天然氣管道摻氫輸送研究現(xiàn)狀與分析

高岳，朱紅鈞，唐堂，李佳男，陳泉宇，劉文麗

（西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500）

大力開發(fā)氫能是推動我國能源轉(zhuǎn)型升級和可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略途徑之一，已被列入“十四五”規(guī)劃的重點任務(wù)，也是助力實現(xiàn)雙碳目標的重要保障。氫能產(chǎn)業(yè)鏈見圖1，制氫、儲運氫及用氫是氫能產(chǎn)業(yè)鏈不可或缺的關(guān)鍵組成部分[1]。在氫能利用方面，制氫是先決條件。盡管目前氫氣主要以“灰氫”為主，但“藍氫”和“綠氫”的比重將逐漸增加。儲運氫在整個產(chǎn)業(yè)鏈中扮演著至關(guān)重要的角色，同時也是我國大力開發(fā)氫能過程中所面臨的主要挑戰(zhàn)之一[2]。為實現(xiàn)大規(guī)模、遠距離和低成本的氫能轉(zhuǎn)運，利用現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)進行氫氣混合輸送是主要的手段之一，國外已有多條天然氣摻氫輸送中試管道項目，如英國HYDEPLOY項目、法國GRHYD項目等，但在摻氫比（體積分數(shù)，下同）、管材選擇和泄漏風(fēng)險等方面還存在較大爭議，尚未進行大規(guī)模推廣應(yīng)用。

圖1 氫能產(chǎn)業(yè)鏈Fig. 1 Hydrogen industry chain

將氫氣摻入天然氣會引發(fā)管道的運行工況、設(shè)備性能和安全維護等方面的顯著變化，這些影響不容忽視，具體風(fēng)險如下：（1）注入天然氣管道的氫氣未快速地均勻分布，管內(nèi)局部氫氣濃度（體積分數(shù)，下同）過高而可能引起氫致失效風(fēng)險；（2）因氫氣和天然氣存在較大密度差，管道停輸一段時間后可能出現(xiàn)氣體分層現(xiàn)象，導(dǎo)致管頂氫氣聚集，存在氫致失效風(fēng)險；（3）因氫氣分子質(zhì)量小，在管道螺紋接頭、閥門和法蘭等連接處可能發(fā)生微滲漏現(xiàn)象，且氫氣的點火能量小、自燃溫度低，極易自燃，使管道及站場潛伏安全隱患；（4）投產(chǎn)或檢修前，放空管內(nèi)激波會加熱氣體，促發(fā)摻氫天然氣燃爆，且氫氣濃度越高發(fā)生燃爆的風(fēng)險越大。

本文對目前天然氣管道摻氫輸送安全方面的研究進行綜述，以期明晰摻氫輸送風(fēng)險并為大規(guī)模氫能轉(zhuǎn)運提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐，推動氫能的利用與助力雙碳目標的實現(xiàn)。

1 國內(nèi)外天然氣管道摻氫輸送現(xiàn)狀

1.1 國外天然氣管道摻氫輸送

近年來，歐、美多地先后開展了天然氣摻氫輸送應(yīng)用示范，正在嘗試進行大規(guī)模推廣。天然氣管道摻氫輸送的摻氫比受到多種因素的影響，導(dǎo)致各個國家允許的最大摻氫比存在差異，例如，歐洲國家芬蘭、瑞士、奧地利、西班牙和法國允許的最大摻氫比分別為1%、2%、4%、5%和6%。澳大利亞可再生能源署的報告顯示，在摻氫比小于10%時，摻氫天然氣對天然氣管道、設(shè)備等影響不大[3]。目前，德國允許的天然氣最大摻氫比為2%，但在特定情況下可達10%，意昂旗下的子公司AVACON計劃將德國運營的天然氣管網(wǎng)最大摻氫比提高到20%[4]。英國在天然氣管網(wǎng)中的摻氫比達到了20%（HYDEPLOY項目）[5]。

