天然氣管道摻氫技術對管材影響及完整性管理研究

摘 " " "要：天然氣管道摻氫技術能夠改變天然氣燃燒特性，提高燃燒速率，降低污染物產生，有助于實現碳達峰、碳中和目標，成為世界各國研究的熱點。但是摻氫后可能對天然氣管道管材造成氫脆、氫鼓泡、氫致開裂等風險。對國內外天然氣管道摻氫技術研究進展進行簡單描述，對摻氫對天然氣管道可能造成的氫損傷進行介紹，提出摻氫天然氣管道在完整性管理中控制要點，為摻氫天然氣管道在國內的應用提供借鑒意義。

關 "鍵 "詞：摻氫； 天然氣管道； 氫損傷； 完整性管理

中圖分類號：TK91 " " 文獻標識碼： A " " 文章編號： 1004-0935（2023）07-1065-04

天然氣作為一種清潔能源，具有可觀的經濟和環境優勢，從提高燃燒效率，減少污染物排放量方面考慮，是目前非常有前途的清潔燃料。但由于甲烷（天然氣主要成分）低可燃性、低燃速和燃燒后溫室氣體的排放，為天然氣的高效利用帶來了挑戰。摻氫天然氣又叫混氫天然氣或氫烷，是將氫氣與天然氣按一定比例混合而得到的代用氣體燃料，是“淺氫燃料”的一種[1]。氫氣具有燃燒速度快，燃燒界限寬，比熱值小，淬熄長度長等特點，因此天然氣中摻入氫氣可以改變天然氣的燃燒特性，有助于提高混合氣燃燒速率，也有助于提高燃料的燃燒速率和降低污染物的生成。因此從燃料特性來講，摻氫天然氣是一種環保的燃料。

我國具有龐大的長輸天然氣管道輸配系統，如中俄東線、西氣東輸、陜京管線等，輸氣管線遍布全國，天然氣摻氫不僅對我國實現氫能多元化綜合利用和促進能源消費結構升級產生重要的借鑒意義，還為助力實現碳達峰、碳中和目標和能源清潔低碳轉型、實現綠色發展貢獻力量[2]。同時氫氣儲運和長距離輸送成為這一技術發展的壁壘，因此開展天然氣管道摻氫輸送相容性評價，完整性管理和風險評估成為國內研究的重點[3-4]。

我國的長輸天然氣管道大多采用管線鋼，由于氫氣介質的特殊性，天然氣管道摻入氫氣后可能會對管道本體產生氫脆、氫鼓泡、氫致開裂等風險，其中氫脆的風險最大、危害最為嚴重，會導致管道材料塑性降低，容易發生脆性斷裂造成泄漏爆炸事故[1，3]。

1 "國內外摻氫技術研究進展

1.1 "國外摻氫技術研究進展

目前全球各國在2000年就開始深入研究天然氣管網中摻氫[5]，如荷蘭的Ameland項目、英國HyDeploy項目、德國Avacon計劃、歐盟的NaturalHy項目、荷蘭的VG2項目等[1， 4-5]，大部分示范項目摻混比例控制在0.1%～10%之間。英國近期全面運行的天然氣摻氫項目中將向基爾大學現有的天然氣網絡注入高達20％（按體積計）的氫氣，為100戶家庭和30座教學樓供氣，該項目的摻氫比例為歐洲最高[6]。德國、法國和荷蘭等國家都有計劃改造天然氣網絡將其天然氣管道網的氫氣混合率提高到 20%，旨在幫助各國減少碳排放量，進入低碳氫經濟社會。

1.2 "國內摻氫技術研究進展

國內現已有兩地正在投入運行天然氣摻氫示范。國電投在遼寧朝陽利用燕山湖發電公司現有10 Nm3/h堿液電解制氫站新建氫氣充裝系統，氫氣經壓縮瓶儲后通過集裝箱式貨車運至摻朝陽朝花藥業公司建設天然氣摻氫設施，實現天然氣摻氫示范[7]。該項目是國內首個電解制氫摻入天然氣項目，通過驗證電力制氫和氫氣流量隨動定比摻混、天然氣管道材料與氫氣相容性分析、摻氫天然氣多元化應用等技術的成熟性、可靠性和穩定性。河北省張家口市在2020年開展“天然氣摻氫關鍵技術研發及應用示范”，項目中氫源來自鴻華能源有限公司張家口制氫廠，經純化后分三路向外輸送，其中一路與張家口市政管網燃氣管網摻混，應用于張家口市的商用用戶、民用灶具和HCNG汽車，未來預計每年可向張家口市區輸送氫氣400余萬立方米，每年減少150余萬立方米天然氣用量及3 000余噸碳排放量。

