掺氢天然气管道输送安全技术*

赵永志 张 鑫 郑津洋,3 顾超华 张 林

(1. 浙江大学化学工程与生物工程学院 化工机械研究所；2. 高压过程装备与安全教育部工程研究中心；3. 流体动力与机电系统国家重点实验室；4. 浙江工业大学材料科学与工程学院 材料成型及控制工程研究所)

掺氢天然气管道输送安全技术*

赵永志*1,2张 鑫1,2郑津洋1,2,3顾超华1,2张 林4

(1. 浙江大学化学工程与生物工程学院 化工机械研究所；2. 高压过程装备与安全教育部工程研究中心；3. 流体动力与机电系统国家重点实验室；4. 浙江工业大学材料科学与工程学院 材料成型及控制工程研究所)

介绍了利用现有天然气管道进行掺氢天然气输送的安全问题，总结了掺氢天然气与材料相容性、泄漏与积聚、完整性管理及风险评估等方面的研究现状，讨论了掺氢天然气管道输送研究进一步所需解决的安全问题。

天然气管道 掺氢天然气 相容性 泄漏与积聚 完整性管理 风险评估

化石能源的枯竭和环境问题的日益加剧迫使人们不断加大对新能源的开发和利用。风能因资源丰富、清洁无污染而受到青睐，但由于其具有波动性及随机性等特点，大规模风电利用时存在严重的弃风限电问题。我国风力资源规模大，远离负荷中心，大规模风电消纳问题更为突出。通过大规模风电制氢，并将氢以一定比例掺入天然气，组成掺氢天然气(HCNG)，然后再利用现有的天然气管网进行输送，被认为是解决大规模风电消纳问题的有效途径。掺氢天然气可被直接利用，或者将氢与天然气分离后分别单独使用。因此，该方式也被认为是实现氢较低成本远距离输送的方法。然而由于氢气对金属材料的劣化作用及其较宽的燃烧极限和更快的燃烧速率，加之天然气管道输送本身具有危险性，利用现有天然气管道输送掺氢天然气的安全性问题亟待解决。

迄今为止，欧盟的NaturalHy项目、荷兰的VG2项目、德国的DVGW项目以及美国能源部实施的氢能管道研究发展工程等均研究了掺氢天然气管道输送的安全问题。研究主要从掺氢天然气与材料相容性、泄漏与积聚、燃烧与爆炸、完整性管理和风险评估5个方面开展。笔者介绍了天然气管道输送系统和利用其进行掺氢天然气输送的安全性研究进展。

1 掺氢天然气管道输送系统

典型的天然气管道输送系统如图1所示。通过集气管道汇集的天然气需经处理以达到一定的要求，再提升至一定压力后通入天然气管网进行储运配送，最终输送到天然气的使用终端，如工业涡轮机、民用燃气设备及加气站(作为交通燃料)等。

图1 天然气管道输送系统

天然气的主要成分是甲烷，还含有少量乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳及硫化氢等。各国对管网输送的天然气气质要求有所不同，天然气成分的不同和氢的加入对管网材料的影响程度也存在差异。因此，在研究掺入氢气的影响时，应根据管网实际的输送气体成分开展论证，不可盲目照搬其他国家的研究成果。

天然气管网包括输送管道(长输管道)、配送管道以及一些调压设备、储存设备等。输送管道实现城际之间的天然气远距离输送，输送压力较高(约4～12MPa，有些达到14MPa，我国西气东输三线输送压力达到12MPa)，使用强度等级较高的钢材，如X52、X56、X60、X65、X70及X80等，一些国家正积极研发使用更高强度等级钢。输送管道中的高压气体经过减压站后进入配送管网，配送管道则将输送管道输送来的天然气以较低压力(通常小于1MPa，小部分达到3MPa)输送到终端使用设备，通常分为配送干线管道和配送民用管道。配送管道使用了多种材料，如铸铁、铜、钢和非金属材料。使用的钢通常是低强度钢[1]，如API 5L A、API 5L B、X42 和 X46；使用的非金属材料有聚乙烯(PE 63、PE 80、PE 100)、聚氯乙烯(PVC)及其他弹性体材料等。应当指出，虽然各国使用的钢材牌号大体相同，但由于各国材料的冶炼水平及制造水平等有所不同，即使同牌号钢材在性能上也有一定的差别。

