(續上文)冷作彎管應用於混燒能力之管線技術探討

1. 前言:氫氣在發電領域的發展趨勢

 

1.1 全球能源轉型與氫氣的角色

 

全球能源轉型正加速脫碳進程,氫氣作為一種關鍵的能源載體和儲存方式,對於難以脫碳的產業,特別是發電和工業供熱領域,其重要性日益凸顯 1。氫氣的生產方式正朝多元化發展,從傳統的蒸汽甲烷重整(SMR,俗稱「灰氫」)轉向結合碳捕集、利用與儲存(CCUS)的SMR(「藍氫」),以及利用再生能源電解水(「綠氫」)等低碳排放途徑 3。預計氫氣需求將顯著增長,其中運輸部門是主要驅動力,其次是重工業、住宅/商業和發電領域 3

隨著氫氣需求的增加,支持其輸送的基礎設施也必須隨之擴展。這項擴展無可避免地會涉及管線的彎曲,而冷作彎曲技術因其經濟和物流優勢而備受青睞。然而,這項技術在氫氣環境中應用時所帶來的材料完整性挑戰,成為了更廣泛能源轉型中的一個關鍵瓶頸。這不僅僅是燃料轉換的問題,更是一項系統性的基礎設施轉型,需要對現有基礎設施能力進行全面重新評估。

 

1.2 先進氣渦輪機與氫氣-天然氣混燒:機遇與技術考量

 

先進氣渦輪機在提供電網穩定性和彈性方面扮演著關鍵角色,需要具備燃料彈性,以燃燒天然氣和氫氣的混合物,並能承受從100%天然氣到100%氫氣之間燃料組成的快速變化 4。氫氣與天然氣混燒為減少二氧化碳排放提供了一條直接途徑;例如,30%的氫氣混合物可使碳足跡比純天然氣降低10%以上 5。然而,若氫氣體積佔比低於60%,對二氧化碳減排的影響相對較小,約為31% 4

氫氣獨特的燃燒特性,包括更高的比熱、更高的擴散性、更寬的燃燒範圍、更快的火焰速度、在大氣壓下較低的自燃溫度以及無形火焰,都要求氣渦輪機及其相關燃料系統進行重大的設計和操作調整 1。含氫燃料的關鍵燃燒問題包括反應位置和穩定性,儘管在足夠的預混時間下,點火延遲可能不是主要問題 6

三菱動力與中佛羅里達大學(UCF)的合作研究揭示了在高壓下令人驚訝的自燃溫度(AIT)行為:天然氣對壓力升高的敏感度高於氫氣,且在25-30個大氣壓下,30%的氫氣-天然氣混合物(HENG)的AIT高於純天然氣 5。這與大氣壓下氫氣AIT較低的觀察結果相悖。這項發現意味著工程師不能僅憑大氣壓下的數據來推斷高壓系統的安全性。若設計工程師依賴大氣壓數據或假設氫氣總是會降低AIT,他們可能會錯誤地計算高壓系統的安全裕度。這項結果要求重新評估燃料混合系統的設計裕度和安全聯鎖裝置。

此外,氫氣-天然氣混合燃料在不同壓力下表現出複雜且有時反直覺的燃燒特性。這項複雜性表明,僅設定固定的混合比例可能無法在所有操作條件下確保最佳或安全的運行。因此,為了確保先進氣渦輪機的安全高效運行,有必要採用能夠進行實時分析並調整燃料成分和燃燒參數的先進控制系統,超越靜態設計考量。

 

2. 管線施工中的冷作彎曲技術

 

2.1 冷作彎曲的原理與工藝

 

冷作彎曲是指在室溫下,利用彎管機、軋製機或拉伸彎曲機等機械設備對鋼管進行塑性變形,使其彎曲成所需形狀或弧度 8。常見的方法包括:手工冷彎(適用於小批量生產,精度較低)、模具冷彎(適用於批量生產,精度高)和液壓冷彎(適用於大規模生產,精度高) 8

對於不銹鋼管,更有效的方法包括:芯棒彎曲(適用於小半徑、光滑彎曲、最小橢圓度)、旋轉拉伸彎曲(成本效益高、可彎曲複雜形狀、高精度)、輥彎(適用於長而厚的管線、大曲率)和壓彎(簡單彎曲) 9

