不能自鋼中逸出，而通常聚集在晶界空穴處，產(chǎn)生高的局部應(yīng)力，最終導(dǎo)致鋼材的微裂、裂縫或鼓泡。氫損傷鋼材的微裂將導(dǎo)致力學(xué)性能的明顯劣化。微裂未轉(zhuǎn)變珠光體脫碳區(qū)鐵素體C-0.5Mo鋼（ASTMA204-A）在高溫氫環(huán)境中發(fā)生的內(nèi)部脫碳和微裂25氫氣管線及其對閥門的要求2023/7/22高溫氫腐蝕的影響因素：

包括：鋼材的孕育期、一次應(yīng)力的影響、二次應(yīng)力的影響、熱處理的作用、復(fù)合層和堆焊層的影響等。鋼材的孕育期：高溫高壓氫對鋼造成損傷之前，在一段時間內(nèi)用普通的力學(xué)試驗方法檢驗不出機械性能有明顯變化。經(jīng)過這段時間以后，材料產(chǎn)生損傷而導(dǎo)致強度和延性下降。在能夠用普通力學(xué)試驗方法測出氫侵蝕以前的這段時間稱之為孕育期。簡單理解就是：質(zhì)變之前的量變階段26氫氣管線及其對閥門的要求2023/7/22孕育期的長短是很關(guān)鍵的，因為它決定發(fā)生高溫氫侵蝕條件下鋼材的有效壽命。高溫氫侵蝕的發(fā)生分三個階段：a．孕育期,在此期間，力學(xué)性能非常緩慢地變化。b.力學(xué)性能快速劣化階段，同時伴隨微裂紋快速生長。c.最終階段，固溶體中的碳耗盡，力學(xué)性能達到最終值。

孕育期中，甲烷在亞顯微空穴內(nèi)形成壓力。由于內(nèi)部甲烷壓力和施加的應(yīng)力這些空穴慢慢增大。當(dāng)空穴達到臨界尺寸時，對力學(xué)性能方面的影響就顯露出來。孕育期取決于多種因素，包括鋼材的類型、冷加工的程度、雜質(zhì)元素的含量、加工應(yīng)力、氫氣壓力和溫度等等。27氫氣管線及其對閥門的要求2023/7/22臨氫作業(yè)用鋼防止脫碳和微裂的操作極限28氫氣管線及其對閥門的要求四、安裝管道以及閥門的注意點（1）接觸氫氣的表面徹底去除毛刺、焊渣、鐵銹和污垢等。（2）碳鋼管的焊接宜采用氬弧焊作底焊；不銹鋼應(yīng)采用氬弧焊。（3）氫氣管道的連接應(yīng)采用焊接或