由此可见，现有天然气管网材料类型多，使用环境差异大，操作压力不一，将氢气掺入天然气管网面临着复杂的安全问题。

2 掺氢天然气管道输送安全

2.1 相容性

金属材料在氢环境下有可能发生氢脆问题，引起系统构件失效，甚至导致重大事故。因此，必须研究掺氢天然气与管网材料的相容性。

2.1.1掺氢天然气与配送管道的相容性

对于配送管道中使用的低强度钢，其主要的氢损伤是韧性损减和氢鼓泡。氢损伤的严重程度主要取决于氢浓度和操作压力。因此对于所处压力较低、具有较低应力的配送管道，发生氢损伤的风险较低[2]。球墨铸铁、铸铁、锻造铁及铜等制造的配送管道，在天然气配送系统的常规工况下不需要关注氢损伤问题[1]。

天然气管网中的非金属配送管网，操作压力一般低于1MPa。研究表明，氢对聚乙烯管道的影响较小，材料在氢环境中长期服役性能未出现退化现象，其微观组织结构也未发生显著变化[3]，很少或没有氢气(或其他任何非极性气体)与聚乙烯管道发生相互作用[4]。此外，大部分的弹性体材料也与氢有良好的相容性[5]。故掺氢天然气与现有天然气管道使用的非金属材料相容性较好。

2.1.2掺氢天然气与输送管道的相容性

高压输送管道用钢，因其在操作压力下会产生较高的应力，且其钢材强度较高易发生氢脆的特点故而成为研究的重点。总体上，氢对钢材的屈服强度和抗拉强度影响较小，而会使材料的塑韧性降低[6]。普通管道等级碳钢API 5L X52和ASTM A 106等级钢已经广泛应用于低压氢气的输送，几乎没有出现问题。通过电化学充氢[7]、气相预充氢[8]或者氢气环境下动态气相充氢[9, 10]等方式研究表明：氢气对X52、X60、X65、X70、 X80、X100的屈服强度和极限抗拉强度的影响较小，而断面收缩率和断后伸长率显著减少。在5.5MPa氢气中进行的试验表明：X100断面收缩率由75%降低到30%左右[9]，而X60、X70、X80的断面收缩率由70%～90%下降到30%～60%之间，随着氢气压力的继续增加，氢气对断面收缩率的影响基本保持不变[11]。

氢气的掺入会对管线钢材的断裂和疲劳性能产生显著的影响，掺入的氢会使钢的断裂韧性减小[11, 12]。通过电化学充氢，针对带缺口试样的管道钢材X52、X70、X100的试验表明：存在氢浓度临界值，当钢中氢浓度小于临界值时，氢对裂纹起裂和完全断裂时的应力强度影响较小；而当氢浓度超过该临界值时，对裂纹产生与扩展的影响增大[13]。此外，掺入氢会加速裂纹扩展，降低门槛循环应力强度因子ΔKth，并降低疲劳寿命[14]。这种影响与氢的分压大小、应力循环特性系数、加载频率及微观组织结构等有关[15]。在加载频率1Hz，应力循环特性系数0.5时，不同压力(1.7～21.0MPa)氢气环境下，X100、X52的疲劳裂纹扩展速率均提高了一到两个数量级[14]；而在21MPa氢气环境下，X80、X60的疲劳扩展速率提高了约20倍(应力强度因子ΔK>12MPa·m1/2)[11]。氢对焊接区域也有一定的影响[16]，焊接区和热影响区的硬度水平必须进行控制，以保证它们在充氢环境下具有足够的韧性。