1.2 國內(nèi)天然氣管道摻氫輸送

我國氫氣管道建設(shè)起步較晚，但近幾年我國天然氣管道摻氫輸送相關(guān)技術(shù)正在蓬勃發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，我國目前已有約17條管線建成或列入規(guī)劃，重點摻氫輸送管道或項目名稱及相關(guān)參數(shù)見表1[2]。據(jù)報道，2023年4月16日，我國在利用現(xiàn)有天然氣管道摻氫實現(xiàn)長距離混輸技術(shù)上取得了新的突破，在中國石油天然氣股份有限公司寧夏銀川寧東天然氣摻氫管道測試項目中，天然氣摻氫比達到了24%[6]。此外，隨著海水制氫的迅速發(fā)展，我國首條海底摻氫管道已在廣東省開始建設(shè)，全長55 km，預(yù)計輸氫量可達40 × 108m3/a。

表1 我國重點摻氫輸送管道或項目名稱及相關(guān)參數(shù)［2］Table 1 Key hydrogen-blended transportation pipelines or projects and related parameters in China［2］

2 影響摻氫天然氣管道安全輸送的主要因素

2.1 物性參數(shù)的改變

甲烷和氫氣的物性參數(shù)對比見表2。由表2可知，甲烷和氫氣在摩爾質(zhì)量、密度等物性參數(shù)方面有較大的差異，當氫氣以一定比例摻入天然氣時，摻氫天然氣的物理性質(zhì)也隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致?lián)綒涮烊粴獾亩囗椷\行參數(shù)在增壓等過程中發(fā)生改變。王國云等[7]計算分析了甲烷摻入不同體積分數(shù)的氫氣后摻氫天然氣的壓縮因子的變化，固定輸送溫度和壓力，增大摻氫比使得摻氫天然氣的壓縮因子增大，而節(jié)流效應(yīng)系數(shù)則存在相反的變化規(guī)律。周慧等[8]研究了摻氫天然氣的節(jié)流特性，發(fā)現(xiàn)摻氫比不超過30%時，節(jié)流效應(yīng)對應(yīng)的轉(zhuǎn)變壓力存在較小的變化。然而，當摻氫比大于30%時，轉(zhuǎn)變壓力會減小。王瑋等[9]結(jié)合相似原理，并基于HYSYS軟件建立模型，針對摻氫天然氣對管道和壓縮機的影響進行了分析，發(fā)現(xiàn)摻氫使管道的輸氣能力增強，但在管網(wǎng)和壓縮機聯(lián)合工作時，平衡點對應(yīng)的壓力和流量減小，從而使管道的輸氣能力降低。UⅠLHOORN[10]發(fā)現(xiàn)天然氣管道摻氫后的溫降和壓降會減小。HAFSⅠ等[11]重點分析了摻氫天然氣在環(huán)狀管網(wǎng)中的流動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)增大摻氫比會減小管道內(nèi)的壓力波動和輸氣功率。

表2 甲烷和氫氣的物性參數(shù)對比Table 2 Comparison of physical property parameters of methane and hydrogen

2.2 氫致失效

摻氫天然氣輸送管道容易引發(fā)管道氫致失效、氫腐蝕等損傷。MELAⅠNA等[12]認為氫氣輸送的壓力、純凈度和環(huán)境溫度是影響管道強度的關(guān)鍵因素。HAESELDONCKX等[13]發(fā)現(xiàn)天然氣管道摻氫后同樣面臨著氫致失效的風(fēng)險，尤其是在管道疲勞損傷出現(xiàn)微裂紋時，氫致失效的概率大大增加。摻氫比較低時，理論上對管材不會造成損傷，但褚武揚等[14]通過實驗發(fā)現(xiàn)，即使輸送壓力較低，天然氣管道在外應(yīng)力作用下也可能發(fā)生氫致開裂。任若軒等[15]認為摻氫比大于10%時，可依據(jù)ASME B31.12—2014選取管材；當摻氫比小于10%時，該標準不再適用，應(yīng)參照歐洲工業(yè)氣體協(xié)會（European industrial gases association，EGⅠA）與壓縮氣體協(xié)會（Compressed gas association，CGA）在2005年聯(lián)合發(fā)布的CGA G-5.6—2005《氫氣管道系統(tǒng)》（簡稱“歐洲CGA標準”）。NANNⅠNGA等[16]發(fā)現(xiàn)在壓力相同的純氫環(huán)境中，管線鋼的強度越高，氫致失效現(xiàn)象越明顯，對比10 MPa純氫中X80、X70、X65、X60和X42強度管線鋼的力學(xué)性能，其韌性分別下降了67.0%、51.0%、45.1%、49.0%和46.2%。當管輸壓力一定時，摻氫比越大，氫氣分壓越大。AN等[17]通過實驗研究了總壓為12 MPa的摻氫混輸管道中不同氫氣分壓對X80管線鋼管材的氫致失效敏感性。結(jié)果表明，隨著氫氣分壓的增大，X80管材缺口試樣的裂紋擴展速率急劇增加，從而導(dǎo)致疲勞壽命降低。MENG等[18]也開展了不同摻氫比的摻氫天然氣對X80管線鋼力學(xué)性能影響的實驗，同樣發(fā)現(xiàn)隨著摻氫比的增大，X80管線鋼的疲勞裂紋擴展速率明顯加快，氫致失效敏感性得以提高。NGUYEN等[19]針對X70管線鋼開展了研究，也得到了相同的結(jié)論，且摻氫比達到0.7%時，X70管線鋼的斷裂行為發(fā)生顯著變化，經(jīng)歷了韌性斷裂到脆性斷裂的轉(zhuǎn)變。

