新型轻质高强度氢能输送管道的研制

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.11.016

中国塑料 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (11): 100-107.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2025.11.016

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新型轻质高强度氢能输送管道的研制

程德宝¹(), 李召勇², 韦恃怡³, 项鲁冰³, 赵晓颖³(), 项爱民³()

^1.河北宇通特种胶管有限公司，河北衡水 053000
^2.德州市知识产权保护中心，山东德州 253000
^3.北京工商大学轻工科学与工程学院，北京 100038

收稿日期:2024-12-05 出版日期:2025-11-26 发布日期:2025-11-21
通讯作者: 赵晓颖，女，教授，生物可降解材料以及环境友好功能食品包装，zhaoxy@btbu.edu.cn
项爱民，女，教授，低醇解度PVA薄膜材料的研究及产业化和绿色食品包装材料，xaming@th.btbu.edu.cn
E-mail:tonycheng0633@126.com;zhaoxy@btbu.edu.cn;xaming@th.btbu.edu.cn
作者简介:程德宝，男，正高级工程师，非金属增强高压软管，tonycheng0633@126.com
基金资助:
河北省重点研发计划项目“新型轻质高强度氢能输送管道的研制”(23311201D)

Development of novel lightweight， high⁃strength multilayer composite pipelines for hydrogen transport

CHENG Debao¹(), LI Zhaoyong², WEI Chiyi³, XIANG Lubing³, ZHAO Xiaoying³(), XIANG Aimin³()

^1.Hebei Yutong special rubber tube Co，Ltd，Hengshui 053000，China
^2.Dezhou Intellectual Property Protection Center，Dezhou 253000，China
^3.School of Light Industry Science and Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China

Received:2024-12-05 Online:2025-11-26 Published:2025-11-21
Contact: ZHAO Xiaoying, XIANG Aimin E-mail:tonycheng0633@126.com;zhaoxy@btbu.edu.cn;xaming@th.btbu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

设计了一种基于聚乙烯材料的高阻隔、高强度、轻质非金属输氢管道，通过设计开发具有内管层、阻隔层、增强层和外保护层，有效避免了金属管道的氢脆问题，同时克服了承受压力有限及气体渗透的缺点。其中内管层及外保护层由聚乙烯（PE）树脂构成，阻隔层由铝箔、乙烯⁃乙烯醇共聚物（EVOH）及改性后的线形低密度聚乙烯（PE⁃LLD）组成，增强层由涤纶丝构成。结果表明，开发的输氢管道具有承压结构强度高、盘卷柔韧性能好、高阻隔、高强度，且抗气体渗透严密、使用寿命长等特点，能够满足氢能输送的要求。将为氢气输送行业提供一种操作安全、持久且高效的输氢管道方案，进而对氢能的能量转换及未来价值链的发展做出重要贡献。

关键词: 聚乙烯, 氢气输送, 复合材料管道, 改性

Abstract:

This study presents the development of a novel non⁃metallic， multilayer composite pipeline designed for hydrogen transport. Constructed primarily from high⁃molecular⁃weight polyethylene， the pipeline features a four⁃layer structure： an inner tube， a barrier layer， a reinforcement layer， and an outer protective layer. This design effectively mitigates hydrogen embrittlement， a critical limitation of metallic pipelines， while simultaneously overcoming the low⁃pressure resistance and high gas permeability of conventional polymers. The inner and outer layers are composed of polyethylene resin， the barrier layer combines aluminum foil with a blend of ethylene⁃vinyl alcohol copolymer and modified linear low⁃density polyethylene， and the reinforcement layer consists of high⁃tenacity polyester yarn. The resulting structure exhibits high mechanical strength， excellent flexibility for coiling， superior barrier properties， and long⁃term durability. This work provides a safe， efficient， and lightweight pipeline solution that supports the growing infrastructure needs of the hydrogen energy sector.

Key words: polyethylene, hydrogen transport, composite material pipe, modification

中图分类号:

TQ320.72⁺4

程德宝, 李召勇, 韦恃怡, 项鲁冰, 赵晓颖, 项爱民. 新型轻质高强度氢能输送管道的研制[J]. 中国塑料, 2025, 39(11): 100-107.

CHENG Debao, LI Zhaoyong, WEI Chiyi, XIANG Lubing, ZHAO Xiaoying, XIANG Aimin. Development of novel lightweight， high⁃strength multilayer composite pipelines for hydrogen transport[J]. China Plastics, 2025, 39(11): 100-107.