可见，氢气对天然气管道材料力学性能影响较大，而在掺氢天然气管道输送时，氢的影响程度与管道操作压力及掺氢的比例等有关。有研究表明：1.7MPa(10MPa管网掺入17%氢气时，其分压达到1.7MPa)的氢气也会使疲劳裂纹扩展速率增加一到两个数量级[17]。笔者所在团队研究了掺氢比例为5%、10%的氢与二氧化碳混合气体对X80钢的影响，结果亦表明疲劳裂纹扩展速率显著增大，低周疲劳寿命显著降低。

目前，针对掺氢天然气环境下材料相容性的研究较少，无法考虑氢气与硫化氢、一氧化碳及二氧化碳等气体的综合影响。此外，各国之间天然气成分、管道工况、使用历史存在差别，天然气管道材料性能也存在一定的不同，因此不可盲目照搬国外研究成果。我国尚无相关掺氢比例下管道材料力学性能的劣化规律数据。因此，必须研究一定掺氢比例下的管道材料的力学性能，确定我国天然气管网可接受的安全的掺氢比例。

2.1.3掺氢天然气与其他设备的相容性

此外，尚需研究天然气管网中储存设备及动设备等与掺氢天然气的相容性。储存设备主要是天然气储罐、储气井，目前尚未见这方面的研究成果。考虑的动设备主要是压缩机，用在天然气管网对气体进行加压调压。活塞式压缩机的动力机构是独立于工作介质工作的，而离心式压缩机的动力机构则与氢气接触。为满足相同能量需求，掺入氢气后离心式压缩机的旋转速度需提高，该旋转速度会受到材料强度的限制，而该强度也会受到掺入气体中的氢的影响[17]。此外，管网中使用的涡轮机也会受到掺入氢气的影响[18]，尚需进一步研究。

2.2 泄漏与积聚

管道输送过程中掺氢天然气的泄漏是一种连续泄漏，通常会产生气体积聚的现象，可引起窒息危险，遇明火容易发生燃爆。故需对气体的泄漏与积聚进行研究。泄漏可以分两种情况：一种是渗漏，主要发生在管道壁面和接触密封处，渗漏速度较慢；另一种是意外情况下的泄漏，主要是由自然灾害及操作问题等引起的泄漏，泄漏速度较快。

2.2.1渗漏与积聚

正常工况下，渗漏主要发生在配送管网，以从非金属材料中渗透的渗漏为主。渗漏气体的大部分是通过管道壁面渗透。由于氢较天然气中的其他分子体积更小，所以对管网中渗漏问题的研究显得非常重要。相对于甲烷，氢在管道中不存在扩散潜伏期。在天然气管道系统使用的典型管道材料中，氢气的渗漏速率一般比甲烷快4～5倍，且随着管道压力的增加氢气和甲烷渗漏的速率都会增加[19, 20]。另外，在接触密封处也存在着气体渗漏问题。天然气配送系统大多使用弹性体材料密封，相对于天然气，它对氢气的渗漏速率更高。管道中绝大多数非金属材料对氢气的渗漏速率可在美国燃气协会(AGA)[1]、欧洲工业气体协会(EIGA)及国际能源署(IEA)[2]等提供的文献中查询。对比表明，天然橡胶和丁苯橡胶对氢的密封能力相对于其他弹性体材料较差，其渗漏速率分别是在HDPE中的26、21倍。在钢和球磨铸铁中的渗漏主要是通过螺纹或机械接头。美国燃气技术研究院(Gas Technology Institute，GTI)开展渗漏测试表明，接头处氢的体积渗漏速率比天然气高3倍。

