摻氫天然氣管道輸送研究進展

李敬法 蘇 越 張 衡 宇 波

1. 北京石油化工學院機械工程學院 2. 中國石油大學（北京）機械工程學院

1 研究背景

隨著傳統化石能源不斷的被消耗及其所帶來的環境問題日趨嚴重，水電、風電、光伏發電、生物質能發電等可再生能源發電技術迅猛發展。在技術水平的進步和國家政策的扶持下，可再生能源裝機價格逐漸降低，裝機總量穩步增長。截至2019年底，我國可再生能源發電裝機達到7.94×108kW，裝機總量約占全部電力裝機的39.5%，可再生能源發電量達到2.04×1012kW·h，占全部發電量的27.9%，可再生能源的清潔能源替代作用日益突顯[1]。但由于我國經濟發展存在較大地域差異，可再生能源在中西部地區難以被完全就地消納，此外受東西部地區間電力管廊的容量限制，中西部地區剩余的可再生能源電量難以全部輸送到東部等經濟發達地區，加之風能、太陽能等可再生能源發電的間歇性、波動性、不可準確預測性及調峰難度等，造成部分地區可再生能源發電量的大量浪費，可再生能源面臨的棄電消納問題亟待解決[2]。雖然國家發展和改革委員會、國家能源局以及相關部門等出臺了若干解決可再生能源棄電消納的措施[3]，棄水、棄風、棄光問題在一定程度上有所好轉，但我國可再生能源的棄電量仍相當可觀。圖1給出了2017年和2018年我國棄水電量、棄風電量和棄光電量，每年棄電總量高達約1 000×108kW·h，和三峽大壩的年發電量基本相當[4-5]。如何解決可再生能源的棄電消納，充分利用可再生能源，已成為新源領域的研究熱點之一。

圖1 2017、2018年中國可再生能源棄電量統計圖

在眾多的能量載體中，氫氣是公認的清潔能源，氫氣燃燒只產生水，是真正零排放的二次能源。通過可再生能源發電制氫(Power to Gas，P2G)技術將電網無法消納的棄電轉化為氫氣，被認為是解決可再生能源棄電消納問題的一條有效途徑[6-7]。例如，2018年我國可再生能源棄電量約1 000×108kW·h（圖1），以電解水制氫耗電功率5 kW·h/m3計算，2018年我國可再生能源棄電可制氫約200×108m3。采用可再生能源棄電通過P2G技術制取的氫氣，其全生命周期包括氫氣制取、存儲、輸送、利用等環節，其中氫氣輸送連接上游制取、存儲氫氣和下游終端用戶，是中間的關鍵環節。目前常用的氫氣輸送方式主要有液氫槽罐車輸送、高壓氫瓶長管拖車輸送和液氫駁船輸送等，成本較高，效率較低[8]。將氫氣以一定比例摻入天然氣中，然后利用天然氣管道或管網進行輸送，是實現氫氣大規模輸送的有效方式。與車載輸送和船載輸送方式相比，利用管道輸送摻氫天然氣可充分利用我國現有在役天然氣管道和城市輸配氣管網，較容易實現氫氣大規模、長距離輸送，而且管道或管網的改造成本較低。此外，氫氣摻入天然氣管道中能有效降低燃燒污染物排放量，改善大氣環境。雖然純氫管道輸送也能實現氫氣的大規模、長距離輸送，但新建純氫管道的一次性投資大、成本高。在當前氫氣儲運基礎設施尚不完善、發展規劃尚不非常明晰的大背景下，將氫氣摻入天然氣管道中輸送是實現可再生能源棄電制氫大規模、長距離、安全高效輸送的潛在最佳方式。

目前，天然氣管輸技術已經成熟[9-10]，但是摻入氫氣后，會帶來新的技術、安全問題[11-12]。為此，筆者從摻氫后天然氣管道輸送面臨的新變化入手，從不同的角度回顧了國內外摻氫天然氣管道輸送關鍵技術的研究進展，分析了目前存在的主要問題，最后展望了未來摻氫天然氣管道輸送的發展趨勢，并給出了研究建議。

2 摻氫天然氣性質和管輸關鍵環節

天然氣的主要成分是甲烷，表1給出了常溫常壓下氫氣和甲烷的主要性質對比[7,13-14]。而氫氣具有密度小、爆炸區間范圍寬、最小點火能量低、火焰溫度高、擴散系數大等特點。因此，摻氫天然氣和常規天然氣的物性、燃爆特性都存在一定差異，具體差異大小取決于摻氫比。例如，氫氣的體積能量密度（低熱值）大約只有天然氣的1/3，在相同的工況下，摻氫會降低天然氣管道輸送氣體的能量含量，導致終端用戶天然氣需求量上升[15]。一般地，摻氫天然氣混合物的物性、熱力學狀態參數等均可根據常規天然氣的計算方法進行計算[16-17]。

表1 氫氣與甲烷的主要性質對比表

摻氫天然氣管道輸送主要包括摻氫環節、輸送環節和用戶環節（圖2）。由于氫氣的摻入，一方面引入了新的若干技術問題，例如摻氫比的確定和摻氫工藝的設計；另一方面影響了常規天然氣管道輸送中的若干關鍵問題，例如管道的相容性、安全事故、完整性等，均需在不同摻氫比條件下重新評估和判斷。筆者以圖2為主線，對摻氫天然氣管道輸送面臨的關鍵問題的研究進展進行回顧和分析，并主要側重摻氫環節和輸送環節。