由此可見，摻氫比大小是導(dǎo)致氫致失效發(fā)生與否的關(guān)鍵因素之一。對比各國天然氣輸送的摻氫比上限，我國天然氣管道輸送標準規(guī)定摻氫比應(yīng)小于3%，相對保守，缺乏系統(tǒng)的理論研究及適應(yīng)性評價，也尚未形成相關(guān)的規(guī)范標準。

2.3 摻混不均

管內(nèi)局部氫氣濃度過高是導(dǎo)致管道出現(xiàn)氫致失效發(fā)生與否的一大隱患，而天然氣摻氫后是否發(fā)生分層與之密切相關(guān)，為避免天然氣管道摻氫后摻氫天然氣中氫氣的濃度分布不均而導(dǎo)致氫致失效，部分學(xué)者通過實驗或數(shù)值模擬研究了不同氣體介質(zhì)的摻混過程。任少云等[20]模擬了向充滿空氣的密閉罐體注入氫氣的過程，發(fā)現(xiàn)氫氣有選擇性地在罐體頂部聚集，罐內(nèi)垂向存在明顯的氫氣濃度梯度，表明該摻混過程中出現(xiàn)了氫氣分層現(xiàn)象。MARANGON等[21]在一個25 m3密閉箱體中充滿氧氣，然后從箱體底部注入氫氣-甲烷混合物，實時監(jiān)測了不同箱體位置的氧氣濃度變化，當停注時間為2970 s時，箱體頂部與底部的氫氣-甲烷混合物濃度相差8%，表明摻混過程中存在分層現(xiàn)象。

除了罐體內(nèi)部的氣體摻混過程外，部分學(xué)者模擬分析了管道中的氣體摻混過程。閆文燦等[22]對不同氣體組成的天然氣摻混過程進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在匯合點下游天然氣各組分濃度沿程變化，部分組分在距匯管150 m處達到斷面濃度均勻分布，在280 m處實現(xiàn)全部組分的均勻混合。安永偉等[23]基于FLUENT軟件模擬研究了T型摻混管和10種變徑摻混管中的氣體摻混問題，發(fā)現(xiàn)氣體組分在管長為35倍管徑的位置處依然存在明顯的分布不均。朱紅鈞等[24]研究了具有不同摻氫比的工況下起伏天然氣摻氫管道停輸后氣體靜置分層的過程，發(fā)現(xiàn)摻氫天然氣穩(wěn)定分層所需的時間與起伏高差、管道長度和摻氫比有關(guān)。

實際工程中，增設(shè)摻混器可以加快氫氣與天然氣的摻混均勻程度。KONG等[25]綜合運用數(shù)值模擬與實驗研究，對比分析了螺旋摻混器個數(shù)、布置轉(zhuǎn)角對摻混效果的影響（圖2）。結(jié)果表明，摻混器個數(shù)越多摻混效果越好，且布置轉(zhuǎn)角為120°時的摻混效果最佳。蘇越等[26]模擬研究了氫氣和甲烷在KSM型、SMX型和LPD型3種不同類型靜態(tài)混合器和不同工況下的摻混過程，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)混合器壓力、摻氫比和流速的增大會略微提升氫氣和甲烷的摻混均勻度，擾流元件對摻混均勻度具有決定性作用（圖3）。然而，摻混器結(jié)構(gòu)復(fù)雜且加工和維護成本高，倘若不增設(shè)摻混器，氫氣能否在短距離實現(xiàn)均勻摻混是決定能否避免氫致失效隱患的關(guān)鍵。朱紅鈞等[27]分析了不同注氫位置、管徑和摻氫比對摻混距離的影響，發(fā)現(xiàn)將注氫口伸至天然氣管道管軸處，并適當增大注氫管徑，可以實現(xiàn)氫氣與天然氣較快地均勻摻混。