理论计算表明，若有20%氢添加到天然气管道系统中，气体渗漏损失几乎是系统只输送天然气时的两倍，但从经济性角度考虑，其影响较小[1]。一些项目试验测量了一定掺氢比例的混合气体的泄漏速率[19]。相比之下，实际测得的混合气体渗漏速率较理论计算速率更低[1]。针对荷兰供气管网，在掺入17%的氢气后，其每年渗漏损失的总量预计可达26 000m3，约占输送氢气总量的0.0005%[2]。

目前，针对渗漏现象的研究较多，而对渗漏后气体积聚行为的研究鲜有成果发表。而在含有众多密封接头的狭小空间内，由于氢渗漏速率较高，随着时间的推移渗漏气体的积累可能会带来安全问题。

2.2.2意外泄漏与扩散

意外情况下气体泄漏速度较快，且由于管道的操作压力及泄漏口大小等的不同，泄漏情况较为复杂。

掺氢天然气泄漏后的气体积聚行为在本质上类似天然气，它受到泄漏速率、泄漏位置及泄漏空间的状况等因素的影响。通过试验研究在民用房屋内掺氢天然气的泄漏积聚行为[21]，结果表明：同样的泄漏压力下，掺氢会增加气体的泄漏速率；相对于天然气，高达50%掺氢比例的气体只产生略高的气体积聚浓度，但当掺氢比例大于50%时，气体积聚浓度会显著增加，尤其是掺氢比例增加超过70%时更甚。泄漏存在浓度分层现象；但在泄漏停止后，随着时间的延长，分层现象会减弱。针对研究情况均未发现氢气与天然气的分离现象[22]。

然而，所研究的情况针对的泄漏速率较低，主要是针对民居房内的气体泄漏，对配送干线管道的泄漏则缺少研究，而该问题亦会导致严重的危险。此外，尚缺少对掺氢天然气意外泄漏后障碍物、空间拥堵程度对气体浓度分布影响的研究。该研究对于后期检测及通风操作等安全工作具有指导意义。

2.3 燃烧与爆炸

掺入的氢气增加了火焰速度，进而可能导致剧烈的燃烧甚至发生爆炸。危险发生的形式主要有完全受限空间、部分受限空间和开放空间的燃烧爆炸和管道快速泄漏产生的高速喷射火焰。

2.3.1完全受限空间

可燃气体在完全受限空间中积聚后容易发生爆炸，产生大的超压，带来巨大危险。在完全受限空间中掺氢天然气的爆炸形态受到诸多因素影响[23～26]。只有当掺氢比例高于50%时，掺入的氢气对最大升压速率和层流燃烧速率的提高才是明显的[23]。在5L、64m3空间中的模拟结果表明爆炸产生的最高压力随着氢的加入出现略微的减少，升压速率、燃烧火焰速度均随着氢在燃料中的比例的增加而不断提高[24]。在90°弯管中试验表明弯管位置是管道风险最大的部分，氢的加入使气体具有更高的爆炸可能性[25]。

2.3.2部分受限空间

一些爆燃发生在开有通风口的部分受限空间。为此，Ma Q等数值模拟了部分受限空间内不同比例掺氢天然气爆炸问题[24]。相比于完全受限空间，爆燃的压力会有很大降低，升压速率会小很多，而火焰速度则会有所提高。随着氢的加入，最高压力、升压速率与燃烧速率均会提高。通风增加了危险距离，诱发二次火伤害，但减低了冲击波的危险。Lowesmith B J等研究表明：掺入20%氢未显著增加爆炸危险，掺入50%氢会导致超压增加，从而导致风险和损伤的程度加大，而增加空间拥堵程度会增加最高压力和升压速率，增加危险程度[27]。模拟研究表明当掺氢浓度超过45%时，存在爆燃转变为爆轰的危险[28]。

