混氢气对天然气管道输送的影响研究

＊魏思达

（广州市城市管理质量监测与应急保障中心（广州市燃气事务中心）广东 510000）

引言

利用现有的天然气管道混氢气输送则能够实现对相关成本的有效控制，进一步削减氢气能源的使用成本。由于天然气管道的混氢气运输会对管道材料、管件设备等可靠性产生变化，为充分发挥天然气管道混氢气运输的成本优势，规避运输期间的安全风险，相关单位有必要加强对混氢气对天然气管道输送的影响。

1.天然气管道混氢气输送时的安全特性变化规律分析

(1)节流低温

节流效应是天然气输送管道运行管理或管道设计期间需要重点关注的内容。当管理单位放空输气管道时，通过节流对控制大压差过程中出现的低温情况是管道放空系统设计与材料选型需要参考的重要数据，在维持初始温度和节流压差一致的情况下，随着混氢气比例的提升，节流温差也随之降低，这表明混氢气的天然气具有比天然气更低的节流温降[1]。相关人员测试发现，10%混氢气比例的天然气具有38.9℃的节流温降，不混氢气的天然气则具有47.5℃的温降，两者数值相差较大，结果表明在10%～20%混氢气比例情况下，管道输送期间出现的节流低温情况将受到较大的抑制。

(2)气体泄漏流量

混氢气对对天然气管道输送期间的泄漏质量流量产生变化，当混氢气天然气与纯天然气的输送压力以及泄漏孔径相同时，前者泄漏质量流量将更低，而且数值随着混氢气比例的增加而持续减少。由于氢气的密度远低于天然气，因此在输气期间一定出现泄漏孔洞，混氢气天然气将具有比天然气更高的泄漏体积流量，而且该数值会在氢气占比提升的情况下增加。然而，泄漏体积流量在氢气具有较低占比时的数值不会与纯天然气存在明显差异，变化幅度较小，而在比例较高的情况下，增势较为显著，这一情况的出现与泄漏介质分子量的持续降低存在关联。另一方面，如果输气管道出现的泄漏条件相同，混氢气天然气将具有比氢气更高的泄漏体积，这与氢气的密度远低于天然气存在关联，而且氢气也将展现出更强的喷射效应，这也与氢气各天然气的声速数值关系相吻合。因此，在天然气管道混氢气运输期间，增加混氢气含量能够降低泄漏时的质量流量，也会提升泄漏时的体积流量，为了将泄漏流量控制在一定范围内，国内外均选择将混氢气比例控制在10%～20%这个较低的范围[2]。

(3)气体泄漏后扩散范围

混氢气天然气管道输送期间的泄漏扩散情况主要与天气、泄漏方向以及组分存在关联，相关研究数据表明，天然气输送管道在小孔径条件下，泄漏介质在水平方向达到50% LFL的距离与混氢气浓度存在关联，在请求浓度降低的情况下，距离也随之降低。天然气与氢气的着火下限浓度（LFL）差距较小，前者为5%，后者为4%，氢气在泄漏时因密度较小因此相对天然气更容易上浮，但上文中指出混氢气天然气具有比天然气更快的喷射速度，因此混氢气天然气在泄漏口喷射效应更加明显，将氢气上浮效应的影响抵消，因此混氢气天然气相对纯天然气更容易扩散[3]。当泄漏孔径较大时，泄漏口的喷射速度相对较低，氢气的上浮效应比水平喷射时的扩散效应更强。在天然气管道混氢气输送期间，密封、法兰等部件异常引发的细微泄漏情况即为小孔径泄漏现象，结合上述分析可以确认，此时的氢气扩散半径将高于天然气，因此混氢气比例的增加将使得扩散范围进一步增加。其中，GB 50160-2008《石油化工企业设计防火规范》标准中指出，甲烷工艺设备的微小泄漏扩散范围为3m，氢气水平扩散距离在4.5m之内，标准中的数据与上述研究结果相吻合[4]。

(4)泄漏后热辐射范围

天然气输气管道在站场出现泄漏时，将会在被点燃的情况下喷火，火焰的喷射强度则会随着混氢气占比的变化而出现变化。在维持泄漏孔径一致的情况下，混氢气占比的提升将会使得水平泄漏时的辐射强度范围缩减。结合上文研究内容能够确认，在泄漏场景一致的情况下，混氢气占比的增加会导致气体的泄漏体积流量增加，并持续降低其高位热值，最终出现热辐射强度持续降低的情况。此外，氢气具有数值略低于天然气的扩散燃烧系数，成为降低混氢气天然气热辐射范围的又一因素。针对这一情况，混氢气天然气管道在输送过程中需要面临的火灾热辐射范围减少，相关管道或站场不需要进行特殊改造，能够维持天然气管道原有的防护间距相关结构参数[5]。

