从氢气管道设计施工、安全运维等方面，考虑氢气管道不同于天然气管道的特殊性及国外标准中重点关注的相关参数，从管材及连接工艺、管内安全流速、管道壁厚设计、管道失效潜在影响范围、管道埋深与安全间距以及管道损伤修复6个方面对现有氢气管道相关标准进行对比分析。
3.1 管材及连接工艺
金属材料长时间工作在临氢环境下其物理性能将发生劣化（即氢脆），因此氢气用管材在合金元素、强度等级、操作压力等方面存在一定的限制。C、Mn、S、P、Cr等合金成分会提高合金钢的氢脆敏感度，与此同时，氢气工作压力越大、材料强度越大，氢脆和氢致裂纹扩展更为明显。因此，氢气用管材的选择需要考虑氢脆、热稳定性变化、低温特性变化等诸多因素。
北美ASME标准根据管材钢级确定其是否适用于纯氢管道，推荐采用API 5L中的X42、X52两种钢级的管材，当管材钢级增大（高于X65）时，运行压力不得超过10.5 MPa。选用X52及以上的无缝钢管时，建议采用淬火+回火态，可得到细小弥散的球状碳化物组织，消除淬火产生的马氏体组织。该标准给出了可直接用于纯氢管道的管材类别，以及需要满足测试性能要求才能应用的管材。运用北美ASME标准对氢管道选材时，应严格遵守其相关规定。
欧洲CGA标准与亚洲AIGA标准则建议按照材料硬度选择管材，管材硬度不超过22 HRC或250 HB （等同于抗拉强度800 MPa）时可用于输氢管道。避免使用过硬、过高强度合金以及洁净度低的钢材。如果无法满足上述条件，则需降低运行压力。
在中国标准中，对氢用管材的定量要求相对较少。GB 50177—2005中规定氢气管道应选用无缝钢管。GB/T 29729—2022中则建议选材时需考虑材料与氢气及使用环境的相容性，金属材料宜选用低碳钢，推荐使用S31603、S31608及6061；非金属材料则规定，应选择具有良好的抗氢渗透性的材料。
事实上，已有研究表明，氢对高压管线钢的屈服强度和抗拉强度影响较小，但混氢后管材塑韧性显著降低，疲劳裂纹扩展速率明显加快[13-20]。对于配送管道中广泛使用的低强度钢，主要的氢损伤形式为韧性损减和氢鼓泡，损伤严重程度取决于氢含量与操作压力。因此，为保证临氢管道管材选择及管件设计的准确性，对于与氢气直接接触的金属材料，在条件允许的情况下，应在与使用条件相当的温度和压力范围内，对材料进行相容性测试。试验种类主要包含慢应变速率拉伸试验、断裂韧性试验、疲劳强度试验及圆盘压力试验等[21-22]。GB/T 34542.2—2018《氢气储存输送系统 第2部分：金属材料与氢环境相容性试验方法》与欧洲CGA标准中还要求拉伸试验采用光滑试样或带缺口圆棒试样，光滑式样标距段的应变速率不应超过2×10-5 s-1，带缺口圆棒试样以缺口为中心，长度为25.4 mm试样段的应变速率不应超过2×10-6 s-1。但在氢气环境下拉伸指标降至何值为合格，标准中并未给出试验判定依据。
除管材外，标准还对阀门及管道连接工艺进行了规定。中国标准普遍推荐使用密封性能好的球阀与截止阀，国外标准则建议按照材料性能及运行工况选择适合氢环境的阀门。焊接是长输管道的重要连接工艺，其热作用会导致接头部位出现严重的组织不均匀和复杂的残余应力，加剧氢致失效风险[23]。已有研究表明，焊接残余应力会导致管线钢中的氢扩散，增加焊接区域裂纹扩展速率。鉴于此，氢气管道对于焊接工艺有更高的要求。在北美ASME标准中，对焊接工艺在焊接形式、预热与焊后热处理退火速度、焊接操作等方面均有详细规定。
3.2 管内安全流速
管道内氢气流速需同时考虑经济性和安全性。氢气具有点火能低、燃烧与爆炸极限宽、燃烧速度快等特点[24]，高速流动的氢气与管道内铁锈杂质摩擦易形成静电火花。氢气的声速是大多数可燃气体的4倍，欧洲CGA标准与亚洲AIGA标准中提示需关注管道中流速接近声速时阀门处冲蚀作用带来的危害。此外，氢气管道中的高流速会增加湍流和压降，从而产生过大的空气动力噪声，因此应适当控制氢气管道内流速。北美ASME标准中建议采用较低流速，最大速度不得超过峰值条件下的冲蚀速度，并给出了冲蚀速度计算公式，压力低于1 MPa时，冲蚀速度随压力增大显著降低，之后逐渐趋于平缓（图2）。
图2 依据不同标准冲蚀速度计算公式得到的管道内氢气流速随压力变化曲线Fig. 2 Change curves of hydrogen flow rate with pressure in pipeline calculated from the erosion velocity formula according to different standards