選擇何種冷作彎曲方法不僅是製造決策,更是一項關鍵的工程選擇,直接影響管線彎曲後的完整性及其對氫致降解的敏感性。不同的冷作彎曲方法會對管線的幾何形狀和內部應力產生不同的影響。由於氫脆現象會因應力和材料缺陷而加劇,因此選擇一種本身就能減少缺陷(例如,減少橢圓度、降低殘餘應力)的彎曲方法,將有助於降低氫脆的風險。

 

2.2 冷作彎曲在管線應用中的優勢

 

冷作彎曲技術在管線應用中展現出多項顯著優勢:

  • 成本效益: 冷作彎曲無需昂貴的工廠預製配件,降低了材料和勞動成本。與熱彎相比,由於能源消耗較低且設備較簡單,通常更具成本效益 9
  • 快速安裝/可客製化: 彎曲可在現場完成,加快施工進度,並能靈活適應特定的現場條件 10
  • 材料性能的保持: 與熱彎不同,冷作彎曲能保持材料的原始金屬學性能,不會因熱量引起變化而削弱金屬 9。冷成形甚至可以提高不銹鋼(特別是鉻鎳300系列不銹鋼)的強度和其他機械性能,從而實現更輕、更堅固的設計 17。然而,儘管冷作彎曲被譽為「保持材料性能」,但研究表明,冷作彎曲會導致塑性變形、殘餘應力和加工硬化(屈服強度和抗拉強度增加,延展性降低)18。此外,冷作已被證明會增加氫吸收並降低斷裂韌性 22。在某些情況下,例如熱浸鍍鋅前,熱彎曲甚至比冷作彎曲更受青睞,以減輕冷作或酸洗引起的氫脆 12。這在氫氣應用背景下,對「保持材料性能」的說法構成了直接的矛盾。這項觀察表明,雖然冷作彎曲避免了熱致變化,但它同時引入了殘餘應力和加工硬化等新特性,這可能反常地增加對氫脆的敏感性。這就形成了一個關鍵的權衡:冷作彎曲的經濟和物流效益必須與其在氫氣服務中可能增加的完整性風險進行權衡。
  • 精確度: 冷作彎曲可以達到更嚴格的公差,並產生比熱彎更平緩、更光滑的曲線 9
  • 能源效率: 無需額外的加熱工具(火炬、爐子),節省能源 9
  • 表面光潔度: 冷作彎曲可產生光滑、有光澤的金屬表面,通常被認為更美觀 12

 

2.3 冷作彎曲的潛在缺陷與品質控制

 

冷作彎曲會引起大的塑性變形,導致殘餘應力和應變,尤其是在管線的縱向 19。彎曲內表面的拉伸殘餘應力可達材料屈服強度的46%至92% 21。這些缺陷和材料轉變(例如,外徑處的加工硬化,內徑處的包辛格效應)可能對管線完整性造成不利影響,尤其是在循環載荷下 19

常見的缺陷包括:

  • 截面扁平化(橢圓度): 在彎曲過程中,金屬管的橫截面會經歷不均勻的壓縮和拉伸,導致扁平化,尤其是在小中心線半徑(CLR)的彎曲處。可接受的橢圓度限制通常為≤5-8%,某些標準允許高達10% 10。過度的橢圓度會導致流動限制、應力集中和密封問題 24。使用芯棒和增壓可以防止此類缺陷 24
  • 內壁起皺: 由於壓縮彎曲導致內半徑處出現波浪狀變形。通常建議零容忍 10。其原因包括刮刀模具設置不當、芯棒類型或位置不正確,或壁厚與中心線半徑(CLR)比值過大 25
  • 外壁變薄: 由於外半徑處的拉伸,特別是在中心線半徑過小或拉伸不足的情況下。結構完整性的可接受變薄限制通常為≤10-12%,對於高壓液壓系統則為≤7% 25
  • 回彈: 彎曲後材料的彈性恢復,需要進行過度彎曲以達到所需角度 11
  • 屈曲/扭結: 由壁厚過低或無支撐長度過長引起 25
  • 裂紋: 在較緊的彎曲處更容易產生裂紋 11

冷作彎曲會產生殘餘應力並引起加工硬化。由於氫脆會因應力和材料缺陷而加劇,因此冷作彎曲的管線 ,因其局部應力集中和微觀結構改變,將比未彎曲的直管段更容易受到氫氣降解的影響。這意味著冷作彎曲引入的殘餘應力和微觀結構變化,與鋼材對氫脆的固有敏感性相結合,形成了一種協同降解途徑,使得冷作彎曲區域成為氫致裂紋和疲勞失效的優先發生點。