2.3.3开放空间

在开放空间的燃烧爆炸试验研究表明：低于25%比例氢的混合气体对最大超压的影响很小，甚至会低于甲烷单独所产生的超压[29]。Lowesmith B J等研究表明：当初始火焰速度较低时，掺氢小于30%时的行为类似于甲烷[30]。当氢的比例超过40%或更高时，会产生较大超压和爆燃爆轰转变(DDT)风险；而在初始火焰速度较高的情况下，当含有20%的氢就会产生明显的超压，并在20%以上时，存在DDT风险。可见，增加初始火焰速度会增加掺氢带来的危险。

2.3.4高速喷射火焰

针对掺氢天然气泄漏发生高速喷射火焰的试验研究表明：掺氢天然气(掺氢比例24%，6MPa)高速燃烧的辐射场与天然气总体上区别较小，相比于天然气，掺氢天然气的火焰较短，对于被吞没物体的热载荷较高[31]。而掺氢天然气降压更快，总体能量也较少，因而，当操作在同一压力，与天然气相比，风险降低。Lowesmith B J和Hankinson G试验研究了地下管道断裂的掺氢天然气(掺氢比例22%，7MPa)喷射火焰特性，结果表明掺入氢气并未导致危险增加[32]。Studer E等进行了试验和数值研究，验证了建立的模型预测掺氢天然气喷射火焰的可行性，通过此模型可预测管道喷射火的火焰长度、爆燃速度和辐射通量[33]。

以上对于泄爆的研究均是通过预先混合气体进行，不能完全反映真实气体的泄漏、扩散及混合等行为。而氢气的掺入会使点火能量降低、泄漏速率加快、可燃范围增大，增加危险。在高速喷射火研究方面，对于障碍物与喷射火焰的相互作用尚未被研究。开展这些研究对安全距离的确认和危险预防控制极为重要。

2.4 完整性管理

管道的安全运行离不开完整性管理。现有的完整性管理基于输送天然气管道的操作条件。加入氢气改变管道的使用环境、影响裂纹扩展速率和现有缺陷引起的失效模式。因此，完整性管理准则也将发生变化。

2.4.1临界裂纹尺寸

初始允许裂纹尺寸可以通过给定的设计寿命，基于相应环境下裂纹扩展速率进行计算。NaturalHy研究表明：氢会对初试允许裂纹尺寸产生明显影响[1]。而该影响与掺氢比例及管道压力等有关，尚需基础的相容性数据。

2.4.2检测方式

NaturalHy研究了现有的检测工具用于掺氢天然气输送管道中的缺陷检测的能力。改善后的管道检测工具可以用来检测输送掺氢天然气的管道缺陷。而检测的时间间隔由不同的掺氢浓度、载荷、管道的几何结构、基于中期检测的缺陷和失效可能性的计算结果确定。研究表明掺入的氢气使检测间隔缩短，特别是对于高浓度的氢气。

2.4.3修复方式

NaturalHy对Clock Spring修复、金属套管和堆焊3种目前应用的修复程序进行了研究，以确定其是否可以用于氢气服务下的管道修复[1]，研究结果显示可行。

现有管理措施经过完善后可以用于掺氢天然气完整性管理，这为掺氢天然气的管道输送提供了有力的支撑。NaturalHy项目研发了一套工具用以进行完整性管理，此外，该项目开发了一套用于评估不同完整性管理情况下管道失效可能性的软件[34]。然而，现有文献中尚无掺氢比例对缺陷检测效果和修复效果的具体影响程度的研究成果，尚待进一步研究。

2.5 风险评估

影响安全的因素多种多样，最终产生危险的形式亦有多种，其发生的可能性和后果的严重程度亦会因输送介质、管道类型、操作条件、所处位置状况的不同而变化，故很难给出统一结论。GTI、NaturalHy、IEA采用定量风险评估研究掺氢对天然气输送系统风险的影响。