圖2 不同布置形式的摻混器作用下出口截面的甲烷濃度變化[25]Fig. 2 Variation of methane concentration at outlet section under different mixer model arrangements[25]

圖3 不同類型混合器及擾流元件示意圖(a)和不同類型混合器的截面氫氣濃度的變化(b)[26]Fig. 3 Schematic diagram of different types of mixers and turbulence elements (a) and variation of hydrogen concentration in cross-section of different types of mixers (b)[26]

綜上，摻氫后天然氣與氫氣在短距離內(nèi)混合不均，不同摻氫比下達到摻混均勻所需的距離不同，增加摻混器可以加快氫氣和天然氣的摻混均勻。除摻混不均可能引起氫氣局部濃度過高外，摻氫天然氣管道停輸后是否存在氣體分層和氫氣聚集現(xiàn)象，目前尚無系統(tǒng)的研究報道，而這是評判天然氣管道摻氫輸送風(fēng)險的主要依據(jù)之一，也是管道檢修必須考慮的安全問題之一。

3 摻氫天然氣管道輸送中的安全問題研究

3.1 摻氫天然氣管道泄漏擴散

由于分層引起的局部氫氣濃度過高會造成管道氫致失效，從而引發(fā)摻氫天然氣的泄漏擴散。趙永志等[28]對甲烷和氫氣的流動特性進行了對比（0 ℃、101.3 kPa），發(fā)現(xiàn)氫氣的泄漏速率在層流下是甲烷的1.26倍，在湍流下是甲烷的2.83倍，氫氣的擴散性是甲烷的3.8倍。若在有限空間中發(fā)生摻氫天然氣的連續(xù)泄漏，會導(dǎo)致窒息，甚至可能引發(fā)自燃，存在巨大的安全隱患。

SHⅠRVⅠLL等[29]通過實驗測試了氫氣從12 mm孔徑（2.5 MPa）和3 mm孔徑（13.5 MPa）的管道泄漏的過程，通過氧氣濃度傳感器反算混合氣體中氫氣的濃度但沒有深入分析氫氣泄漏擴散的規(guī)律。由于實驗存在較大的安全風(fēng)險，大部分研究均采用數(shù)值模擬方法進行。SCHMⅠDT等[30]模擬分析了建筑物間的氫氣泄漏擴散特性，發(fā)現(xiàn)氣體在不同的泄漏速率和泄漏時間下，氣體云團的大小和形狀都存在時空變化。WⅠLKENⅠNG等[31]采用計算流體力學(xué)（CFD）方法模擬了氫氣管道的泄漏擴散過程，發(fā)現(xiàn)盡管氫氣的泄漏速率較快，但相較天然氣形成的危險區(qū)域，氫氣產(chǎn)生的危險區(qū)域則較小，但該團隊采用的固定泄漏流量條件與真實工況有別。柯道友等[32]通過建立氫氣泄漏的快速預(yù)測模型，計算了氫氣泄漏時射流輪廓及氫氣的物質(zhì)的量分數(shù)的空間分布，對不同尺寸的泄漏口的水平及垂直射流開展了預(yù)測分析，發(fā)現(xiàn)弗勞德數(shù)較低時射流受到浮力的影響，氫氣物質(zhì)的量分數(shù)下降速率較快。李雪芳等[33]模擬研究了高壓氫氣通過1 mm小孔穩(wěn)態(tài)泄漏擴散的過程，發(fā)現(xiàn)氣流穿過馬赫盤后的速度低于理論計算結(jié)果，馬赫盤下游沿徑向的氫氣濃度分布不均。盧明等[34]基于大容量儲氫裝置的室內(nèi)泄漏模型，分析了室內(nèi)儲氫罐泄漏擴散的過程，發(fā)現(xiàn)氫氣泄漏時為湍動射流，在密閉室內(nèi)氫氣濃度隨空間高度的增大而增大。