2 "摻氫對天然氣管道管材的影響

為了節約成本，長輸天然氣管道選材多采用輕量化的高強度管線鋼。管道在多種服役環境下由于腐蝕、焊接、陰極保護以及高壓含氫介質都可能造成氫原子擴散到管線鋼中。在高壓摻氫天然氣管道中氫分子可能通過解離或自發分解產生氫原子，氫原子吸附在管道表面并向內部擴散[8]。管道表面的氫原子擴散進入鋼中，在鋼中的不連續處（如夾雜物、裂隙等）聚集并結合形成氫分子，當摻氫天然氣中氫分壓超過臨界值（通常指材料表面的屈服強度）時就會引發材料的局部變形，形成氫鼓包[8-10]。當氫鼓包在材料內部不同深度形成時，鼓包長大導致相鄰的鼓包不斷連接，在材料內部形成與表面平行的臺階狀裂紋，裂紋一般沿軋制方向擴展[11]。在焊接接頭熱影響區等存在焊接殘余應力或其他應力作用下，材料不同深度的氫致開裂裂紋沿厚度方向不斷相連，并形成穿透至表面的開裂[10]。摻氫天然氣管道材料影響最大的氫損傷是氫脆，氫脆是氫原子會在金屬中滲透、擴散，進入金屬內部后在位錯或微小間隙處聚集，當達到飽和狀態時，能夠阻止位錯運動，從而導致金屬材料塑性和斷裂韌性降低，使材料容易出現脆性，在不經過韌性變形的情況下直接發生脆性斷裂[11]。研究表明氫脆對摻氫天然氣管道材料的屈服強度和抗拉強度不會產生明顯的下降，但是會導致管道材料的塑性和斷裂韌性降低，并且氫脆的敏感性隨著管道材料強度等級、管道運行壓力和氫分壓的升高而增大[3，12-13]。摻氫比是影響管道材料的另一重要因素，浙江大學開展了國產材料的氫與金屬相容性實驗數據庫的建設，在管道運行壓力一定的情況下，隨著摻氫比升高管道材料的氫脆敏感性增大，勞壽命顯著降低[7]。摻氫比的確定受管道輸送系統和終端用戶等多個因素共同制約，目前國內外尚未對摻氫比的確定均未形成統一的標準。因此在管道設計和選材時應綜合考慮管道材質、服役環境、摻氫比、運行壓力以及氫氣分壓的影響。

3 "摻氫天然氣管道完整性管理

由于摻氫技術的復雜性，摻氫比、管道材質、運行壓力等因素對管道安全運行會產生較大的影響，因此需要在管道全周期過程中加強完整性管理。

3.1 "材料制造階段管理

管材的微觀組織形態，夾雜物的數量、形態、尺寸、分布等對管線鋼的氫脆敏感性有一定的影響。管材中的C、Mn、Si、P、S 等元素含量越高，管材內的夾雜物（如MnS）含量就越高，而夾雜物作為氫陷阱，可捕捉氫原子并使裂紋在該處形核，增加管線鋼的氫脆敏感性[14]，因此在控制過程中應控制工藝，避免產生夾雜、裂隙等缺陷[3]。管材的熱處理狀態對氫脆敏感性也有一定的影響，對于X70管線鋼，淬火態管材比回火態管材具有更高的氫脆敏感性，對于X80和X100管線鋼貝氏體和馬氏體組織相比于鐵素體組織氫脆敏感性更高，氫致裂紋更容易在脆性組織中形成和擴展[15]。穩定的奧氏體組織最不容易發生氫脆。因此在選材時應選擇合適的交貨狀態。

3.2 "設計階段管理

設計階段應充分綜合考慮摻氫比[16]、氫分壓、管材強度等級、下游用戶燃燒性以及管道敷設環境因素對摻氫天然氣管道產生的影響，合理選擇選材，并對壓縮機、閥門、法蘭、密封件、儀表以及管道放空系統等的適應性進行系統性評估[17-21]。