品質控制標準對於冷作彎曲的低碳鋼管至關重要,包括圓度公差(偏差不超過直徑的3%)、形狀公差(符合國家標準對尺寸、角度、彎曲半徑的要求)以及壁厚公差(符合原始設計要求) 8。對於冷作彎曲工藝的建議包括:選擇適當的彎曲設備和工藝參數,確保足夠大的彎曲半徑(不小於曲率半徑的3倍),控制彎曲溫度(避免低溫脆性),限制彎曲次數,並監測材料表面是否有損傷 8。管線 直徑的減小不應超過正常管道直徑的2.5%,可通過使用直徑為原始直徑97.5%的量規板進行驗證 10。現場彎曲必須沒有屈曲、凹痕、裂紋、皺紋和其他機械損傷 10

由於氫氣會增加疲勞裂紋擴展速率並降低斷裂韌性,特別是在現有缺陷處,這意味著對於天然氣可接受的缺陷程度,對於氫氣可能成為關鍵缺陷。這表明,目前針對冷作彎曲的品質控制標準,雖然足以應對天然氣,但對於氫氣服務可能需要顯著收緊或重新評估,這可能會增加製造成本或需要更先進的現場監測技術。

表1:常見冷作彎曲缺陷、原因與緩解策略

 

缺陷名稱 行業描述 常見原因 預防技術/工具解決方案 可接受限制
截面扁平化(橢圓度) 彎曲過程中橫截面非均勻壓縮與拉伸導致扁平化,尤其在小半徑彎曲處。 內部支撐不足(芯棒),壓力模具和彎曲模具設置不當,過度壓縮力。 使用球形或塞式芯棒,確保正確的中心線半徑/直徑比(通常≥1.5D),施加增壓以保持形狀。 ≤5–8%(通常),≤10%(某些標準) 10
內壁起皺 內半徑處的波浪狀變形,由壓縮屈曲引起。 刮刀模具設置不當,芯棒類型或位置不正確,壁厚與中心線半徑(CLR)比值過大。 添加/調整刮刀模具和芯棒。 零容忍 10
外壁變薄 外半徑處的拉伸導致壁厚減小。 中心線半徑過小(緊密彎曲),彎曲時張力不足,工具幾何形狀不正確。 增加中心線半徑(CLR),使用增壓輔助系統。 ≤10–12%(結構完整性),≤7%(高壓液壓系統) 25
回彈 彎曲後管線 的彈性恢復。 材料彈性,工具半徑。 通過CNC補償過度彎曲,使用較小的工具半徑,應用熱處理或使用熱處理材料,選擇高延展性材料。 需通過過度彎曲補償 11
屈曲/扭結 由於壁厚過低或無支撐長度過長導致的變形。 低壁厚,長無支撐長度。 增加管壁厚度,使用增壓輔助彎曲,減少彎曲角度或半徑。 避免發生 25
裂紋 彎曲過程中或之後材料表面出現裂縫。 材料延展性低,彎曲角度過大,潤滑不良。 減少彎曲角度,使用退火管材,改善潤滑。 零容忍 11

 

3. 氫氣服務中的材料相容性與完整性

 

3.1 氫脆(HE)的理解:機制與敏感性

 

氫脆(HE)是一種複雜的現象,其中氫氣滲透到材料中,降低其強度、拉伸延展性和斷裂韌性,使其容易在低於屈服應力的情況下開裂並發生災難性脆性斷裂 2。氫脆的發生需要三個條件同時滿足:氫氣氛圍、特定的材料特性和應力產生 32

氫脆的機制包括:

  • 內壓: 在高氫氣濃度下,吸收的氫原子在空隙中重新結合形成氫分子(H2),產生內部壓力,可能導致裂紋(氫致裂紋,HIC)和起泡 31
  • 氫增強局部塑性(HELP): 氫氣會增加裂紋尖端位錯的形核和移動,導致局部延性失效,但宏觀表現為脆性斷裂 31
  • 氫增強脫黏(HEDE): 間隙氫降低了金屬原子斷裂所需的應力,特別是在局部氫濃度高的地方(例如,裂紋尖端、應力集中器) 31
  • 金屬氫化物形成: 脆性氫化物的形成(例如,在釩、鎳、鈦合金中)可能導致不規則的體積膨脹和延展性降低 31
  • 相變: 氫氣可以在某些材料中誘導相變,而新形成的相可能延展性較差 31