上述研究主要為純氫氣的泄漏，也有大量學(xué)者開展了摻氫天然氣管道的泄漏研究。劉延雷等[35]對高壓氫氣與天然氣管道的氣體泄漏擴散進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)相較天然氣，泄漏初始時氫氣的泄漏速度更大，且氫氣更易與周圍環(huán)境達到壓力平衡。趙博鑫等[36]基于PHAST軟件模擬了氫氣、天然氣管道的泄漏擴散過程，分析了10 mm小孔泄漏的擴散形態(tài)及影響范圍，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速對泄漏擴散起關(guān)鍵作用。POLMAN等[37]通過密閉空間中監(jiān)測摻氫天然氣泄漏擴散后氫氣的濃度來捕捉摻氫天然氣的運移特性，發(fā)現(xiàn)在相同的泄漏壓力下，氫氣的加入使混合氣體的泄漏速度增大，且當氫氣占比超過0.7（體積分數(shù)）時，氣體泄漏初期會產(chǎn)生分層。胡瑋鵬等[38]利用FLUENT模擬了泄漏口特征、管道埋深、土壤條件、管道壓力和摻氫比等因素對埋地純氫/摻氫天然氣管道泄漏的影響，發(fā)現(xiàn)在土壤環(huán)境中氫氣泄漏擴散速度相對較慢，摻氫比的增大會縮短同一監(jiān)測點處混合氣體達到爆炸下限所需的時間，增大氫氣泄漏的危險性。孫齊等[39]探究了風(fēng)速及摻氫比對摻氫天然氣擴散的影響，并基于此提出了摻氫天然氣管道在半封閉空間中可燃氣體監(jiān)測探頭的布設(shè)方案。朱建魯?shù)萚40]利用SPS軟件模擬發(fā)現(xiàn)摻氫比對水平輸氣管道壓力變化的影響較小，與純天然氣相比，摻氫比為30%時可使泄漏后管道搶修時間減少93%。王鑫等[41]基于流體動力學(xué)原理建立了障礙物影響下的摻氫天然氣管道泄漏擴散仿真模型，分析發(fā)現(xiàn)水平風(fēng)速的增大使氣體垂向擴散范圍減小，摻氫比的增大則使氫氣水平與垂直擴散范圍增大，甲烷的擴散范圍縮小。賈文龍等[42]模擬分析了西氣東輸管道的某典型閥室內(nèi)摻氫天然氣泄漏擴散的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)泄漏口的方向?qū)淄楹蜌錃庠陂y室頂部聚集的影響較大，向下的泄漏口不利于甲烷和氫氣聚集在閥室頂部。SU等[43]模擬了摻氫天然氣在廚房中的泄漏和擴散特性，發(fā)現(xiàn)隨著摻氫比在恒定泄漏速率下逐步增大，產(chǎn)生警報時間和達到爆炸下限的時間都有所提前。由于高壓氫氣/摻氫泄漏相關(guān)研究的開展常受到時間、空間和經(jīng)濟以及可行性的限制，所以研究結(jié)果與實際存在差距。