3.3 "安裝階段管理

管線鋼的焊縫組織由于微觀組織不均勻，且一般存在焊接殘余應力，焊接過程中易產生缺陷，這些缺陷可能成為氫陷阱，焊接過程中殘留的來不及擴散的氫，使得焊縫具有較高的氫脆敏感性[15， 22]。在管道安裝過程中控制好焊接工藝，采用低氫焊條，進行合適的焊前預熱和后熱處理工藝，消除焊縫中的擴散氫和焊接殘余應力。

3.4 "運行階段管理

1）研究表明隨著管輸壓力和摻氫比以及氫分壓的升高，管材發生氫脆可能性增大[23]，因此在管道運行過程中加強壓力監測，加強氫氣含量的監測以及管道中氫分壓的實時監測。

2）氫氣作為一種易燃易爆氣體，其爆炸極限范圍和泄漏后擴散速率相比于甲烷更大，且更容易發生自燃。天然氣管道摻氫后導致發生泄漏的失效可能性及失效后果均高于天然氣管道，因此在管道運行過程中應對摻氫天然氣管道泄漏擴散規律進行研究，加強管道的在線泄漏監測和檢測[24-27]，尤其是閥室、閥井等密閉空間以及站場中設備和法蘭連接等易發生泄漏的位置。

3）定期開展管道風險評估工作，充分了解管道泄漏后氣體積聚、擴散與爆炸的風險，及時根據風險評估的結果采取削減風險措施，制定專項應急預案。

4）管道陰保系統異常，管道處于過保護時，會在管道表面發生析氫反應，導致摻氫天然氣管道氫脆加劇，因此在管道運行期間應定期監測管道陰保系統運行狀況，發現管道處于過保護時，及時調整陰保系統輸出參數。

5）在壓氣站下游管道輸送壓力較大或壓力頻繁波動的管段可能承受交變應力或存在應力集中部位，這些位置是發生氫脆的敏感部位?？刹捎糜邢拊７治鲱A測應力集中部位，定期進行應力監測。

4 "結束語

1）在保障管道設備設施安全性基礎上，在特定區域開展針對不同管道材料、不同摻氫比例的試驗性示范項目，積累試驗數據，形成標準規范。

2）對于在運行的天然氣管道摻氫，不同管道的服役年限、材料等都會對摻氫比例有不同，對已有設施和下游用戶的影響也不同，應建立適應不同場景的摻氫可行性的評估標準和評估方法。

3）對于新建的天然氣管道，在設計時應充分考慮摻氫。從設計源頭就把摻氫的影響考慮在內，比如在管道材料選擇時考慮耐氫脆的材料，對摻氫比例耐受范圍進行模擬和評估。

4）加強和完善摻氫天然氣管道完整性管理體系建設，從制造、設計、安裝、運行過程中加強管理。加強泄漏的實時在線監測，做好泄漏應急預案。全面驗證示范氫氣“制取-儲運-摻混-綜合利用”產業鏈關鍵技術。

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Study on Influence of Hydrogen Mixing Technology on

Natural Gas Pipeline and Its Integrity Management

ZHANG He-hong1， ZHAO Xiong2， SI Yong-hong1， LI Wei-xing1

（1. Tianjin Special Equipment Inspection Institute， Tianjin 300192， China;

2. Institute of Science and Technology， China Three Gorges Corporation， Beijing 100038， China）

Abstract： "Hydrogen mixing technology in natural gas pipeline can change the natural gas combustion characteristic， increase the combustion rate and reduce the pollutants， helping achieve carbon peak， carbon neutral， which is becoming a hot spot of research around the world. But the mixing of hydrogen may increase the risk of natural gas pipeline， such as hydrogen embrittlement， hydrogen bubble and hydrogen induced cracking. In this paper， the research progress of hydrogen mixing technology in natural gas pipeline at home and abroad was described， the possible hydrogen damage caused by hydrogen mixing in natural gas pipelines was introduced， and the key points of control in integrity management of hydrogen mixing natural gas pipelines were put forward， which could provide some reference for the application of hydrogen mixing natural gas pipelines in China.

Key words： Hydrogen mixing technology; Natural gas pipeline; Hydrogen damage; Integrity management