天然气管道掺氢输送的风险分析

李可夫，刘 淼，耿晓梅，张文伟，周建华，谢 浪，于 薇

(1.北华航天工业学院，河北 廊坊 065000;2.中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

0 引言

2022年夏天极度炎热，欧洲经历了500年来最为干旱的夏季，人类社会大量使用化石燃料产生的“CO2排放”被公认为是造成这一现象的最主要原因。

氢元素在自然界有广泛的分布，其燃烧或其他利用过程中只产生H2O，是一种非常理想的清洁能源。如果用“氢”来大规模替代传统的化石能源，长距离储运是必须要攻克的难题。目前，纯氢管道仍然造价很高，难以大规模推广，而我国也建成了10万km左右的天然气管道，将H2以一定比例掺入到天然气中，通过现有天然气管道进行运输，可能是解决当下H2长距离、大规模运输的一个行之有效的技术手段[1]。很多欧美国家在积极开展已有天然气管道掺H2输送的相关试验和理论研究，很多国家和地区联盟将H2加入到长输管道中进行输送，并研究其对管道系统的影响，给出了合理的标准和掺H2比例[2-6]。还有学者对掺氢后管材管件安全、气体泄漏扩散、火灾爆炸、氢能承压设备风险等问题进行了较为详细的研究[7-16]。

1 掺氢管道主要失效原因及概率分析

管道在运行过程中面临众多风险从而导致其失效，油气管道主要面临腐蚀、第三方破坏、地质灾害、误操作等方面引起的失效。可以类比分析，掺氢管道的失效形式与油气管道类似，其原因也无外乎以上几种。从理论分析，对于第三方破坏、地质灾害、误操作等原因造成掺氢管道的失效概率应该与油气管道基本相同。由于氢是世界上最小的原子，在天然气管道加氢输送过程中容易出现氢脆、氢腐蚀等问题[17]，这使得管道失效的可能增加，这就需要探讨天然气管道加氢输送过程中管材的适应性问题。欧洲曾在低钢级的管道进行H2的输送，没有发生相关安全问题，根据CGA-5.6《Hydrogen Pipeline System》进行分析，当钢级低于或等于X52，输送氢气浓度10%则是安全的，如果不能满足钢级和输送浓度的要求则要从运行压力、化学元素、韧性、强度、硬度等多个方面进行分析[18-19]。

由此可见，天然气管道掺氢输送，只要满足一定条件，如钢级低于等于X52，掺氢比例小于10%或采取其他措施，是能保证其管道进行安全输送的，其材料和腐蚀问题导致的失效概率也不会增加，天然气掺氢管道的失效概率可以与油气管道的失效概率取相同的值。

我国某大型管道运营商其管道总里程5.3×104km，失效概率约为1.7×10-4/km·a，其中第三方破坏占主要因素，腐蚀、缺陷等引起管道失效的概率较小，具体见图1、图2[20]。

图1 中国油气管道里程及失效数量

图2 中国油气管道失效原因

如图2所示，我国油气管道失效的主要原因是打孔盗油、第三方施工等原因，这与管道输送介质关系不大；腐蚀失效占比为9%，但如前所述如果钢级低于X52，掺氢比例低于10%则可认为是安全的，本文管道掺氢输送则只考虑钢级低于X52，掺氢比例低于10%，则掺氢管道是失效概率为1.7×10-4km/a。

2 掺氢管道主要失效后果分析

氢气属于低密度气体，相比于甲烷更容易燃烧和扩散，表1为天然气主要成分甲烷与氢气一些物理性质的对比。

表1 甲烷与甲烷主要性质对比

天然气管道泄漏后如果点燃主要有喷射火、闪火、蒸气云爆炸等后果，后果的严重程度与泄漏量相关，泄漏量主要取决于管道内压力。我国长输天然气管道最大设计压力不超过12 MPa，仅有西气东输二线、三线、中俄东线等几条管道，这些管道均采用X80钢级。本文后果模拟的管道压力为10 MPa，掺氢体积浓度10%，由于可燃气体蒸气云爆炸必须有受限空间，而受限空间都是特定的，因此本文不分析蒸气云爆炸的后果情况。模拟软件为DNV的Phast Risk。根据SY/T 6714-2008基于风险检验的基础方法，管道泄漏可选取0.635 cm、2.54 cm、10.16 cm、40.64 cm等典型孔径，由于规律相同本文主要分析0.635 cm和40.64 cm典型孔径泄漏的情况。