氫脆在鋼材中於室溫附近達到最大,而大多數金屬在150°C以上對氫脆相對免疫 31。由於氫脆涉及多種機制,這意味著解決氫氣相容性問題不是單一的材料科學問題,而是一個多方面的挑戰,需要全面考慮材料的本體性能、微觀結構特徵、應力狀態(包括冷作彎曲產生的殘餘應力)以及環境因素(溫度、壓力、雜質)。

此外,氫脆在室溫下達到最大影響。管線在施工、停運或日常運行中會經歷不同的溫度。如果氫脆在室溫下更嚴重,那麼較低溫度操作或非操作期間就成為關鍵的風險點,即使主要操作溫度較高也是如此。這表明,在設計和操作協議中,必須考慮整個溫度範圍,而不僅僅是峰值操作條件,因為在環境溫度下運行或經歷溫度波動的管線,其風險更高。

 

3.2 氫氣對管線鋼材機械性能的影響

 

氫氣對管線鋼材的機械性能產生顯著影響:

  • 疲勞裂紋擴展速率(FCGR): 氫氣顯著增加常用管線鋼材的FCGR,其速率比天然氣服務高10-50倍 2。這種影響在低應力下不明顯,但在較高應力下(例如,>250 MPa)變得顯著,使疲勞壽命縮短三倍 35。氫氣對裂紋萌生影響最小,但對裂紋擴展壽命影響顯著 35。氫氣對裂紋擴展的影響遠大於裂紋萌生,這意味著如果裂紋已經存在(例如,由於冷作彎曲缺陷),它在氫氣環境中會以更快的速度擴展。考慮到管線中通常存在預先存在的缺陷,這是一個重大的隱憂。這表明,氫氣對裂紋擴展的影響不成比例,將完整性管理的重點從單純預防新裂紋轉向積極檢測和監測現有亞臨界缺陷,這可能需要更頻繁和更先進的檢測技術。
  • 斷裂韌性(FT): 氫氣會降低管線鋼材的斷裂韌性,抗拉強度較高的金屬在接觸氫氣時斷裂阻力降低幅度更大 2。最新數據顯示,碳鋼的斷裂韌性可能顯著下降,閾值韌性(Kth)在50至100 MPa(m)0.5之間 34
  • 延展性: 氫氣導致嚴重的延展性損失,使材料更脆,容易突然斷裂 27。隨著壓力的增加和應變速率的降低,延展性損失會更加明顯 37
  • 應力腐蝕開裂(SCC): 氫氣可以促進SCC,這是在腐蝕環境和拉伸應力共同作用下裂紋的生長 33。製造過程中的殘餘應力(例如,冷作)可能導致SCC 38

多項研究表明,氫氣會嚴重降低疲勞壽命、斷裂韌性和延展性。這些是材料抗失效能力的主要指標。如果這三項都受到負面影響,材料的整體可靠性將大幅降低。這意味著,傳統為天然氣設計的安全裕度對於氫氣來說可能不足。這表明,FCGR增加、FT降低和延展性下降的綜合效應,為管道鋼材的災難性失效創造了「完美風暴」,因此有必要對設計安全係數進行根本性重新評估,特別是對於彎曲等高應力部件。

 

3.3 冷作與氫脆敏感性的相互作用

 

冷作彎曲作為一種冷作工藝,會增加鋼材微觀結構中的位錯 18。位錯的增加會導致氫氣擴散率降低,但會增加鋼材對氫氣的吸收和捕獲 22。當氫氣損傷達到穩定狀態後,冷作鋼材的斷裂韌性會隨著冷作程度的增加而降低 23。冷作彎曲可能使管線更容易受到氫脆的影響 39。有時,熱彎曲會被優先用於熱浸鍍鋅的產品,以減輕冷作或酸洗引起的氫脆 12

冷作會降低氫氣擴散率,但會增加氫氣在鋼材中的吸收和捕獲。這表示氫氣不僅僅在材料中移動,它還會「滯留」在冷作區域。這種「捕獲」導致氫氣在局部區域濃度更高,而高局部濃度是增加氫脆敏感性的一個已知因素。這解釋了為什麼冷作彎曲的截面特別容易受到氫脆的影響,因為它產生了高局部氫濃度,從而加劇了氫脆機制。