圖2 摻氫天然氣管道輸送主要環節示意圖

3 摻氫天然氣管道輸送關鍵問題研究進展

3.1 摻氫比

將氫氣摻入天然氣管道中輸送，首先需要確定合適的摻氫比。但摻氫比受多個因素制約，目前尚無統一確定標準，不同國家對摻氫比上限的規定也不盡相同。例如，芬蘭、瑞士、奧地利、西班牙等歐洲國家規定天然氣管道中摻氫比上限分別為1%、2%、4%、5%（后續如無特殊說明均指按體積分數計）[15]。澳大利亞可再生能源署指出，摻氫比小于10%時不會對天然氣管道、設備及法規等產生明顯影響[18]。德國規定天然氣管網的摻氫比上限為2%（個別情況10%），但德國能源巨頭意昂公司的子公司Avacon計劃未來將其運營的天然氣管網摻氫比上限提高到20%[19]。法國規定天然氣管網的摻氫比上限為6%，但從2030年起部分天然氣運營商將嘗試20%的摻氫比上限[20]。英國法律規定天然氣管網中摻氫比上限為0.1%（按質量分數計），目前英國HyDeploy示范項目已成功向在役天然氣管網中摻入20%的氫氣[21]。美國國家能源局的研究表明，在現有管道和終端設備改造較小的情況下，摻混濃度較低的氫氣是可行的，而摻混更高濃度的氫氣會增加輸送系統的風險且需要對設備進行調整。我國目前僅有的摻氫天然氣管道輸送示范項目“朝陽可再生能源摻氫示范項目第一階段工程”的摻氫比約為5%，但我國相關法律法規和技術標準中并未明確規定天然氣管道和管網中的摻氫比上限[22]。

目前在役輸氣管道是以輸送天然氣為基礎設計的，終端用戶燃燒設備也多以天然氣為燃燒介質設計，使用天然氣作為原料的終端企業的工藝流程也均基于天然氣設計。因此，摻氫后會對天然氣管輸系統及終端用戶產生廣泛的影響。摻氫比的確定是摻氫輸送的系統性和綜合性難題，主要困難在于摻氫比受管道輸送系統和終端用戶等多個因素共同制約，例如管材材質、燃氣互換性、燃爆安全性等。管道和管網的范圍越大、設備越多、運行工況越苛刻，對摻氫比上限的要求也越嚴格，但目前不同摻氫比對輸氣管道系統和終端用戶產生的影響尚不十分明晰。對于天然氣管道和輸送設備而言，管道材質、運行年限、腐蝕情況、所在地區安全等級劃分、天然氣組分、壓縮機等均會對摻氫比的確定有影響。例如，在高壓富氫天然氣環境中，管材發生氫脆、氫腐蝕等各種氫損傷的風險增加，典型材料力學性能的劣化加劇，管材失效破壞的風險增大。此外，摻氫后管道水力工況和離心式壓縮機的運行工況也會發生相應變化。有學者研究認為，在不更換現有壓縮機條件下若要保證管道輸送系統安全平穩運行，建議摻氫比上限不超過17%[23-24]。還有學者從管道與離心式壓縮機組成的系統進行分析，發現摻氫后管道和壓縮機聯合工作的平衡點發生移動，在保持壓縮機轉速不變、摻氫比為30%時，壓比和軸功率分別下降了20%、36%，對應的壓力和流量分別降低了7%、11%[25]。

對于終端用戶，由于氫氣與天然氣的基本性質差別較大，摻氫后天然氣的密度、熱值、燃燒特性等發生改變，而燃氣灶具、燃氣發動機、鍋爐及燃氣輪機等燃燒設備由于各自燃燒性能的不同，對可接受的摻氫比范圍也不同，需充分考慮摻氫后的燃氣互換性及摻氫對燃燒性能的影響。為查明摻氫后燃氣的互換性和燃具的適應性，研究者采用不同的燃氣互換性判別方法對摻氫天然氣的燃燒特性和摻氫比上限進行了研究，例如德爾布指數法、韋弗指數法、沃泊指數與熱值法。研究表明，在滿足12T[26]天然氣特性指標的范圍內，隨著摻氫比的增加，摻氫天然氣的華白數逐漸下降、燃燒勢逐漸升高，燃燒的一次空氣系數逐漸增大、熱負荷逐漸下降、熱效率逐漸升高，但燃氣的火焰傳播速度急劇增大，燃具回火的風險增加，并容易造成燃燒不穩定[13,25-30]。例如，王瑋等[25]對摻氫天然氣燃燒特性指數的計算表明，當摻氫比為30%時，摻氫天然氣的熱值降低了21%，沃泊指數降低了10%，而燃燒勢增加了48%，同時爆炸上限增加了31%。Jones等[31]對使用摻氫天然氣的爐灶進行了實驗研究，將天然氣的摻氫比逐漸增加至回火極限，發現當摻氫比達到34.7%時為燃燒上限，此時會出現明顯的回火現象。Zhao等[32]改進了Jones等的實驗，認為將摻氫比上限設為25%更安全可靠，繼續增加摻氫比時回火風險增加。為合理確定摻氫比上限，需根據對熱值、燃燒勢及燃爆范圍等的要求，綜合確定滿足燃氣互換性的摻氫比上限。值得指出的是，由于不同判別方法判斷燃氣互換性的指標和側重點不同，最終得到的摻氫比上限也存在差異。上述研究綜合表明，燃氣互換性及燃具要求的合理摻氫比上限約為20%～27%。

此外，國內西安交通大學、清華大學等在燃氣發動機方面的研究表明，天然氣摻氫后會對發動機的熱效率、排放特性、循環變動、稀燃極限等產生一系列影響，摻氫比較低時無需改造發動機，但當摻氫比超過一定值后，需對發動機進行改造[33-36]。Ball等[37]研究表明燃氣發動機對摻氫比的適應范圍為2%～5%，摻氫濃度過高時發動機會發生爆震等現象，燃氣輪機對摻氫比的適用范圍也低于5%，但經調整和改造后對摻氫比的適用范圍可提高到5%～10%。日本三菱日立動力系統有限公司對采用摻氫天然氣作為燃料的大型燃氣輪機進行了燃燒實驗測試，結果表明使用30%氫燃料混合物時必須對燃燒器進行升級改造，現有燃氣輪機的控制系統和密封條件無法適應高濃度的氫氣環境。圖3為國際能源署在G20國峰會報告中給出的部分典型終端設備的允許摻氫比范圍，可以明顯看出，不同終端設備對可接受的摻氫比范圍相差較大[15]。

圖3 不同終端設備對摻氫比的可接受范圍圖

雖然各國已開展摻氫比研究和天然氣摻氫對管道輸送系統及終端用戶燃燒設備等影響的研究，但目前仍缺乏明確的結論。受天然氣組分、設備工況等的影響，不同研究給出的同一設備的可接受摻氫比范圍也存在差異。因此，未來應繼續開展深入研究，查明摻氫比對在役天然氣管道、設備和下游終端用戶可能產生的各種影響。綜合考慮安全性和經濟性等因素，明確不同制約條件下的摻氫比，并制訂摻氫天然氣管道輸送摻氫比的確定準則。