2.1 0.635 cm泄漏孔径

从图3、图4可以看出，天然气与天然气中掺有10%和15%氢气的混合气体的扩散特性相差不大，掺有氢气的混合气体扩散能力稍微强一些。从图5、图6、图7、图8可以看出，天然气比天然气中掺有10% H2的混合气体的热辐射能力更高，闪火影响范围也更大，因为本次模拟是10%的体积掺比，根据表1相同体积下甲烷的燃烧热要大于H2的燃烧热，所以其热辐射能力更高，闪火的影响范围也更大。

图3 天然气泄漏浓度分布(0.635 cm)

图4 天然气掺10%H2泄漏浓度分布(0.635 cm)

图5 天然气泄漏喷射火(0.635 cm)

图6 天然气掺10%H2泄漏喷射火(0.635 cm)

图7 天然气泄漏闪火(0.635 cm)

图8 天然气掺10%H2泄漏闪火(0.635 cm)

2.2 10.16 cm泄漏孔径

从图9～图14可以看出，与0.635 cm口径泄漏相似，掺有氢气的混合气体扩散能力稍强；热辐射能力则是纯天然气更强，闪火影响范围也更大，这也是因为相同体积下天然气的燃烧热要大于H2的燃烧热导致的。

图9 天然气泄漏浓度分布(10.16 cm)

图10 天然气掺10%H2泄漏浓度分布(10.16 cm)

图11 天然气泄漏喷射火(10.16 cm)

图12 天然气掺10%H2泄漏喷射火(10.16 cm)

图13 天然气泄漏闪火(10.16 cm)

图14 天然气掺10%H2泄漏闪火(10.16 cm)

可燃气体泄漏后主要是由于气体扩散，之后遇点火源发生喷射火、闪火等事故引发灾害，根据选取典型泄漏孔径，进行天然气及掺氢10%天然气的泄漏扩散和喷射火、闪火的后果模拟可见，掺氢天然气管道泄漏，并不会在原有的基础上引发更大的泄漏扩散和火灾事故。

3 掺氢管道的风险分析

可燃气体泄漏后的风险可按如下公式进行计算

R=f·Q

式中R——风险；

f——失效概率；

Q——失效后果。

风险分析是评判工程安全性的重要依据，由上式所示，其由失效概率和后果的乘积得出。乘坐飞机失效后果非常严重，人们往往难以生还，即Q很严重，但其发生的概率，即f很低，所以其风险是可以接受的。

前文经过分析认为，当钢级低于或等于X52，输送氢气浓度10%则是安全的，各种原因引起的失效概率也不会增加。前文也对于天然气掺10%氢气管道失效后的扩散、喷射火、闪火等的后果进行了分析，掺入氢气并不会使后果变得更严重。因此，如果钢级低于X52天然气管道掺10%氢气输送是安全的，并不会增加额外的风险。

4 结论

(1)掺氢天然气管道与纯天然气管道的失效原因类似，当钢级低于X52，掺氢比例低于10%时，掺氢天然气管道的失效概率与纯天然气管道基本相同。

(2)天然气管道掺有体积占比10%氢气的混合气体扩散能力稍强；热辐射能力则是纯天然气更强，闪火影响范围也更大，这也是因为单位体积天然气的燃烧热要大于H2的燃烧热导致的，掺10%氢气的天然气泄漏后果与纯天然气泄漏后果基本相同。

(3)根据风险计算公式，当钢级低于X52，掺氢比例低于10%时，掺氢天然气管道相比于纯天然气管道是安全的，并不会增加额外风险；如果提高钢级和掺氢比例，则需要从材料、焊接、失效后果等多个角度分析其风险情况。