(5)潜在影响半径

潜在影响半径参数的计算与表征是天然气管道输送期间需要重点考虑的工作内容，是掌握管道泄漏对周边民众安全影响情况的重要参数。标准GB 32167-2015《油气输送管道完整性管理规范》对天然气管道潜在影响半径的计算方式进行了明确规定，其原理为管道泄漏、喷火期间的热辐射影响范围，在潜在影响半径的重要影响因素即为操作压力和管径。对于混氢气天然气管道，该定量计算的公式将出现一定变化，在维持管径和操作压力一致的情况下，天然气管道混氢气比例的增加将导致潜在影响半径有所降低，这一情况出现的原因与混氢气天然气的热值低存在关联，虽然混合气体具有比纯天然气更高的泄漏体积流量，但整体热辐射强度却有所降低。在管径不变的情况下，随着管道运行压力的减少，潜在影响半径也有所降低，该情况的出现与泄放流量随操作压力的降低而减少存在关联。为此，针对混氢气天然气管道进行优化改造过程中，可以保守采用天然气潜在影响半径公式对混氢气天然气进行计算，此时依然可以保证管道的安全可靠性[6]。

(6)调压冲蚀影响

输气管道运行期间通常选择利用调压装置对管道内部压力进行调节，在压力保持一致的情况下，天然气密度为氢气的8倍，但无论是混氢气还是纯天然气，两者均具有相同的调压压缩，结合流通力学压损相关理论原理可以确认，不同气体的气体密度与其速度平方的乘积近乎相同，该参数通常用于冲蚀分析，因此无论是否混氢气输送天然气，气体在调压装置作用下均维持近乎相同的冲刷指数[7]。由于氢气密度远低于天然气，因此在调压压差相同的情况下，天然气混氢气比例的增加会展现出更高的流速，这也使得调压前除尘成为混氢气输气管道需要重点关注的内容。上述的分析是基于体积流量相同开展分析的，在基于热值交易分析过程中，随着混氢气比例的增加，气体的体积流量将提升，冲刷指数也将增加。

(7)可燃气体浓度检测影响

氢气发生泄漏后如果能够快速上升和扩散，则不会产生较大的爆炸风险。一旦出现燃烧情况，由于混氢气天然气的泄漏速度更快，将导致初始火焰速度提升，燃烧范围也将增大，燃烧速率加快，火焰蔓延风险增加。针对这一情况，管理单位需要加强气体浓度检测工作，有效规避火灾、爆炸事故[8]。天然气与氢气的着火下限浓度（LFL）有所不同，前者为5%，后者为4%，因此混氢气输送会导致天然气原有的LFL产生变化，随着混氢气比例的增加，天然气LFL也随之降低。国内常规可燃气体浓度检测报警仪器通常基于可燃气体LFL数值的25%或20%设定报警界限，氢气站则基于LFL数值的10%设定报警界限，即在氢气浓度达到0.4%时即发出报警。针对混氢气天然气，天然气输送管理单位需要对气体探测标准进行评估分析，结合甲烷分压浓度对各级报警数值进行重新设定，实现对0～100%气体浓度范围的精准测量。由于天然气混入氢气后的密度降低，在泄漏时将展现出更快的上浮速度，在有限空间中，混合气体中的天然气与氢气很难在短时间内出现局部分层情况，因此在气体浓度检测时无需针对两种气体进行分别检测，不需要对既有的混合气体浓度检测仪器进行修正[9]。

2.混氢气对天然气管道材料的影响

混氢气输送天然气管道将会因氢气与管道金属材料间的反应出现设备失效的情况，常见的问题形式主要为氢脆、氢致开裂、鼓包与脱碳等。其中，氢脆主要出现在电镀、酸洗、热处理、冶炼加工等环节，而长期与氢气接触的情况，金属材料也会因为氢气的渗入而出现机械性能降低的情况，最终导致氢脆问题。相关研究数据表明，氢气在屈服与极限强度方面对金属材料产生明显影响，但会导致金属断面收缩和延伸情况大幅度降低，同时也会出现金属材料韧性与疲劳寿命退化的情况。在正常压力和温度环境中，钢材不会出现明显的氢脆问题，但在压力高于30MPa且温度高于300℃的环境中，氢脆现象将较为明显，而且随着管道运行年限的增加、运行压力的增加，氢脆问题将愈发严重，天然气管道输送管理单位需要针对此类问题对管道运行周期进行核对，避免因氢脆出现严重的管道泄漏事故[10]。