3.2 管材的相容性

天然氣摻氫后，管道本體、焊縫、配件、壓縮機等均暴露在高壓富氫環境中。除了常規天然氣管輸面臨的土壤腐蝕、應力腐蝕和酸性氣體腐蝕之外[38]，由于氫含量顯著增加，局部氫濃度飽和會引起材料塑性下降，誘發裂紋或產生滯后斷裂，發生氫脆；同時，由于氫會與管線鋼中的碳反應生成甲烷，造成鋼脫碳和產生微裂紋，導致鋼的力學性能不可逆的劣化，發生氫腐蝕[8,23]。研究表明，即使在室溫或管輸壓力較低的條件下，氫氣也會影響材料的力學性能和斷裂機制[39-41]，例如，李正峰等[40]指出在室溫和氫氣分壓小于1個大氣壓時，管材也能產生氫致滯后斷裂。因此，為保證摻氫管輸的安全性，需開展高壓富氫環境中摻氫天然氣與管材的相容性分析。摻氫天然氣管道相容性分析的關鍵是針對管道的當前狀態，確定材料典型力學性能與摻氫比和輸送壓力等之間的相互影響關系，分析不同摻氫比條件下管材能否適應或需要采取的相應措施。目前研究機構和學者已開展相關研究，包括從微觀角度揭示發生氫脆和氫腐蝕的內在機理，以及從宏觀角度測試和模擬材料典型力學性能在高壓富氫環境中的變化，并建立高壓富氫環境中材料典型力學性能數據庫。

微觀方面，主要采用分子動力學方法研究富氫環境下管材發生破壞的機理或采用掃描電鏡等儀器觀察材料的微觀組織結構變化。其中，分子動力學模擬作為一種新興的數值模擬技術，能從分子水平對材料微觀體系進行深入研究，提供材料微觀體系隨時空的動態演化規律。雖然分子動力學模型與實際金屬材料存在一定差異，但能定性分析氫原子對材料力學性能、裂紋擴展等的影響機理。因此，以分子動力學為基礎建立基于腐蝕機理的動力學模型，從微觀角度對高壓富氫環境下管材內部晶格結構變化進行研究，是分析氫脆及氫腐蝕的有效方法[42]。研究發現，實際的金屬材料晶格排列并不是非常整齊，往往存在晶格缺陷，氫原子和晶格缺陷具有強烈的相互作用，從而影響材料的力學性能。例如，Sanchez等[43]、Matsumoto等[44-45]通過分子動力學模擬分析了氫原子在鐵原子間隙中的擴散，結果均表明由于大量氫原子的存在，導致鐵原子之間的相互作用顯著減弱；高能晶界的間隙較大，更容易捕獲氫原子，晶格缺陷能降低，導致管材在氣態氫環境中發生典型的變形和斷裂行為；在高壓氫環境（300 K、70 MPa）下，高能晶界的內聚能降低約25%。何洋[46]模擬了氫在不同晶格結構鐵（α-鐵、γ-鐵、ε-鐵）中的擴散規律，發現氫在體心立方結構的晶格中擴散系數最大，在密排六方結構中的擴散系數最小。盧燾[47]研究了不同溫度下氫原子在α-鐵中的擴散和點缺陷對氫原子擴散的影響，發現點缺陷可捕獲氫原子，對氫原子的擴散起到抑制作用，而且點缺陷的捕獲效應對氫原子擴散的影響隨溫度的升高而減弱。張磊[48]采用分子動力學方法探究了氫原子對α-鐵裂紋擴展的影響，發現氫原子進入鐵中會引起晶格畸變，使得α-鐵更容易產生位錯成核，導致α-鐵的屈服應力下降；當氫原子大量吸附在裂紋表面時，會促進裂紋擴展。付雷[49]對氫致裂紋擴展的分子模擬研究發現，加氫后鐵的斷裂韌性值降低，裂紋開裂擴展的臨界條件減小。

在宏觀研究方面，主要集中在材料典型力學性能的實驗測試，包括拉伸試驗、疲勞特性、斷裂韌性和裂紋擴展實驗，這些實驗可以得到氫環境下材料的力學性能參數，為氫環境服役下管道的設計及運行提供依據[50]。例如，美國圣地亞國家實驗室對大多數用于氫環境的材料進行了評估和測試，形成了常用材料抗氫脆性技術參考數據庫[51]，日本產業技術綜合研究所也形成了材料氫脆性能試驗數據庫。國內浙江大學等也開展了國產材料的氫與金屬相容性實驗數據庫的建設，研究了富氫天然氣對X80管線鋼的影響規律，查明了12 MPa壓力下摻氫比分別為0%、5%、10%、20%、50%的摻氫天然氣環境中X80鋼性能劣化（拉伸性能、疲勞性能、氫脆敏感指數）、疲勞壽命以及斷裂安全的變化趨勢，全面評價了X80管材在富氫天然氣環境中的適用性[52-54]。研究發現，摻氫比對管材氫脆敏感性有重要影響，X80鋼在12 MPa和室溫條件下，摻氫比由0增加到10%時氫脆敏感度指數由1.0增加到26.4；摻氫后管道疲勞壽命顯著降低，不摻氫管道的疲勞壽命是摻氫比50%的摻氫管道的22.8倍。此外，很多學者也開展了卓有成效的實驗和模擬研究。例如，Haeseldonckx等[23]發現摻氫天然氣管道破壞中氫脆是主要影響因素，氫脆不僅取決于管材本身，也和管道的服役狀況密切相關。如果管道之前有疲勞損傷和疲勞微裂紋，可為氫原子的聚集提供場所，導致管道發生氫脆的概率增大。研究還發現當氫氣分壓僅為1.7 MPa時，17%的摻氫比下管材的疲勞裂紋擴展速率仍可增加一到兩個數量級。Melaina等[11]、Gondal等[55]均發現氫對管道力學性能的影響主要受天然氣組分、摻氫比、管道工況（壓力、溫度）、管道強度水平、材料微觀組織以及管道運行歷史等影響，低強度鋼更適合摻氫天然氣輸送，摻氫比低于50%時管道不易發生災難性斷裂，輸送壓力低于2 MPa時管道不易在缺陷處發生氫致裂紋擴展。黃明等[13]指出摻氫天然氣管道易發生氫脆，使得摻氫天然氣對管材及其處理的要求很高，需加強對管道損傷、裂縫的探查和處理，現役天然氣管道輸送摻氫天然氣時須對管道重新進行缺陷檢測和修復。Bae等[56]在10 MPa氫氣環境中對X70鋼進行了拉伸性能、斷裂韌性和疲勞裂紋擴展性能測試，發現材料缺口抗拉伸強度明顯降低，疲勞裂紋擴展速率比空氣中同等條件下高近10倍。Slifka等[57]、Drexler等[58]分別對比研究了空氣和不同壓力（5.5 MPa、34 MPa）氫氣環境下，X52、X70和X100管線鋼在低頻循環應力下的疲勞特性。研究發現，這三種管線鋼的表現基本類似，在氫環境下的疲勞裂紋增長速率比在空氣中的增長速率高一到兩個數量級，這說明高強度管線鋼不宜直接在高壓富氫環境中使用。張小強等[59]研究了管材與摻氫比、輸送壓力等之間的相互關系，并給出了不同摻氫比對管材的影響及采取的對應措施，提出目前可根據摻氫比確定摻氫天然氣管道相容性分析方法，當摻氫比超過10%時，可依據《Hydrogen Piping and Pipelines：ASME B 31.12-2014》[60]進行分析；當摻氫比小于10%時，ASME B 31.12-2014不再適用，可參照《Hydrogen Pipeline System：CGA-5.6》[61]進行分析。封輝等[62]分析了近年來管線鋼氫脆的研究現狀，總結了氫脆機理和影響氫脆的因素，指出目前管線鋼方面的氫脆機理仍不明晰，在如何抑制管線鋼氫脆方面依然需開展系統研究。