NaturalHy项目研究表明：掺入高达50%的氢后，在使用适当的完整性管理系统时，管道发生故障的概率与仅输送天然气时相比保持不变，然而点火概率会增高。氢的加入会增加靠近管道处的危险程度，但会减少危险区域的范围[1]。GTI基于NaturalHy获得的数据等结果，利用美国地区对配送管道失效的统计数据定量评估了配送管道输送不同比例的掺氢天然气的风险[1]，结果表明，掺氢会使天然气配送管网的整体风险增加。掺入50%氢时，风险增加较小，但掺入超过50%的氢就会使风险显著增加。在IEA报告中针对掺氢天然气进行了风险分析，指出掺入25%氢的混合气体在良好监管情况下不会增加爆炸引起的危险[2]。

必须指出，各国管道及其管理之间也存在差异，因此，风险评估需要结合我国管道系统数据进行具体研究后方能确定。

3 总结与展望

掺氢天然气技术是解决大规模风电消纳问题的有效途径。笔者回顾了掺氢天然气管道输送安全问题的研究现状。总结可得以下结论：氢气对配送管道的影响较小，对输送管道的影响主要是材料韧性的损失、疲劳裂纹扩展速率的增加，而具体影响程度需要结合具体状况进行研究，这是影响掺氢比例的一个重要因素；针对所研究情况，掺氢会使泄漏、燃爆的危险增加，且掺氢比例的增加会增大该影响；经调整后，现有完整性管理工具可适应氢气引起的临界裂纹尺寸减少及修复工艺要求高等问题；掺入的氢气会一定程度上影响管网的总体运行风险，随着掺氢比例的增加风险会不断增大，而这种影响随着各国管网情况及完整性管理水平等的不同而存在较大区别。

现有研究成果尚不能较全面考虑实际情况。因此掺氢天然气管道输送的安全掺氢比例尚无法确定，需继续开展研究。考虑到各国天然气成分、管道工况、管道材料存在一定的差别，需结合我国实际情况针对掺氢天然气的安全问题开展研究，如：开展我国管道材料与掺氢天然气的相容性试验，获得特定掺氢比例下，材料的力学性能，建立材料力学性能数据库；在借鉴国外泄漏燃烧等研究成果的基础上，针对我国实际情况，充分考虑掺氢引起的泄漏速率加快、可燃范围增大及燃烧速率加快等影响，全面研究掺氢天然气的泄漏与燃烧爆炸问题，弥补现有研究中的不足，为管道的安全管理工作提供依据；依据所建立材料的性能数据库，测试现有天然气管道检测工具检测的效果和修复方式的效果，完善完整性管理工具，建立掺氢天然气管道输送的完整性管理系统；依据材料性能数据，针对我国具体情况，评估利用现有天然气管道输送掺氢天然气的风险，为掺氢天然气管道安全输送提供依据。

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SafetyTechnologyforPipelineTransportationofHydrogen-NaturalGasMixtures

ZHAO Yong-zhi1,2, ZHANG Xin1，2, ZHENG Jin-yang1,2,3,GU Chao-hua1,2, ZHANG Lin4

(1.InstituteofProcessEquipment,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China;2.MOEEngineeringResearchCenterforHighPressureProcessEquipmentandSafety,Hangzhou310027,China;3.TheStateKeyLaboratoryofFluidPowerTransmissionandControl,Hangzhou310027,China;4.InstituteofMaterialFormingandControlEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014,China)

The safety issues of applying the existing pipelines to transporting hydrogen-blended natural gas was introduced and the compatibility of hydrogen-blended natural gas and pipeline materials, gas leakage and accumulation, integrity management and risk assessment were summarized, including the discussion of safety in pipeline transportation of the hydrogen-blended natural gas.

gas pipeline, hydrogen-blended natural gas, compatibility, leakage and accumulation, integrity management, risk assessment

TQ055.8+1

A

0254-6094(2016)01-0001-07

*中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2015FZA4021)，国家重点基础研究发展计划资助项目(2015CB057601)，国家自然科学基金资助项目(51206145)。

**赵永志，男，1977年6月生，副教授。浙江省杭州市，310027。

2015-02-10，

2016-01-12)