鑑於冷作鋼材對氫脆的高度敏感性,特別是斷裂韌性的降低,冷作彎曲管線在氫氣服務中的長期性能和預期使用壽命可能會比直管段顯著縮短。這對生命週期成本分析、維護排程和更換策略產生深遠影響。

 

3.4 管線系統中的氫氣滲透與洩漏風險

 

氫氣分子尺寸較小,使其比天然氣更容易滲透,增加了在接頭、閥門和管線壁處洩漏的可能性 1。在塑膠管線中,向天然氣中添加20%的氫氣會使通過管線壁的總氣體損失量大約增加一倍 7。防止氫氣洩漏至關重要,因為大氣中的氫氣會延長甲烷的壽命,並在最初20年內產生比二氧化碳高35倍的氣候暖化影響 40。現有天然氣洩漏的歷史數據被低估,而氫氣的小尺寸加劇了這個問題 40

由於氫氣分子體積小且易於洩漏,現有天然氣管線,特別是老舊管線,若未經大幅升級密封件和洩漏檢測系統,將會帶來不可接受的環境和安全風險。這將把問題從單純的材料相容性轉變為一個系統性的完整性挑戰。

洩漏不僅是安全或環境問題,也會影響經濟效益。如果管道洩漏率因氫氣混合而增加,那麼輸送相同能量所需的燃料量也會增加,從而導致更高的運營成本,並可能侵蝕氫氣作為清潔燃料的經濟可行性。這表明,氫氣滲透和洩漏風險的增加,不僅對環境和安全構成威脅,還會導致輸送效率下降和燃料損失,從而顯著影響氫氣作為能源載體的整體經濟可行性。

 

4. 管線材料與設計要求

 

4.1 氫氣服務推薦材料

 

在氫氣服務中,材料的選擇至關重要,以應對氫脆、滲透和腐蝕等挑戰。

  • 奧氏體不銹鋼: 低碳奧氏體不銹鋼,如304L和316L,對氫致開裂表現出顯著的抵抗力,即使在高壓氫氣環境中也能保持穩定 42。它們還具有高耐腐蝕性,在廣泛的化學品和環境中都能抵抗腐蝕 43。這些材料也常用於液態氫服務,因其在低溫下的韌性 27
  • 碳鋼: 碳鋼,如ASTM A106和API 5L B級,因其成本效益和成熟的加工技術而具有吸引力 43。然而,它們通常需要塑膠塗層、聚合物內襯或環氧樹脂塗層,以防止腐蝕和氫氣滲透,特別是對於長期服務 43。API 5L X52及更低等級的碳鋼已廣泛用於陸上氫氣管道 44
  • 鎳合金: 鎳合金,如Inconel 625和Hastelloy C-276,在極端氫氣條件下表現出卓越的氫脆和腐蝕抵抗力 43。它們在高溫高壓下也機械穩定,並對多種酸、氯化物和氧化劑具有良好的化學穩定性 43。然而,其成本非常高,限制了其在特殊應用中的使用 43
  • 聚合物和複合材料: 高密度聚乙烯(HDPE)、纖維增強塑膠(FRP)和熱塑性複合管(TCP)等材料因其輕量化和易於安裝的優勢而受到關注 43。HDPE管道已被證明適用於氫氣服務,且研究表明氫氣對其短期機械性能(如拉伸性能和爆破性能)影響甚微 45。FRP管道的安裝成本比鋼管低約20%,因為FRP可以製成比鋼管長得多的部分,從而最大限度地減少焊接需求 41

材料的選擇不僅影響管線的初始成本,更會影響其在氫氣環境下的長期性能和維護需求。如果選擇的材料在氫氣中表現不佳,那麼即使初始成本較低,其在整個生命週期內的維護和更換成本也可能大幅增加。這強調了材料選擇在氫氣管線設計中的關鍵作用,它不僅關乎初始成本,更直接影響管線在氫氣環境下的長期可靠性、完整性管理策略和整體生命週期成本。

 

4.2 管線設計標準與規範

 