值得指出的是，上述相容性研究主要針對摻氫天然氣主干輸送管道，摻氫天然氣與城市輸配管網的相容性一般不考慮。相比主干長輸管道而言，城市輸配管網的輸氣壓力較低（輸氣壓力等級劃分中4個壓力等級低于1 MPa，只有高壓燃氣管道壓力為1.6～4.0 MPa），管網所采用的管材多為低強度鋼管、球墨鑄鐵管和聚乙烯管等。對于低強度鋼而言，在運行壓力較低的城市輸配管網中發生氫損傷的風險相對較低，而對于球墨鑄鐵管和聚乙烯管，在常規工況下通常不需要考慮摻氫導致的氫損傷[54]。

雖然目前已針對摻氫管道相容性開展了一定研究，但目前高壓富氫環境下材料典型力學性能試驗多針對純氫環境或氫氣與甲烷（或氮氣）混合環境展開，與真實摻氫天然氣存在一定差異，未考慮H2S、CO、CO2等組分的協同影響。與國外研究相比，目前我國仍缺乏典型管線鋼材料在摻氫天然氣條件下的力學性能基礎數據庫，對不同摻氫比下管材及其他關鍵輸送設備的典型材料力學性能劣化規律研究不足，對金屬本體及焊縫等抗氫脆能力評價研究不足。盡管目前研究均表明天然氣摻氫后會給管道及相關設施帶來諸多不利影響，但摻氫比與材料氫破壞、管道壓力等之間的定量關系仍不明晰，未來需開展進一步研究。

3.3 泄漏、積聚、燃燒、爆炸等安全事故

受管道腐蝕、設備老化、第三方破壞等影響，摻氫天然氣在管輸過程中難免發生泄漏。泄漏后的摻氫天然氣如果發生積聚，在受限空間內可引起窒息危險，受外界因素影響還可能引發燃燒和爆炸等。因此，開展摻氫天然氣管道泄漏、積聚、燃燒和爆炸等安全事故的研究具有重要意義。由表1可知，氫氣具有燃點低、爆炸區間范圍寬和擴散系數大等特點。因此，不同摻氫比的天然氣發生泄漏、積聚、燃燒、爆炸等安全事故的特征和演化規律與常規天然氣存在一定差異。例如，天然氣摻氫后火焰傳播速度、火焰溫度均比常規天然氣增大，可能導致更加劇烈的燃燒或爆炸，對制訂安全距離有很大影響。值得指出的是，在過去半個多世紀，伴隨天然氣工業的發展，針對常規天然氣輸送時管道及設備的安全事故的研究已比較充分，學者們采用實驗方法、理論分析、經驗公式和數值模擬等手段等進行了多方位研究。尤其是近二十年來，隨著計算機技術的迅猛發展和數值計算方法的進步，很多研究都基于PIPEPHASE、SPS、FLUENT、OpenFOAM、FireFOAM、CFD-ACE、PHAST、FLACS等軟件開展，獲得了實驗和經驗無法得到的大量完備數據和定量結果，為天然氣管道輸送安全事故研究提供了有力支撐[63]。這些研究也為摻氫天然氣管道輸送安全事故研究提供了重要參考和有益借鑒。