图/表 18

图1 复合抗气体渗透设计示意图

Fig.1 Schematic diagram of composite anti⁃gas permeation design

序号	PE⁃LLD/%	DCP/%	MAH/%	分散剂/%
1	100	0.6	0.5	3
2	100	0.6	1.0	3
3	100	0.6	1.5	3
4	100	0.6	2.0	3
5	100	0.6	2.5	3
6	100	0.6	3.0	3

表1 不同MAH含量的PE⁃LLD⁃g⁃MAH配方

Tab.1 Formula of PE⁃LLD⁃g⁃MAH with different MAH contents

图2 产品结构示意图

Fig.2 Product structure diagram

图3 管道端部轴向受力示意图

Fig.3 Axial force diagram at the end of the pipe

图4 管道径向受力示意图

Fig.4 Schematic diagram of radial force on pipe

图 5 增强层受力图

Fig.5 Shear diagram of reinforcement layer

图6 设计压力下纤维角度示意图

Fig.6 A schematic diagram of fiber angle under design pressure

图7 产品制造工艺流程图

Fig.7 Product manufacturing process flow chart

图8 MAH 含量对接枝率、剥离强度、MFR的影响

Fig.8 Influence of MAH content on grafting rate， MFR and melt index

图9 PE⁃LLD⁃g⁃MAH黏结聚乙烯层剥离照片

Fig.9 PE⁃LLD⁃g⁃MAH bonded polyethylene layer peeling photos

试验介质	试验温度/ ℃	P气体渗透系数/ cm³·cm·（cm²·s·Pa）^-1	D气体扩散系数/ m²·S^-1
N₂	50	3.129×10^-14	7.639×10^-10
N₂	60	3.33×10^-14	8.771×10^-10
CO₂	30	3.89×10^-14	2.38×10^-11
CO₂	50	6.25×10^-14	4.86×10^-11
CO₂	70	1.256×10^-14	8.12×10^-11
CH₄	30	1.03×10^-14	2.42×10^-11
CH₄	50	3.18×10^-14	4.13×10^-11
CH₄	70	5.98×10^-14	6.78×10^-11

表2 聚乙烯P5003D渗透检测结果

Tab.2 Polyethylene P5003D penetration test results

材料	试验介质	试验温度/℃	P气体渗透系数/cm³·cm·（cm²·s·Pa）^-1	说明
EVOH	CH₄	30	3.215×10^-16	单层膜
PE/PE⁃g⁃MAH/EVOH	CH₄	30	4.701×10^-17	多层共挤膜
PE/PE⁃g⁃MAH/EVOH	CH₄	30	2.633×10^-17	从DN102mm PN6.4MPa 管道取样
铝箔	CH₄	80	4.728×10^-16	铝塑复合片
铝箔	CH₄	80	4.341×10^-16	铝塑复合片

表3 抗气体渗透检测结果

Tab.3 Anti⁃gas permeation test results

结构	尺寸	试验介质	试验温度/℃	压力/MPa	P气体渗透系数/cm³·cm·（cm²·s·Pa）^-1	D气体扩散系数/m²·S^-1
阻隔内层	DN90	H₂	40	1	9.654×10^-13	2.769×10^-10
阻隔内层+铝箔层	DN90	H₂	40	1	6.518×10^-10	4.622×10^-10
阻隔内层	DN150	H₂	40	1	2.376×10^-13	3.524×10^-10
阻隔内层+铝箔层	DN150	H₂	40	1	3.285×10^-10	5.500×10^-10

表4 抗H2气体渗透检测结果

Tab.4 Anti⁃H2 gas permeation test results

图10 应力云图

Fig.10 Stress nephograms

图11 阻隔层和粘接层的应力云图

Fig.11 Stress nephograms of the barrier layers and bond layers

图12 内芯层2和阻隔层应力云图

Fig.12 Radial stress nephogram of aluminum foil barrier layer and inner core layer 2

图13 增强层应力云图

Fig.13 Stress nephogram of the reinforcement layers

图14 外护套层应力云图

Fig.14 Stress nephogram of the outer sheath layers

参考文献 11

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Development of novel lightweight， high⁃strength multilayer composite pipelines for hydrogen transport

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1	100	0.6	0.5	3
2	100	0.6	1.0	3
3	100	0.6	1.5	3
4	100	0.6	2.0	3
5	100	0.6	2.5	3
6	100	0.6	3.0	3

序号	PE⁃LLD/%	DCP/%	MAH/%	分散剂/%
1	100	0.6	0.5	3
2	100	0.6	1.0	3
3	100	0.6	1.5	3
4	100	0.6	2.0	3
5	100	0.6	2.5	3
6	100	0.6	3.0	3

序号	PE⁃LLD/%	DCP/%	MAH/%	分散剂/%
1	100	0.6	0.5	3
2	100	0.6	1.0	3
3	100	0.6	1.5	3
4	100	0.6	2.0	3
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序号	PE⁃LLD/%	DCP/%	MAH/%	分散剂/%
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序号	PE⁃LLD/%	DCP/%	MAH/%	分散剂/%
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4	100	0.6	2.0	3
5	100	0.6	2.5	3
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序号	PE⁃LLD/%	DCP/%	MAH/%	分散剂/%
1	100	0.6	0.5	3
2	100	0.6	1.0	3
3	100	0.6	1.5	3
4	100	0.6	2.0	3
5	100	0.6	2.5	3
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