3.2 摻氫天然氣管道燃爆

氫氣的點火能量小、自燃溫度低和爆炸極限范圍大是引發(fā)氫氣泄漏擴散后燃燒、爆炸的主要因素。WOLANSKⅠ等[44]、DRYER等[45]、MOGⅠ等[46]、GOLUB等[47]以及BAZHENOVA等[48]在氫氣泄漏自燃方面開展了代表性研究，其中擴散點火理論是由WOLANSKⅠ等[44]最先提出的，實驗研究結(jié)果表明，激波是引發(fā)氫氣自燃的根本原因，即使在溫度未達到最低點火溫度時，氫氣燃燒也可以在管道傳播過程發(fā)生。DRYER等[45]對比了高壓氫氣與天然氣的泄漏自燃過程，進一步證實了激波的作用。MOGⅠ等[46]研究了管長、管徑及初始壓力對高壓氫氣自燃的影響，發(fā)現(xiàn)隨著管長增長，氫氣的自燃概率增大，同時氫氣自燃所需的最小壓力降低。GOLUB等[47]研究了引發(fā)高壓氫氣管道自燃的因素，分析得出初始壓力、初始溫度、管長和下游管道直徑等是影響氫氣自燃的主導(dǎo)因素。XU等[49]模擬重現(xiàn)了DRYER等[45]和GOLUB等[47]所描述的氫氣自燃現(xiàn)象，分析了氫氣噴出時激波的形成、發(fā)展與演變過程。徐婷婷等[50]研究了不同管道壁溫和管徑工況下高壓氫氣的自燃，發(fā)現(xiàn)隨著管道壁溫的降低，氫氣自燃的可能性隨之減小，當輸送壓力大于10 MPa時，增大管道內(nèi)徑有利于氫氣和空氣混合物的生成，從而促進氫氣自燃點火。卓小芳等[51]利用開源軟件OpenFOAM模擬了氫氣在不同沖破壓力下泄漏自燃的過程，發(fā)現(xiàn)增大沖破壓力有利于氫氣和空氣的混合，使得點火更快，加劇燃燒。盡管大量學(xué)者通過實驗和模擬研究了影響高壓氫氣泄漏自燃的各類因素，但仍缺乏影響因素與泄漏自燃間的定量關(guān)系。

上述研究局限于純氫氣的燃爆特性分析，不能反映摻氫天然氣的燃爆特性。與天然氣相比，摻入氫氣后的混合氣體的最小點火能減小，更容易發(fā)生燃燒和爆炸。TANG等[52]、MA等[53]、LⅠ等[54]及JANèS等[55]均研究了具有不同摻氫比的摻氫天然氣的最小點火能，對比發(fā)現(xiàn)摻氫比、初始壓力和淬熄距離等是影響摻氫天然氣最小點火能的主要因素。武子超等[56]討論了自燃及管外電火花點火對氫氣射流燃爆超壓、火焰發(fā)展規(guī)律以及火焰形態(tài)演化特征的影響。結(jié)果表明，相較電火花點火，自燃點火引發(fā)的管外爆炸超壓峰值更高，壓力上升速率更大，且自燃點火的發(fā)展過程更穩(wěn)定。EMAMⅠ等[57]發(fā)現(xiàn)較高的摻氫比會影響甲烷-氫氣混合物在90°彎管中爆炸形成的最大超壓壓力、火焰速度及溫升。SHCHELKⅠN[58]、LEE等[59]和SHEPHERD等[60]研究了天然氣-氫氣混合物中爆燃轉(zhuǎn)為爆轟的特性。URTⅠEW等[61]最先提出了爆炸轉(zhuǎn)炮轟這種過渡現(xiàn)象，倪靖等[62]在圓形半封閉燃燒室中對3種不同摻氫比的預(yù)混合氣體進行了實驗測試，發(fā)現(xiàn)摻氫可以提高爆轟的傳播速度，且摻氫比與傳播速度成正相關(guān)關(guān)系。俞進等[63]分析了有障礙物存在時不同風(fēng)速和具有不同摻氫比的摻氫天然氣泄漏擴散的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著摻氫比的增大，甲烷爆炸下限擴散半徑逐漸減小，而爆炸風(fēng)險隨之增大。萬小剛等[64]在氫氣中添加少量甲烷，發(fā)現(xiàn)烴類的存在可降低氫氣的可燃性。關(guān)于摻氫天然氣爆燃火焰的傳播過程，學(xué)者們進行了大量的研究，發(fā)現(xiàn)火焰形成、傳播具有4個經(jīng)典階段[65-68]：半球形火焰階段、指形火焰階段、火焰裙邊接觸到管道壁面和“郁金香”火焰階段（圖4）。

圖4 預(yù)混氫氣/空氣火焰?zhèn)鞑サ母咚偌y影圖像(a)[65]和直管內(nèi)火焰結(jié)構(gòu)和流場分布(b)[67]Fig. 4 High-speed schlieren images of premixed hydrogen/air flame propagation (a)[65] and variation of flame structure and flow field in straight pipe (b)[67]

鄭凱[66]通過對比實驗和數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在開口管道中，當管道截面與摻氫比增大到一定的數(shù)值時，“郁金香”火焰現(xiàn)象會消失，而“郁金香”火焰在管道增長時則變得更加明顯（圖5）。