目前相關機構和學者已開展摻氫對天然氣管道及設備泄漏、積聚、燃燒和爆炸等安全事故影響的研究。美國燃氣技術研究院評估了不同級別天然氣管道加氫后的風險，結果表明，在天然氣管網中加入氫氣會增加泄漏風險，但摻氫比低于20%時泄漏風險增加的幅度較小[11]。加拿大滑鐵盧大學的研究人員指出，摻氫比在20%以下時氫氣導致的點火風險和泄漏風險有限，不會顯著增加天然氣的泄漏量，但摻氫比超過20%時，其泄漏損失量約為未摻氫時泄漏量的兩倍。歐洲NATURALHY天然氣管網摻氫輸送示范項目表明，摻氫天然氣在建筑內的泄漏特性和天然氣類似，但氣體濃度和積聚體積隨著氫氣含量上升而增加，摻氫比小于50%時增加很小；室內爆炸危害程度會隨著氫氣含量增加而加重，但摻氫比低于20%時危害增加較小[64]。Wilkening等[65]以比利時高壓天然氣管道意外事故泄漏爆炸為背景，對比研究了建筑物間高壓氫氣管道和天然氣管道在不同風速環境下泄漏后氣體云團分布和燃燒爆炸后果。發現氣體的燃燒極限對燃燒爆炸有重要影響，由于密度不同，氫氣云團比天然氣云團距離地面或建筑物更遠，降低了點火的可能性。Lowesmith等[66]對天然氣和摻氫天然氣的高壓射流火災規律進行了實驗研究，結果表明兩者的火焰外形相似，但摻氫天然氣的火焰長度要小于天然氣的火焰，導致摻氫天然氣管道表面熱負荷大于天然氣管道。Lowesmith等[67]還研究了超高壓天然氣和摻氫比為22%的天然氣在直徑為150 mm管道完全破裂后氣體的泄漏燃燒規律。實驗表明，由于天然氣密度比摻氫天然氣大，天然氣管道內壓力衰減較慢，但天然氣的泄漏質量流量高于摻氫天然氣；管道破裂后的火災危害并未因摻氫而顯著增加，摻氫天然氣燃燒產生的熱輻射會略小。Heidari等[68]模擬了氫氣/空氣混合氣體的爆燃和爆震過程，并驗證了預測模型中火焰溫度、速度以及爆震壓力等的準確性。摻氫管道除了發生泄漏，由于氫氣的密度和分子體積均比甲烷小，氫氣的滲透速率比天然氣高，從而導致摻氫天然氣管輸過程還容易發生滲漏，尤其在非金屬（如PE、PVC）管道中。但研究表明，雖然氫氣的滲透和擴散系數比天然氣大，但滲漏的影響相比整個管道輸量可近似忽略。例如，荷蘭某摻氫天然氣管網當摻氫比為17%時，氫氣每年的滲漏量僅為摻氫總量的5×10－4%[69]。

劉延雷等[70]對高壓氫氣和天然氣泄漏擴散特征進行了模擬研究，發現較之于天然氣，同等條件下氫氣泄漏擴散后的云團更大、更集中，在擴散過程中氫氣初始泄漏速度遠大于天然氣泄漏速度，更容易與周圍壓力達成一致。但泄漏后的氫氣云團主要集中在高空，天然氣云團在近地面處，導致天然氣泄漏后的危險性大于氫氣。鄭凱[71]結合實驗和模擬，研究了不同比例氫氣—甲烷混合氣體預混爆燃的火焰特性隨噴口、管道開口條件、長徑比、障礙物等的變化規律，建立了氫氣—甲烷預混火焰模型，分析了火焰傳播過程。劉斐斐等[72]采用模擬手段研究了管道內氫氣—氮氣混合物的多級泄漏爆炸過程，通過設置不同的泄爆口分析了爆燃轉轟爆及其抑制過程。王魯慶等[73]實驗研究了圓管內障礙物對氫氣—空氣和氫氣—甲烷—空氣爆炸沖擊波的影響，結果表明障礙物越密集，對爆炸沖擊波的削弱程度越明顯。趙永志等[54]研究表明，摻氫后火焰傳播速度急劇增加，可能導致劇烈的燃爆，但燃爆規律在不同的空間形式（開放空間、部分受限空間、完全受限空間）和不同摻氫比時表現不同。Wang等[74]數值研究了氫氣和氫氣—甲烷噴射火焰的輻射特性，所預測的火焰長度和輻射分數與前人實驗結果吻合良好，結果表明地面反射率僅對較小的氫氣噴射火焰的表面發射功率有影響。Zhang等[75]模擬了不同體積分數的氫氣、丙烷和甲烷與空氣混合后在有內置障礙物約束體積內的爆炸特性，結果表明在其他條件相同時，氫氣和空氣的混合氣體爆炸具有較高的峰值壓力，但3種氣體爆炸時不同位置的爆炸溫度幾乎無差異。花爭立等[76]研究了摻氫天然氣管道失效引起的欠膨脹噴射火行為和失效后果，分析了摻氫比、管道壓力和噴口尺度的影響，發現噴射火火焰軸線上的最高溫度僅與摻氫比有關，而噴射火火焰長度隨管道壓力以及噴口尺寸的增大而增加。

從上述研究可看出，雖然針對摻氫天然氣管道輸送泄漏導致的安全事故已開展了相應研究，但多數研究不具普適性，實驗研究較少，少數研究結論不一致。而且目前針對純氫管道的研究較多，針對不同摻氫比天然氣的研究較少。因此，未來仍需深入開展不同摻氫比天然氣安全事故研究，探明不同摻氫比天然氣管道及輸送設施的泄漏、積聚、燃燒、爆炸事故特征和演化規律，為天然氣管道應急搶修等提供技術支撐。

3.4 管道的完整性管理

天然氣管道的安全可靠運行對保障用氣安全和國計民生具有重要意義。對現役天然氣管道進行完整性管理，有利于及時發現管道運行過程中可能面臨的風險，是保障天然氣管道安全可靠運行的重要措施[77-78]。管道完整性管理的過程就是對管道進行風險評估、安全性評價和可靠性評價等，了解事故發生的可能性和將導致的后果，并制訂預防和應急措施。與常規天然氣管道相比，對摻氫天然氣管道進行完整性管理時需考慮氫氣的影響，完整性評價和管理準則會發生變化。但目前摻氫天然氣管道輸送仍處于初步研究階段，尚未有相關標準和規范對摻氫天然氣管道的完整性管理做出明確規定。而目前現役天然氣管道的風險評估、安全性評價和可靠性評價方法等已比較成熟，相關標準和規范已比較完備。因此，在目前階段可借鑒現有天然氣管道的相關評價方法并充分考慮摻氫的影響，對摻氫天然氣管道進行風險評估、安全性評價和可靠性評價，進而進行完整性管理。

風險評估是管道完整性管理的重要部分，需根據現有的管道信息辨識風險事件與可能導致管道失效的情況，確定風險事件導致管道失效的可能性并評估失效后果的嚴重程度。現役天然氣管道的風險評估依據是《埋地鋼質管道風險評估方法：GB/T 27512—2011》[79]，風險評估的基本流程如圖4所示。由圖4可知，摻氫后會對管道各區段失效可能性得分和失效后果得分產生直接影響。在對各區段失效可能性進行評分時，需分別確定第三方破壞得分、腐蝕得分、設備及操作人員得分和本質安全質量得分，最后計算總得分。由于摻氫天然氣與常規天然氣在基本性質上存在差異，因此會對上述4個評分項中的腐蝕得分產生影響。根據GB/T 27512—2011的規定，傳統天然氣介質腐蝕性的影響因素主要考慮含水量、二氧化碳含量、硫化氫含量和介質流速，而天然氣摻氫后由于氫含量的增加，管道處于高壓富氫環境中，管材的氫脆和氫腐蝕等加劇，因此腐蝕得分需考慮不同摻氫比下氫脆和氫腐蝕等的影響，明確不同摻氫比下氫脆和氫腐蝕等對腐蝕得分權重的定量影響關系。