氫氣管線的設計和製造必須遵循嚴格的國際和國家標準,以確保安全性和完整性。

  • ASME B31.12 這是氫氣管線和管線的關鍵標準,涵蓋氣態和液態氫服務的管線以及氣態氫服務的管線 46。該標準提供了材料、焊接、釺焊、熱處理、成形、測試、檢查、操作和維護的通用要求 46。ASME B31.12還引入了材料性能係數(Mf)來考慮氫氣相關的降解,導致比其他標準更保守的安全裕度 49
  • ISO 標準: ISO 11114規定了氣瓶和附件材料與氫氣的相容性要求 50。ISO 9712則專注於無損檢測(NDT)人員的資格和認證,對於檢查氫氣設施中材料和部件的完整性和品質至關重要 50。ISO 15848描述了閥門外部密封性的測試方法,以最大限度地減少洩漏 50。ISO 14687和DIN EN 17124定義了氫氣燃料的純度和品質要求 50
  • 其他標準與指南: EIGA IGC 121/14描述了適用於氫氣的各種金屬材料和塑膠材料 50。PHMSA(美國管道和危險材料安全管理局)負責制定和執行標準,並進行研究以防止事故 51

這些標準的制定主要基於對傳統油氣管線材料行為的理解,但氫氣的獨特特性對材料性能產生了額外且更嚴峻的挑戰。這意味著,僅僅遵循現有標準可能不足以確保氫氣管線在所有操作條件下的長期安全性和可靠性,特別是在考慮到冷作彎曲等特定製造工藝的影響時。因此,需要持續的研究和標準更新,以彌補現有知識與氫氣服務實際需求之間的差距。

 

4.3 冷作彎曲管線在氫氣服務中的設計考量

 

冷作彎曲管線在氫氣服務中的應用需要特別的設計考量,以應對其獨特的挑戰。

  • 殘餘應力與應變: 冷作彎曲會產生顯著的殘餘應力,特別是在彎曲的內表面,這可能成為循環載荷下疲勞開裂的潛在來源,也更容易受到應力腐蝕的影響 21。這些殘餘應力與氫氣的結合,可能加速材料降解。
  • 缺陷與幾何不規則性: 冷作彎曲過程中可能出現橢圓度、內壁起皺和外壁變薄等缺陷 24。這些幾何不規則性會導致應力集中,進一步增加氫脆和疲勞失效的風險 24
  • 材料性能變化: 冷作會增加位錯密度,雖然會降低氫氣擴散率,但會增加氫氣在鋼材中的吸收和捕獲,從而降低斷裂韌性 22。這使得冷作彎曲的管道比直管段更容易受到氫脆的影響 39
  • 疲勞壽命: 氫氣顯著增加疲勞裂紋擴展速率,降低疲勞壽命,尤其是在高應力水平下 34。管道彎曲處的應力集中會加劇這一問題。
  • 操作條件: 氫氣管道可能需要承受高達每日最大壓力80%的顯著壓力波動 44。這種循環載荷會對管線材料,特別是彎曲處的疲勞性能產生重大影響。

管線彎曲處的應力分佈複雜,且冷作彎曲引入的殘餘應力會與操作應力疊加。在氫氣環境中,這種疊加效應會顯著加速疲勞裂紋的萌生和擴展,導致管線的實際疲勞壽命遠低於僅考慮天然氣服務時的預期。這表明,傳統的應力分析和疲勞設計方法可能無法充分捕捉冷作彎曲管線在氫氣環境下的真實行為,因此需要開發更精確的數值模型和實驗驗證,以確保其長期可靠性。

 

5. 營運、維護與安全考量

 

5.1 營運條件與挑戰

 

在氫氣與天然氣混燒的先進氣渦輪機組中,管線系統的營運面臨多重挑戰:

  • 燃料成分波動: 氣渦輪機需要能夠燃燒100%天然氣到100%氫氣的廣泛混合物,並容忍燃料成分的快速變化 4。這要求燃料供應系統具備高度的靈活性和精確的控制能力。
  • 高壓與溫度: 先進氣渦輪機在25個大氣壓或更高壓力下運行 5。氫氣通常被壓縮至35至150巴(約500至2,200 psi)用於管線輸送 52。這些高壓條件會加劇氫脆和洩漏風險 40
  • 自燃與燃燒特性: 氫氣與天然氣混合物的自燃溫度在高壓下表現出複雜且有時反直覺的行為 5。氫氣的火焰速度更快,燃燒溫度更高,且火焰不可見,這增加了意外點火和設備損壞的風險 1
  • 能量輸送能力: 由於氫氣的單位體積能量密度較低,在固定壓降下,管道輸送能量的能力會降低 2。為維持能量輸送能力,可能需要增加流量,但這會導致壓縮能耗顯著增加 7
  • 壓縮機要求: 為了匹配能量流,隨著氫氣混合比例的增加,現有管線氣體壓縮機的驅動功率需要增加 7。對於100%氫氣,壓縮機驅動功率可能增加高達三倍 7。此外,目前用於壓縮機的材料可能與氫氣不相容,需要更換 40

在氫氣服務中,管線系統可能需要承受高達每日最大壓力80%的顯著壓力波動。這種高頻率、大範圍的壓力循環對管道材料的疲勞性能構成嚴峻考驗,特別是在冷作彎曲等已存在殘餘應力和微觀結構變化的區域。這表明,與傳統油氣管線相比,氫氣管道的運行模式可能更具動態性,這要求更為嚴格的疲勞設計和監測策略,以確保在這些劇烈波動條件下的長期完整性。

 

5.2 完整性管理與長期性能

 

確保氫氣管線的長期完整性需要全面的完整性管理計畫:

  • 加強檢測頻率與嚴格性: 由於氫氣會增加疲勞裂紋擴展速率並降低斷裂韌性,管線檢測的頻率和嚴格性需要增加,以確保安全輸送氫氣 7。超聲波檢測和磁粉檢測等先進檢測方法可用於發現內部和表面缺陷 30
  • 缺陷監測與評估: 管線中現有的裂紋狀缺陷在氫氣存在下更容易擴展 7。需要進一步研究現有鋼材在氫氣環境下的疲勞和斷裂行為,以識別限制行為 36
  • 殘餘應力管理: 冷作彎曲引起的殘餘應力,特別是拉伸殘餘應力,是疲勞開裂和應力腐蝕的潛在來源 21。需要採取措施減輕或監測這些應力,例如通過低溫退火或脫氫處理 53
  • 塗層與內襯: 聚合物、金屬、陶瓷和複合材料塗層或內襯可以作為氫氣屏障,減少滲透和腐蝕 43。環氧樹脂、聚乙烯(PE)和纖維增強聚合物(FRP)等商業化內部塗層和內襯預計能滿足氫氣服務的最低要求 54
  • 材料相容性評估: 需評估氫氣對不同材料和設備(如塑膠管道、壓縮機、閥門和非管道設備)的影響 36。儘管HDPE管道對氫氣具有良好的相容性,但仍需進一步研究其長期機械性能 45
  • 預期壽命: 由於冷作彎曲會增加氫脆的敏感性,冷作彎曲管線在氫氣服務中的預期壽命可能需要重新評估,並可能短於直管段 39

由於冷作會增加氫氣在鋼材中的吸收和捕獲,並降低斷裂韌性,這意味著冷作彎曲管線在氫氣環境下的壽命將比直管段縮短。這對項目規劃者來說,必須考慮到這些特定組件的加速降解和潛在的早期更換。因此,鑑於冷作鋼材對氫脆的高度敏感性,特別是斷裂韌性的降低,冷作彎曲管線在氫氣服務中的長期性能和預期使用壽命可能會比直管段顯著縮短,這對生命週期成本分析、維護排程和更換策略產生深遠影響。

 

5.3 安全考量與認證要求

 

氫氣的應用帶來了獨特的潛在安全風險,需要嚴格的認證和安全措施:

  • 洩漏檢測: 氫氣無色無味,洩漏難以察覺 1。需要部署專門的氫氣感測器、聲學感測器以及配備熱成像攝影機的無人機,以實現及時洩漏檢測 30
  • 燃燒風險: 氫氣具有更廣的燃燒範圍和更小的爆震單元尺寸,燃燒速度更快,且火焰不可見 1。這增加了回火、氣體積聚、設備損壞和爆炸的風險 1。住宅設備可能需要重新設計以適應更高比例的氫氣 1
  • 材料與設備相容性: 氫氣會導致鋼鐵材料開裂,並滲透塑膠管線 40。現有天然氣管道材料可能不完全適用於氫氣服務 40
  • 應急響應: 洩漏和火災的風險增加,要求制定全面的應急響應計畫 40
  • 認證與標準: 材料和組件必須通過「H2-Ready」認證,以證明其在加壓氫氣下的相容性和可靠性 58。認證過程通常包括規範評估和加壓氫氣下的物理測試 58。ASME B31.12等標準提供了氫氣管線設計、製造和測試的指導 44

