武科大师生团队破解输氢管道“氢脆”难题

时间：2025-07-01 14:54   浏览：18
近日从武汉科技大学获悉，该校材料学部师生团队研发“夹杂物功能化设计与精准构筑关键技术”，成功攻克输氢管道因“氢脆”引发裂纹的难题，研发的高强抗氢脆管线钢助力国家“西氢东送”等重大工程。
在“双碳”战略驱动下，我国西部年产千万吨绿氢需东输，却面临输氢管道“氢脆”的世界性难题：氢原子渗入钢材后，被内部大尺寸氧化物、硫化物等夹杂物吸引聚集，引发裂纹甚至爆炸。这些夹杂物实为“氢脆”的罪魁祸首。
现有管道主要依赖合金钢或超纯净钢，但二者成本高昂，后者更是工艺复杂、难以兼顾抗高压与抗氢脆性能。技术瓶颈直接导致我国输氢基建严重滞后：纯氢管道仅约400公里，远低于美国（2700公里）和欧洲（1770公里），大规模“西氢东送”亟需低成本、高性能的管道技术突破。
2022年，该校材料科学与工程专业2023级硕士生答国宇开展企业调研时关注到“氢脆”难题。面对夹杂物对“氢脆”影响机制不明、现有技术局限等困境，团队自主创新低成本快速原位氢表征技术，发现部分夹杂物存在有利氢陷阱，更容易把氢捕获住。“钢中夹杂物常被视为‘肿瘤’，以往都是剔除为主。”答国宇介绍，“基于新发现的理论，我们另辟蹊径，为其‘做手术’实现变害为利。”

团队自主研发“夹杂物功能化设计与精准构筑关键技术”，通过三大突破显著提升输氢管线钢安全性与经济性：首次提出“核-壳”构型复合夹杂物结构-功能一体化思路，用硬质氧化物内核“包覆”氢原子，软质硫化物外壳缓解压力，使材料抗裂能力提升十倍；自主研发低成本氢观测装置替代百万进口设备；冶金新工艺使炼钢成本降低30%。中国工程院院士张联盟高度评价道：“该技术国际领先，研发产品填补了国内空白！”

技术的难点便是如何在炼钢过程中对夹杂物进行精准调控。团队经过百余次中试实践试验，找到最佳脱氧剂配比，通过在钢水中精准控制各种元素比例和环境条件，使微观粒子形成“硬核包软壳”结构，成功将钢中有害夹杂物转变为多功能抗氢脆基元。

目前，武钢已应用该技术并通过了国家输氢管道重点示范工程项目认证。团队已获4项发明专利、发表SCI/EI论文10篇，正与中石化、三一重工等十余家企业推进产业化应用。项目团队指导老师、该校材料学部黄峰教授表示，该技术为全球范围内大规模、安全经济的氢气长距离输送提供了“中国方案”。此外，还能应用于高压储氢罐、高强汽车板等钢生产，实现对钢材的定制化生产，以满足不同环境下的需求，已产出系列产品服务“中俄东线”“西气东输”等国家战略工程，有力提升中国钢铁工业的国际影响力。

        6月29日，来自华能福州电厂的高品质稳定蒸汽，跨越首石山，穿越24公里，输送至位于福州新区（长乐区）金梅潭工业区的厚东针织染整有限公司蒸汽联箱。这标志着华能福州新区（长乐区）北区集中供热工程首批用户供汽成功。

  华能福州电厂供热办主任刘灿华介绍，该项目是省重点项目，也是福州新区（长乐区）推进污染防治攻坚的重点项目，将推动福州新区（长乐区）传统印染行业转型升级，为产业发展提供优质稳定蒸汽。此外，还可替代企业自营小锅炉，实现用热企业无煤化生产。

  据悉，该项目以华能福州电厂为热源点，建设通向福州新区（长乐区）北部各工业区的供热蒸汽管网，管道总长约82公里。项目建成投产后，预计全年可节约标煤36．7万吨，减少34．2万吨二氧化碳排放，助力地区实现“双碳”目标。

  该项目是省内最长的供热管道工程，翻越山峰高差达500米，沿线涉及6个乡镇30多个村庄。在项目推进过程中，华能福州电厂克服复杂地形地貌与恶劣气候条件，于2024年底实现第一标段26．3公里管道全线贯通。进入第二和第三标段施工，项目建设从山林转至城镇，协调任务更加繁重，项目推进更加困难。