圖4 在役天然氣管道輸送風險評估基本流程圖

在對各區段失效后果進行評分時，需分別確定介質的短期危害、介質的最大泄漏量、介質的擴散性、泄漏原因、人口密度、沿線環境和中斷供氣對下游影響等7項評分。分析可知，天然氣摻氫后主要對前4項評分有影響。其中，介質的短期危害分為介質的燃燒性、介質的反應性以及介質的毒性，摻氫后對介質的燃燒性產生顯著影響，實驗表明氫氣在空氣中的最小點火能量僅為0.017 mJ，遠小于天然氣的最小點火能量。因此，摻氫天然氣比天然氣更容易發生燃燒；此外，氫氣燃燒的火焰傳播速度約為300 cm/s，遠大于天然氣燃燒的火焰傳播速度[7]；因此，摻氫天然氣的燃燒性風險得分應提高，具體取決于摻氫比。介質的最大泄漏量在相同時間內取決于介質的泄漏速度，包括滲漏和意外泄漏兩種情況。滲漏是指氣體分子穿過管道壁面、焊口或密封等的滲透，對于金屬管道，焊接和密封處的氫氣滲透速率比天然氣快，對于非金屬管道，氫氣的滲透速率是天然氣滲透速率的4～5倍，具體取決于管輸壓力和管材性質等。對于意外泄漏，相同條件下氫氣的泄漏速率大于天然氣，所以摻氫天然氣發生意外泄漏時的泄漏量會增大，具體取決于摻氫比[54]。綜上，對于摻氫天然氣，需提高介質最大泄漏量的得分。介質的擴散性主要取決于擴散系數，氫氣的擴散系數為0.61 cm2/s，約為天然氣擴散系數的4倍。因此，摻氫天然氣的擴散性比天然氣強，泄漏的摻氫天然氣更容易擴散到外界環境中，使泄漏導致的風險降低，需降低介質的擴散性得分。而摻氫后引起的氫脆、氫腐蝕等可能會導致管道發生穿孔和開裂，引起管道的泄漏。因此，摻氫天然氣管道需提高泄漏原因得分。表2總結了摻氫后天然氣管道風險發生變化的評分項、風險變化趨勢及產生原因。

表2 天然氣管道摻氫后的風險變化表

此外，還需對管道的安全性進行評價，以確定管道的缺陷結構能否繼續使用。安全性評價一般是在管道缺陷的定量檢測基礎上，通過一系列嚴格的理論分析與計算來確定缺陷是否危害管道結構的安全可靠性，并根據缺陷的發展規律，進一步確定管道的安全服役壽命。對摻氫天然氣管道進行剩余壽命預測時，常見的不同管道缺陷速率受摻氫影響的變化分析如表3所示。在表3中，體積型缺陷一般指管道的局部打磨、氣孔和介質腐蝕所造成的缺陷，氫腐蝕會加劇管道的腐蝕速率，從而使缺陷加劇，降低管道壽命。平面型缺陷多指輸氣管道在焊接和安裝的過程中在焊縫處會產生裂紋和缺陷，隨著管輸過程中壓力的波動，管道應力會發生變化從而導致裂紋的擴展，影響管道的使用壽命。

表3 缺陷速率變化表

天然氣摻氫后，氫原子會聚集在焊縫缺陷處，加速焊縫處缺陷的發展和裂紋擴展。傳統天然氣管道的裂紋擴展速率與裂紋尺寸、管道應力以及材料性能密切相關，目前關于疲勞裂紋擴展速率的計算公式有很多，工程中常用的是Pairs公式[80]，其與實驗結果吻合較好。

式中da/dN表示裂紋擴展速率；C和n表示與材料有關的常數，大小取決于溫度、應力的加載方式、實驗環境以及材料的微觀組織等；ΔK表示裂紋尖端應力強度因子幅度，為應力強度因子最大值和最小值之差。

Alliat等[81]、Somerday等[82]研究均表明摻氫天然氣環境中管材的疲勞裂紋擴展速率快于天然氣環境中管材的疲勞裂紋擴展速率。蒙波[53]模擬了不同摻氫比下裂紋擴展速率隨應力強度因子的變化，結果表明隨著摻氫比的增大，裂紋擴展速率會逐漸增大，管道的疲勞壽命下降。除此之外，還對不含氫氣和氫氣含量50%的X80管道進行了斷裂力學安全評定，根據《Guide to Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Metallic Structures：BS 7910-2013》[83]評定的結果顯示不含氫氣管道的允許裂紋尺寸大于氫氣含量50%高壓輸送管道的允許裂紋尺寸。因此，為保證管道不發生斷裂失效，摻氫天然氣管道相比常規天然氣管道在裂紋容許尺寸檢測規定上應有更加嚴格的驗收標準。在彌散型損傷缺陷中，氫鼓泡的形成條件是存在處于原子狀態的氫并且管道加工過程中在鋼材內部形成空穴[84]。天然氣中摻入氫氣后，會有更多的氫原子進入管材空穴內部從而加劇氫鼓泡的形成，加快損傷速率，降低管線壽命。