圖5 不同摻氫比下火焰結(jié)構(gòu)實驗結(jié)果[66]Fig. 5 Experimental results of flame structures at different mixing ratios of hydrogen[66]

上述研究對天然氣摻氫管道的泄漏過程及摻氫比對泄漏特征的影響，以及摻氫天然氣燃爆及火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M行了分析，然而，目前尚無針對微隙滲漏及自燃條件、放空燃爆及擴散過程等方面的系統(tǒng)研究，對于摻氫天然氣管道放空過程中發(fā)生燃爆所需的最小摻氫比及燃爆機理尚不明晰。

4 相關(guān)標準和監(jiān)管技術(shù)

目前，國際上的天然氣輸送方面的標準已相對成熟，同時，發(fā)布的多項氫能的技術(shù)標準涉及制氫、監(jiān)測等應(yīng)用方面，但缺少專門針對摻氫天然氣輸送專用的標準規(guī)范。

隨著天然氣摻氫混輸?shù)陌l(fā)展，多個標準增加了與天然氣摻氫混輸相關(guān)的規(guī)定。其中，CGAG-5.6—2005《氫氣管道系統(tǒng)》在2013年重新修訂，明確了天然氣摻氫輸送管道的設(shè)計要求。美國機械師工程協(xié)會（American society of mechanical engineers，ASME）在2008年制定了適用于氫設(shè)施的ASME B31.12—2008《氫氣管道和管線》（簡稱“北美ASME標準”），最新修訂時間為2019年。該標準規(guī)定了摻氫比大于10%的氣體長輸管道與短距離配送系統(tǒng)的設(shè)計、施工、操作和維護要求，并且包含天然氣管道改輸氫氣的相關(guān)要求。

我國關(guān)于天然氣摻氫混輸方面的標準較少，2021年中國標準化協(xié)會發(fā)布了《關(guān)于公開征求中國標準化協(xié)會標準〈天然氣摻氫混氣站技術(shù)規(guī)程〉意見的通知》[69]。由中國科技產(chǎn)業(yè)促進會組織，中國石油管道工程有限公司、國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司和寶山鋼鐵股份有限公司等單位共同發(fā)布的T/CSPSTC103—2022《氫氣管道工程設(shè)計規(guī)范》于2023年3月正式實施，而適用于氫氣長輸管道的GB/T 34542.5《氫氣儲存輸送系統(tǒng)第5部分：氫氣輸送系統(tǒng)技術(shù)要求》目前正在編制中[70]，我國天然氣摻氫混輸標準體系將更為完善。

5 結(jié)語與展望

作為一種重要的氫氣輸送方式，天然氣摻氫輸送受到了各國的高度關(guān)注，運用前景廣闊。本文針對國內(nèi)外摻氫天然氣管道輸送的發(fā)展現(xiàn)狀，摻氫天然氣物性改變、氫致失效和摻混不均等影響摻氫天然氣管道安全輸送的主要因素，以及摻氫管道泄漏擴散和燃爆等安全問題開展了調(diào)研分析，得出以下結(jié)論。

（1）相較天然氣，摻氫天然氣物性參數(shù)的變化對輸送過程中的設(shè)備和工藝流程提出了新的要求。摻氫天然氣中的氫氣分布不均可致管材的斷裂韌性降低，加速裂紋擴展，從而降低疲勞壽命。

（2）由于氫氣密度小、易擴散，摻氫天然氣泄漏擴散和燃爆的風(fēng)險增大。在泄漏擴散方面，尚缺乏氫氣在螺紋接頭、法蘭等連接位置存在的微隙滲漏相關(guān)研究。出于安全考慮，目前開展的燃爆實驗較少，與實際工況存在一定差距。

考慮到各國天然氣管材、工況的差異，我國發(fā)展天然氣摻氫輸送需結(jié)合實際，在廣泛開展實驗研究、中試示范項目的基礎(chǔ)上推廣運用。鑒于摻氫天然氣在物性參數(shù)上的改變及泄漏燃爆等方面出現(xiàn)的新問題，相關(guān)部門仍需建立專門針對摻氫天然氣管道輸送的標準及相關(guān)監(jiān)管政策，以促進天然氣管道摻氫輸送的發(fā)展和應(yīng)用。