氫氣的化學性質使其比天然氣更具爆炸性,且其無色無味的特性使得洩漏難以察覺。這意味著即使是小規模的洩漏,也可能迅速升級為嚴重的安全事故。這強調了在氫氣基礎設施中,僅僅依賴傳統的安全措施是遠遠不夠的,必須採用更為嚴格和先進的洩漏檢測技術、安全防護措施以及應急響應協議,以應對氫氣帶來的獨特風險。

 

6. 結論與建議

 

先進氣渦輪機組中氫氣與天然氣混燒能力的發展,對實現能源轉型和減少碳排放至關重要。冷作彎曲管線作為此類基礎設施的關鍵組成部分,因其經濟和施工效益而備受青睞。然而,氫氣的獨特物理化學特性,特別是其對管線材料的影響,為冷作彎曲管線的應用帶來了顯著的工程挑戰。

本報告的分析表明,儘管冷作彎曲在成本效益和施工靈活性方面具有優勢,但其在管線中引入的殘餘應力、微觀結構變化和潛在缺陷,與氫氣的氫脆、滲透和加速疲勞裂紋擴展等特性相互作用,可能導致管線在氫氣服務中的完整性風險顯著增加。特別是,冷作彎曲區域可能成為氫致降解的優先發生點,這對管線的長期性能和預期壽命產生深遠影響。此外,高壓下氫氣-天然氣混合物的複雜燃燒特性,以及氫氣洩漏對環境和安全的潛在影響,都要求對現有設計、操作和維護策略進行根本性重新評估。

為確保先進氣渦輪機組中具備氫氣與天然氣混燒能力的冷作彎管管線的安全可靠應用,提出以下建議:

  1. 嚴格的材料選擇與品質控制:
    • 優先選擇對氫脆具有高抵抗力的材料,如低碳奧氏體不銹鋼,並對碳鋼管線採用有效的內部塗層或內襯。
    • 對冷作彎曲過程實施更嚴格的品質控制標準,特別是針對橢圓度、起皺、變薄和殘餘應力,確保缺陷水平遠低於天然氣服務的現有標準。
    • 在設計階段充分考慮冷作彎曲引起的材料性能變化,並在材料規範中明確要求對冷作彎曲後的材料進行氫氣環境下的機械性能測試。
  2. 優化設計與工程分析:
    • 開發和應用更精確的數值模型,以預測冷作彎曲管線在氫氣環境下複雜應力狀態下的疲勞壽命和斷裂行為。
    • 重新評估和調整設計安全係數,以適應氫氣對材料疲勞壽命、斷裂韌性和延展性的負面影響。
    • 考慮在冷作彎曲區域採用局部強化措施或替代材料,以降低氫脆敏感性。
  3. 先進的完整性管理與監測:
    • 大幅增加氫氣管線(特別是冷作彎曲區域)的檢測頻率和嚴格性,採用超聲波、磁粉檢測和光纖感測器等先進技術進行實時監測。
    • 建立完善的缺陷監測和評估計畫,並針對氫氣環境下的亞臨界缺陷擴展行為進行深入研究。
    • 實施有效的洩漏檢測策略,包括使用高靈敏度氫氣感測器和無人機熱成像技術,以應對氫氣的滲透性和無色無味特性。
  4. 持續的研發與標準更新:
    • 鼓勵和資助針對冷作彎曲管線在長期氫氣服務中行為的進一步研究,特別是關於氫氣與冷作誘導微觀結構和殘餘應力的相互作用機制。
    • 積極參與國際標準的制定和更新,確保新的標準能夠充分反映氫氣服務的獨特挑戰和最新的研究成果。
    • 探索和開發新型氫氣相容材料和製造工藝,以克服現有技術的局限性。

透過實施這些建議,能源行業可以更安全、更可靠地將氫氣整合到先進氣渦輪機的燃料供應鏈中,從而推動全球能源結構向更清潔、更可持續的方向發展。

(照片為:H2壓縮機機台組裝/白鐵316L管線冷作彎管&配管組立銲接)

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