對摻氫天然氣管道進行可靠性分析是完整性管理的內容。目前在腐蝕管道的可靠性分析中，主要采用概率論和數理統計等數學工具進行定量分析。常見的管道可靠性評價方法有一次二階矩法、蒙特卡羅法和神經網絡法等。根據所選取的管道極限狀態方程的不同，管道失效概率的計算也有多種方法。溫凱等[85]基于《Oil And Gas Pipeline Systems: CSA Z662-2017》標準[86]，建立了管道抗力和載荷的分布函數，實現了管道失效概率的計算。李文濤[87]根據《Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines: B31G-2012》標準[88]對管道的失效概率進行了計算，并預測了管道的剩余壽命。何蕾等[89]從管道腐蝕的角度出發，利用C-FER模型計算了管道的失效概率，并采用神經網絡模型研究了管道可靠性與運行年限之間的關系，將計算結果與蒙特卡羅方法結果進行了對比，驗證了模型的準確性。但無論采用哪種方法計算管道的失效概率，關鍵是對管道的應力狀態進行分析。管道的缺陷會影響管道的應力分布，而腐蝕決定著缺陷的變化。因此，對于輸送摻氫天然氣的管道，氫脆和氫腐蝕會加劇管道的缺陷并劣化管道所能承受的極限應力，從而增大管道的失效概率。在摻氫天然氣管道風險評估、安全評價和可靠性評價基礎上，可以根據不斷變化的管道因素，識別和評價管道運營中面臨的風險，制訂相應的風險控制對策，將管道運營的風險水平控制在合理的、可接受的范圍內，這就是管道完整性管理的主要任務[90]。

在未來研究中，需繼續深入開展在役天然氣管道輸送不同摻氫比天然氣的風險評估方法，探明摻氫比與風險評估得分權重的量化關系，發展輸送不同摻氫比天然氣的安全性評價和可靠性評價方法，完善摻氫天然氣管道完整性管理方案，同時發展摻氫天然氣管道及相關輸送設施在線缺陷檢測技術和應急修復技術，全面保障摻氫天然氣管道安全可靠運行。

3.5 水力工況、配套工藝及相關標準和規范

與常規天然氣相比，天然氣摻氫后管輸水力工況也會發生變化。Tabkhi等[91]建立了摻氫天然氣管道輸送數學模型，模擬了管道輸送水力工況，發現相同計算條件下摻氫后管道輸氣能量會降低，如要保持輸氣能量不發生明顯變化，建議最大摻氫量為6%（按質量分數計）。黃明等[13]根據摻氫天然氣管道輸送模型，提出采用輸氣功率衡量管道輸送能量的能力，模擬發現保持壓降不變時隨著摻氫比的增大，摻氫天然氣的體積流量比未摻氫時顯著增加；當摻氫比為23%時，可通過提高管道起點壓力來保證管道的輸氣能力不變。王瑋等[25]研究了摻氫比對天然氣輸送管道水力參數的影響，計算表明在環境溫度為15 ℃、摻氫比為30%時，管道出口壓力增加了9.1%，最大輸量增加了14.8%，輸氣功率降低了9.2%；為保證輸氣功率不變，可適當提高管道運行壓力。Guandalini等[92]基于能量流量模式對摻氫天然氣管網輸送水力工況進行了模擬，結果表明摻氫比為5%時引起的管網壓降僅約為0.1%。吳嫦[93]對重慶某片區天然氣管網摻氫輸送進行了瞬態水力仿真，發現隨著摻氫比和節點用氣量增大，節點壓力相比于未摻氫時的壓降增大。但上述研究均指出，當摻氫濃度較低時，不會引起天然氣管輸水力工況發生明顯變化。摻氫除了對水力工況產生影響外，與管道配套的壓縮機性能也受影響。由于摻氫后管道輸送的氣體能量減少，需提高離心壓縮機的轉速以增加系統的運行壓力[23]。王瑋等[25]的研究表明，在離心壓縮機轉速不變的條件下，摻氫后壓縮機的壓比和軸功率曲線將會下移。例如在流量為5 500 m3/h、摻氫比為30%時，壓比和軸功率分別下降約20%和36%。值得指出的是，由于不同學者在研究中采用的天然氣組成、管輸參數等存在差異，摻氫對管道水力工況影響的結論并不統一。

除了管道水力工況外，還需發展相關配套工藝和技術。例如，摻氫天然氣管道站場工藝流程設計及站場放空特性，精準摻氫技術及設備研發，摻氫天然氣的氫分離技術及設備研發等。其中，由于摻氫比對管道輸送過程及下游終端用戶具有重要影響，精準摻氫技術和設備尤為重要。目前常用的一種摻氫技術是采用流量隨動式混氣裝置將氫氣與天然氣進行混合，典型摻氫工藝示意圖如圖5所示，氫氣來自高壓氣瓶組，經過節流后降壓至天然氣輸送壓力，然后進入流量隨動式混氣裝置與天然氣進行混合，混合均勻后輸至下游管道[94]。此外，如果終端用戶的需求為純氫，則需要對摻氫天然氣進行氫分離，但此操作的成本一般較高，以變壓吸附為例，根據摻氫比和最終使用需求，有研究數據表明分離成本為3～6美元/kg。因此，摻氫天然氣的使用一般不以純氫為目的。此外，還有學者對摻氫天然氣管道與常規天然氣管道的接頭連接差異、管道試壓及吹掃要求的差異進行了分析和研究[95]。

圖5 天然氣管道輸送站場摻氫工藝示意圖

由于面臨諸多挑戰，摻氫天然氣管道輸送的相關技術標準和規范仍是空白。雖然歐美國家等較早開展氫能輸送研究和示范，目前已針對純氫氣長距離輸送管道設計與建設頒布了若干標準規范，例如，壓縮氣體協會的《Hydrogen Pipeline System：CGA-5.6》[61]、美國機械工程師協會的《Hydrogen Piping and Pipelines：ASME B 31.12-2014》[60]、歐洲工業氣體協會《Hydrogen Pipeline Systems：EIGA的IGC Doc 121/14》[96]等，但尚未頒布專門針對摻氫天然氣管道長距離輸送的標準規范。我國摻氫天然氣管道輸送研究起步較晚，目前尚無相關技術標準和規范，相關項目目前基本參照常規天然氣管道進行建設和管理。因此，未來亟需開展國內摻氫天然氣管道輸送及配套工藝的技術標準和規范研究。此外，還需制訂摻氫天然氣技術相關產業政策，雖然國家在投資、價格、金融、稅收等方面給予政策支持，但目前政府仍將氫氣歸為危化品氣體管理，安全和環評驗收流程復雜，這在一定程度上也制約了摻氫天然氣管道輸送技術的發展。上述問題均需在未來研究中予以充分考慮。