GB 50177—2005参照氧气流速规定了氢气管道在不同管材和压力下的最大流速，低于北美ASME标准中对于流速的限制。但从安全角度而言，氢气与氧气在管道内流动存在本质区别，氢气的燃烧爆炸极限为4％~75.6％（体积分数），在正常工况下，氢气管道内氧气含量极低，在爆炸极限范围外，且在弱氧环境中，难以形成氧化铁。理论上氢气在管道内发生燃烧的概率极小，仅当气体发生泄漏时，燃烧爆炸风险才急剧升高，氢气流速对于气体泄漏的影响远不如操作压力的影响大。因此，参照氧气流速限制氢气流速的方法有待商榷。
3.3 管道壁厚设计
考虑氢气对金属材料力学性能的不利影响，北美ASME标准在壁厚设计时增加了材料性能系数，即：
式中：p为管道设计压力，MPa；S为管材最小屈服强度，MPa；δ为公称壁厚，mm；dN为公称直径，mm；F为设计系数，根据场所类别选择；fT为温度折减系数；fE为轴向接头系数；fH为材料性能系数。
材料性能系数的存在增加了管道壁厚，降低了设计压力，进一步保障了氢气管道的安全性。X42、X52钢在压力较小时材料性能系数为1.0（表2），是当前进行掺氢/纯氢改输较为理想的管道类型。此外，北美ASME标准还提出了基于材料性能的设计方法，该方法依据ASME BPVC 3-2023《压力容器建造规则》中的试验要求，材料必须在室温及不小于设计压力的临氢环境下进行测试，以确定材料具有合适的抗断裂性。在基于材料性能的设计方法中，材料性能系数取值为1.0。
表2 不同管材在不同设计压力下的材料性能系数表Table 2 Performance coefficient of various pipes under different design pressures
3.4 管道失效潜在影响范围
氢气无色无味，泄漏后难以被发现，若泄漏后被立即点燃会产生喷射火焰，在受限空间内聚集，与空气充分混合后将发生氢气云爆炸，甚至引发爆燃爆轰，危害性极大。准确计算管道潜在影响区域，对于管道安全运行以及人员、财产安全具有重要意义。相比于爆炸超压，长输管道喷射火引发的热辐射影响范围更大。欧洲CGA标准中推荐使用Eisenberg热辐射剂量法，针对不同暴露时间给出了伤害水平，根据伤害水平可接受程度确定危险范围。伤害/死亡概率与热辐射剂量的关系式为：
式中：D为不同伤害概率下的热辐射剂量；t为暴露持续时间，s；I为热辐射强度，W/m2。
北美ASME标准给出了更简洁的计算方法，通过管道最大允许工作压力和管径确定1％致死量（15.8 kW/m2）的影响半径：
式中：r为潜在影响半径，m；pM为管道最大允许工作压力，MPa；d为管道外径，mm。
中国标准暂无针对氢气管道潜在影响半径的计算方法。GB 32167—2015《油气输送管道完整性管理规范》中规定了天然气管道的潜在影响半径计算方法：
对比式（3）与式（4）计算系数可知，氢气管道的潜在影响范围较天然气管道更小。但由于氢气极易泄漏且点火能低，事故发生概率更大，氢气安全性尚需开展更多研究。
3.5 管道埋深与安全间距
关于最小埋地深度，欧洲CGA标准中内容较少，仅在第4.5节中提到埋地管道应有足够的埋深，以避免霜冻及第三方破坏；同时为避免雷击，埋地氢管道应与其他管道及金属结构保持一定的距离。北美ASME标准和中国标准对此做出了详细的规定（表3）。与针对天然气管道的GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》相比，氢管道的安全间距要求较之天然气管道更大，这是因为氢气分子量小、扩散系数大、极易泄漏扩散，适当增加管道安全间距，可有效避免第三方破坏导致的多米诺效应。
表3 不同标准对氢气管道埋深及安全间距要求统计表Table 3 Statistics on requirements of different standards for burial depth and safe spacing of hydrogen pipelines
3.6 管道损伤修复
管道经过多年运行后，由于腐蚀、运行管理不善等原因，不可避免地会产生各种损伤和泄漏，而更换新管道不仅工程量庞大，且耗资大、工程期长[25]，因此在役管道需要及时开展检测与修复。中国管道修复作业方面的标准有GB/T 28055—2011《钢质管道带压封堵技术规范》、SY/T 7033—2016《钢质油气管道失效抢修技术规范》等，是油气管道维抢修的核心标准，适用于钢制油气管道，规定中未明确是否适用于氢气管道。标准中详细叙述了补板修复、套筒修复、卡具修复及换管修复4种不同修复方式的作业内容。北美ASME标准中则禁止将焊接补板作为氢气管道的修复方式。总体而言，国内外标准在氢气管道抢修内容方面缺少具体要求。氢气管道的点火能量低于天然气，对抢修的要求更高。在不增加安全风险的前提下，氢气管道的修复作业可参照天然气管道的内容，但需要分析抢修内容的适用性。