  华能福建分公司党委带领华能福州电厂开展了一系列攻坚工作。依托“供热工程攻坚”党员突击队、青年突击队，全体项目管理人员自春节后移师施工现场办公，与施工单位一起“吃在现场、住在现场”，全身心投入到工程安全、质量、进度管理中，及时梳理并解决工程推进的各类难题堵点，督导施工单位根据工期计划落实人员、物资、机械等安排。在确保安全、质量的情况下，有利天气全速施工、夜间雨天抢抓施工，工程第二标段连续3个月完成月度管道安装超3000米。6月24日12：00启动水压试验，6月27日23：48水压试验一次成功，迅速开始管道吹扫、暖管，加速攻克各项节点任务。经过连续3天的彻夜奋战，6月29日下午，华能福州新区（长乐区）北区集中供热工程凤洋支线水压试验及管道蒸汽吹扫一次合格，低压管道接入厚东、华良两家印染厂并试运行合格，成功实现用户供汽。

日前，河北亚都管道装备集团有限公司质保部部长程万林陪同客户，对公司总厂原材料库、研发中心以及推制、压制等车间逐一进行生产和检验能力审查。“接待客户的定期审查，是公司日常工作的一部分，也是公司展示实力的窗口之一。”程万林说。
位于河北省孟村回族自治县的河北亚都，主要生产和销售钢制弯头、弯管、三通、四通、法兰、配管等管道产品，在高温高压厚壁大口径合金钢管件以及不锈钢管件生产方面具备领先优势。公司凭借技术创新，发展为河北省高新技术企业、河北省专精特新示范企业，产品直供石油、化工、燃气、电力、锅炉、供热等行业头部企业。
在公司的热处理车间，程万林指着370立方米容积的固溶池说，在这里，公司研发团队成功完成了“热处理对中频感应加热推制弯头芯棒模具的影响”研究。从前，生产弯头用的推制弯头芯棒由高合金不锈钢铸造而成，造价昂贵，且在使用一定周期后会造成损坏。为减少推制厚壁弯头时芯棒断裂的情况，公司技术团队经过反复试验后发现，采用固溶热处理工艺（从高温状态快速入水冷却），可改善不锈钢材质芯棒的金相组织、提升抗拉强度、延长使用寿命。
为验证试验成果，研究人员铸造一个芯棒和两个试块，在未经热处理情况下，对第一个试块做性能试验和金相检验；对第二个试块和芯棒进行热处理，并做相关性能试验和检验。“通过不断摸索和试验，我们发现，经过热处理的芯棒具有更优良的拉伸、抗冲击等性能，而且使用寿命可延长1倍以上。”程万林说，这一成果应用到生产后，每年为公司节省芯棒投入近250万元。
P91高合金钢材料是电厂主蒸汽管道中的核心部件。为解决这一高压管件高温成型过程中容易出现的晶粒度粗大、硬度不均匀等问题，公司研发中心采取对比实验方式，研究出改善P91钢管晶粒度和级差的分段热处理工艺。经过新工艺处理的管件，具有更细的晶粒度、更小的级差和更均匀的硬度，不仅提升了产品质量，而且大幅降低了产品报废率和能源消耗。
“企业只有不断创新，才能行稳致远。”公司董事长高砚松介绍，目前，公司的创新主要体现在转变经营理念、革新生产工艺及培养技术人才等方面。2023年，研发投入近1570万元，占销售收入总额的3%左右。目前，公司拥有实用新型专利33项。
近年来，河北亚都与高校和科研院所以合作促研发。公司与高校开展合作，依托亚都研发中心，共同成立校企合作基地，共建河北省合金管道管件技术创新中心和超高压管件河北省工程研究中心，确立“超高压和合金管道管件结构设计技术、成型工艺技术、焊接和热处理技术”3个主要研究方向，专注高压管道管件的研发。“管道装备制造业是孟村回族自治县的支柱产业，河北亚都不断强化创新主体地位，依托技术创新中心和科技创新平台，开展共性技术研发，提升产业集群核心竞争力，起到良好的示范效应。”孟村回族自治县科学技术和工业信息化局局长白雪冬说。

“今后，我们要继续坚持创新驱动发展，推进管道装备产业向高端化、智能化、绿色化方向迈进。”高砚松说。

2025中国（沧州）管道装备展览会将于2025年9月11日-13日，在沧州国际会展中心举办，此次展览会不单单是对管道技术装备和产品的一次集中展示，更是推动管道行业发展的重要契机，加快管道行业的技术创新和产业升级，为沧州乃至全国的管道产业链上下游企业搭建一个供需交流合作的重要展会平台。