氢气引发的开裂问题主要与天然气管道输气期间内部混杂的硫化氢气体存在关联，该物质具有较强的腐蚀效果，能够导致管道出现应力腐蚀问题，管道长期与湿硫化氢接触将出现开裂、鼓泡相关问题。接头等部位在应力作用以及扩散氢的影响下将出现较为明显的内部裂纹问题，由此将出现三向应力区，而高应力区的扩散氢将聚集为分子氢，在含量达到临界数值时，裂纹问题将会出现。由于金属材料内部存在较多微孔，氢原子扩散至微孔中并不断聚集，将会出现氢分子，而氢分子填充孔隙形成的压力将导致金属材料出现鼓包情况，严重情况下则会导致金属管道开裂。

脱碳即钢材在加热保温环境中出现的表层碳局部或全部丧失的情况，脱碳会随着保温时间、加热温度的提升而变得愈发严重，而碳含量较高的钢材将展示出更加明显的脱碳现象。钢材脱碳后的铁原子在氧化后将形成一层氧化铁表皮，而氢原子进入钢材内部与碳反应使得较多甲烷形成于晶界部位，即内部脱碳，此时产生的大量甲烷因无法从钢材料内部逃逸，将导致钢材局部承受较强的高压应力，导致钢材出现裂纹情况，材料的延伸性能与强度也受到明显影响。

相对而言，氢气引发的管道开裂损伤等异常情况与管道的性能、强度、环境温度、压力、氢气纯度、管道使用年限等存在关联，氢损伤更容易出现于高强度和高压钢材制作，国内天然气输气管道经常选用X52及以上等级的钢材，同时也应用了MPa级别的较高运输压力，因此氢损伤极易出现在混氢气天然气管道之中。因此相关管理单位需要考虑对管道材料的优化改进，适当应用聚乙烯、铸铁管等无氢脆问题的材料对管道进行调整。

3.混氢气对天然气管道压缩机、管件等部件的影响

混氢气输送不仅会对天然气管道的材料本身产生影响，也会导致压力机、计量、阀门、管件等设施受到影响，由于氢气的密度远低于天然气，因此在运输相同能量气体的情况下，氢气相对天然气在压缩机功耗方面的差距能达到3.3倍，在混入10%氢气的情况下，天然气输送期间产生的压缩机功耗也将提升12%，因此混氢气输送的成本相对纯天然气更高。

压缩机的运行稳定性也会受到混合气体中氢气的影响，离心压缩机相对活塞压缩机而言，能够出现氢气直接接触动力机构的情形，压缩机运行期间的材料强度会受到氢气的影响，叶轮旋转速度也会因为气体体积速率与体积的增加而受到影响，因此活塞压缩机更适用于混氢气的天然气管道。对于不应用增压站的中低压输气管道，管理单位则需要考虑混氢气天然气对压缩机的影响。在高压输送氢气比例较高的混合气体时，管理单位需要针对氢气泄漏问题合理选择法兰、阀门结构形式，常用的部件主要为梯形、凹凸式或榫槽式法兰、截止阀、球阀，在焊接或开孔仪器接点时也需要考虑混氢气的影响。混氢气输气将导致管道材料裂纹扩展加快、塑性降低，对于计量设施而言，混氢气将影响设施精度，在5%以上混氢气占比的情况下，管理单位需要对计量设施进行优化改进，避免对输送工作造成影响。

4.结语

综上所述，由于氢气与天然气两者的物理化学性质存在明显差异，因此混氢气输送会对天然气管道输送工作造成明显影响。针对混氢气输送工作，管理单位需要考虑混氢气比例变化对节流低温、气体泄漏、气体扩散范围、热辐射范围、影响半径等相关工艺参数的影响，结合参数的变化情况对管道及相关附属设施，如检测仪器、防护设施等进行优化改进。由于氢气会导致管材出现氢脆、脱碳、开裂等异常情况，管理单位需要结合运行情况对管材进行优化调整，避免出现大面积气体泄漏事故。此外，管理单位需要结合管道使用年限、混氢气比例、环境状况、压力等相关参数制定混氢气管道输送期间的设备评估标准，能够结合评估结果对管道进行维护改造，规避管道泄漏、喷火、爆炸等各类事故风险。