4 摻氫天然氣管道輸送代表性示范項目簡介

目前很多國家已開展摻氫天然氣管道輸送技術的研究，并實施了小規模的示范項目。據國際能源署數據顯示，截至2019年年初，各國有37個示范項目正在研究天然氣管網摻氫，包括通過天然氣摻氫輸送為家庭和企業供熱可行性、測試天然氣管網摻氫比對輸配關鍵設備、材料、終端設備和電器等的影響、摻氫天然氣地下儲存技術和監測要求等。下面僅簡要介紹部分代表性示范項目的概況[97]。

歐洲委員會在2004—2009年期間開展的NATURALHY項目是較早開展摻氫天然氣管道輸送研究的示范性課題[64,98-99]，該項目于2004年5月正式啟動，總共有包括天然氣運營商、設備制造商、研究機構、大學和咨詢機構等在內的39家單位參與，項目總預算1 730萬歐元。NATURALHY項目在摻氫天然氣全生命周期社會經濟評價、管網及設備安全性、相容性和完整性、終端用戶等方面開展了廣泛研究，最終目的是探究能否通過歐洲在役天然氣管網安全輸送氫氣，測試的摻氫比范圍為0～50%。項目發現當摻氫比低于20%時，采用天然氣管網輸送氫氣的安全性問題與不摻氫時未發生明顯變化，但如果摻氫比高達50%，則需要認真評估安全性問題。荷蘭在2008—2011年期間將阿默蘭島風電制取的氫氣摻入當地天然氣管道中，在2010年時年均摻氫比達到12%[100]。德國能源巨頭意昂公司2012年在法爾肯哈根地區建設了1座2 MW的風電制氫示范電廠，將制取的氫氣以2%的體積比注入當地天然氣管道[101]；2015年在漢堡市Reitbrook地區興建了1.5 MW的P2G項目，將風電制氫在3 MPa壓力下直接注入當地中壓天然氣管道，氫氣摻混量最高為285 m3/h[102]；2019年意昂公司的子公司Avacon計劃未來將其運營的天然氣管網摻氫比提高到20%[19]。法國環境與能源管理署在2014年贊助了為期5年的GRHYD摻氫天然氣應用示范項目，將可再生能源如風電制氫以低于20%的比例注入天然氣管網，還將摻氫比為6%～20%的天然氣通過壓縮天然氣加注站供50輛天然氣大巴車使用[103]。2019法國GRTgaz、GRDF、Elengy等多家天然氣管道運營商建議法國政府對天然氣管網進行改造，以從2030年開始輸送摻氫比為20%的天然氣[20]。意大利天然氣管網運營商Snam公司2019年在南部坎帕尼亞將摻氫比為5%的天然氣注入天然氣管網進行輸送，后來又在該地孔圖爾西泰爾梅管網中測試輸送摻氫比為10%的天然氣[104]。英國2020年向斯塔福德郡基爾大學運營的內部天然氣管網注入20%的氫氣，為100戶家庭和30座教學樓提供混合燃氣，氫氣由ITM-Power公司通過可再生能源電解制取，初期電解槽裝機0.5 MW。該試驗是英國2017年啟動的為期6年的HyDeploy項目的子項目之一，HyDeploy后續還將對英國東北部和西北地區的天然氣進行逐步測試，探索各種天然氣管網和客戶之間的融合，以踐行英國減少碳排放的目標[21]。

我國在摻氫天然氣管道輸送示范項目方面的研究進展相對較緩慢。2017年10月國家電力投資集團研究院與遼寧省朝陽市人民政府簽約共建氫能源產業基地，主要進行天然氣摻氫應用推廣示范項目、氫能交通和分布式供能示范及產業化項目。國家電力投資集團有限公司在2019年主持建設了“朝陽可再生能源摻氫示范項目第一階段工程”[22]。雖然包括我國在內的多個國家都開展了摻氫天然氣管道輸送的示范項目，但摻氫對在役天然氣管道輸送系統安全的影響仍不十分明晰，目前主要借鑒常規天然氣管道建設和運營的經驗。鑒于安全性和經濟性的原因，目前摻氫天然氣管道輸送仍不具備大規模推廣的條件，需進一步試點和研究。

5 結論與展望

摻氫天然氣管道輸送是解決我國可再生能源棄電制氫大規模、長距離、安全高效輸送的重要手段，是我國特色氫能產業鏈的重要一環。本文通過大量文獻調研，對摻氫天然氣管道輸送中的摻氫比、管材相容性、安全事故、管道完整性、水力工況、配套工藝及標準規范等關鍵問題的研究現狀進行了分析和探討。摻氫天然氣管道輸送是一個復雜的系統工程，既要考慮技術可行性，還受安全性和經濟性等制約。雖然包括我國在內的多個國家均已開展摻氫天然氣管道輸送的初步示范，但目前仍不具備大規模推廣的條件，其中的核心問題是如何確定合適的摻氫比并明確不同摻氫比條件下天然氣輸送系統的安全性。為此，建議未來應加強以下方面的研究：

1）研究摻氫天然氣對管道、關鍵輸送設備、下游終端用戶以及整個輸送系統的影響，明確不同制約條件下我國現役天然氣管道的摻氫比，制訂天然氣管道輸送摻氫比的確定準則。揭示摻氫天然氣對我國典型管線鋼材料和關鍵輸送設備產生氫脆和氫腐蝕的影響機理，明確摻氫比與材料氫損傷之間的定量關系，建立典型管線鋼材料關鍵力學性能數據庫，綜合分析摻氫天然氣與現役管道及設備的相容性。

2）揭示不同摻氫比下天然氣管道及關鍵設施設備泄漏、積聚、燃燒和爆炸等安全事故特征和演化規律，明確摻氫比對管道安全事故產生的新影響，發展摻氫天然氣管道泄漏在線智能監測技術和應急修復技術。發展不同摻氫比天然氣管道輸送風險定量評估、安全性和可靠性評價方法，揭示不同摻氫比下天然氣管輸的風險性、安全性和可靠性的變化規律，開展考慮摻氫影響的天然氣管道輸送全生命周期完整性評價和智能管理。

3）開展摻氫天然氣管道輸送相應配套設施設備、輸送工藝、摻混氫工藝、氫分離工藝等的研究，制訂摻氫天然氣管道輸送技術相關標準規范和安全運行技術體系，出臺相應法律法規和政策支持。進一步開展摻氫天然氣管道輸送示范項目的建設，為摻氫天然氣管道輸送技術研究提供實際應用驗證。