掺氢天然气管道输送研究进展

李敬法 苏 越 张 衡 宇 波

1. 北京石油化工学院机械工程学院 2. 中国石油大学（北京）机械工程学院

1 研究背景

随着传统化石能源不断的被消耗及其所带来的环境问题日趋严重，水电、风电、光伏发电、生物质能发电等可再生能源发电技术迅猛发展。在技术水平的进步和国家政策的扶持下，可再生能源装机价格逐渐降低，装机总量稳步增长。截至2019年底，我国可再生能源发电装机达到7.94×108kW，装机总量约占全部电力装机的39.5%，可再生能源发电量达到2.04×1012kW·h，占全部发电量的27.9%，可再生能源的清洁能源替代作用日益突显[1]。但由于我国经济发展存在较大地域差异，可再生能源在中西部地区难以被完全就地消纳，此外受东西部地区间电力管廊的容量限制，中西部地区剩余的可再生能源电量难以全部输送到东部等经济发达地区，加之风能、太阳能等可再生能源发电的间歇性、波动性、不可准确预测性及调峰难度等，造成部分地区可再生能源发电量的大量浪费，可再生能源面临的弃电消纳问题亟待解决[2]。虽然国家发展和改革委员会、国家能源局以及相关部门等出台了若干解决可再生能源弃电消纳的措施[3]，弃水、弃风、弃光问题在一定程度上有所好转，但我国可再生能源的弃电量仍相当可观。图1给出了2017年和2018年我国弃水电量、弃风电量和弃光电量，每年弃电总量高达约1 000×108kW·h，和三峡大坝的年发电量基本相当[4-5]。如何解决可再生能源的弃电消纳，充分利用可再生能源，已成为新源领域的研究热点之一。

图1 2017、2018年中国可再生能源弃电量统计图

在众多的能量载体中，氢气是公认的清洁能源，氢气燃烧只产生水，是真正零排放的二次能源。通过可再生能源发电制氢(Power to Gas，P2G)技术将电网无法消纳的弃电转化为氢气，被认为是解决可再生能源弃电消纳问题的一条有效途径[6-7]。例如，2018年我国可再生能源弃电量约1 000×108kW·h（图1），以电解水制氢耗电功率5 kW·h/m3计算，2018年我国可再生能源弃电可制氢约200×108m3。采用可再生能源弃电通过P2G技术制取的氢气，其全生命周期包括氢气制取、存储、输送、利用等环节，其中氢气输送连接上游制取、存储氢气和下游终端用户，是中间的关键环节。目前常用的氢气输送方式主要有液氢槽罐车输送、高压氢瓶长管拖车输送和液氢驳船输送等，成本较高，效率较低[8]。将氢气以一定比例掺入天然气中，然后利用天然气管道或管网进行输送，是实现氢气大规模输送的有效方式。与车载输送和船载输送方式相比，利用管道输送掺氢天然气可充分利用我国现有在役天然气管道和城市输配气管网，较容易实现氢气大规模、长距离输送，而且管道或管网的改造成本较低。此外，氢气掺入天然气管道中能有效降低燃烧污染物排放量，改善大气环境。虽然纯氢管道输送也能实现氢气的大规模、长距离输送，但新建纯氢管道的一次性投资大、成本高。在当前氢气储运基础设施尚不完善、发展规划尚不非常明晰的大背景下，将氢气掺入天然气管道中输送是实现可再生能源弃电制氢大规模、长距离、安全高效输送的潜在最佳方式。

目前，天然气管输技术已经成熟[9-10]，但是掺入氢气后，会带来新的技术、安全问题[11-12]。为此，笔者从掺氢后天然气管道输送面临的新变化入手，从不同的角度回顾了国内外掺氢天然气管道输送关键技术的研究进展，分析了目前存在的主要问题，最后展望了未来掺氢天然气管道输送的发展趋势，并给出了研究建议。

2 掺氢天然气性质和管输关键环节

天然气的主要成分是甲烷，表1给出了常温常压下氢气和甲烷的主要性质对比[7,13-14]。而氢气具有密度小、爆炸区间范围宽、最小点火能量低、火焰温度高、扩散系数大等特点。因此，掺氢天然气和常规天然气的物性、燃爆特性都存在一定差异，具体差异大小取决于掺氢比。例如，氢气的体积能量密度（低热值）大约只有天然气的1/3，在相同的工况下，掺氢会降低天然气管道输送气体的能量含量，导致终端用户天然气需求量上升[15]。一般地，掺氢天然气混合物的物性、热力学状态参数等均可根据常规天然气的计算方法进行计算[16-17]。

表1 氢气与甲烷的主要性质对比表

掺氢天然气管道输送主要包括掺氢环节、输送环节和用户环节（图2）。由于氢气的掺入，一方面引入了新的若干技术问题，例如掺氢比的确定和掺氢工艺的设计；另一方面影响了常规天然气管道输送中的若干关键问题，例如管道的相容性、安全事故、完整性等，均需在不同掺氢比条件下重新评估和判断。笔者以图2为主线，对掺氢天然气管道输送面临的关键问题的研究进展进行回顾和分析，并主要侧重掺氢环节和输送环节。

图2 掺氢天然气管道输送主要环节示意图

3 掺氢天然气管道输送关键问题研究进展

3.1 掺氢比

将氢气掺入天然气管道中输送，首先需要确定合适的掺氢比。但掺氢比受多个因素制约，目前尚无统一确定标准，不同国家对掺氢比上限的规定也不尽相同。例如，芬兰、瑞士、奥地利、西班牙等欧洲国家规定天然气管道中掺氢比上限分别为1%、2%、4%、5%（后续如无特殊说明均指按体积分数计）[15]。澳大利亚可再生能源署指出，掺氢比小于10%时不会对天然气管道、设备及法规等产生明显影响[18]。德国规定天然气管网的掺氢比上限为2%（个别情况10%），但德国能源巨头意昂公司的子公司Avacon计划未来将其运营的天然气管网掺氢比上限提高到20%[19]。法国规定天然气管网的掺氢比上限为6%，但从2030年起部分天然气运营商将尝试20%的掺氢比上限[20]。英国法律规定天然气管网中掺氢比上限为0.1%（按质量分数计），目前英国HyDeploy示范项目已成功向在役天然气管网中掺入20%的氢气[21]。美国国家能源局的研究表明，在现有管道和终端设备改造较小的情况下，掺混浓度较低的氢气是可行的，而掺混更高浓度的氢气会增加输送系统的风险且需要对设备进行调整。我国目前仅有的掺氢天然气管道输送示范项目“朝阳可再生能源掺氢示范项目第一阶段工程”的掺氢比约为5%，但我国相关法律法规和技术标准中并未明确规定天然气管道和管网中的掺氢比上限[22]。

目前在役输气管道是以输送天然气为基础设计的，终端用户燃烧设备也多以天然气为燃烧介质设计，使用天然气作为原料的终端企业的工艺流程也均基于天然气设计。因此，掺氢后会对天然气管输系统及终端用户产生广泛的影响。掺氢比的确定是掺氢输送的系统性和综合性难题，主要困难在于掺氢比受管道输送系统和终端用户等多个因素共同制约，例如管材材质、燃气互换性、燃爆安全性等。管道和管网的范围越大、设备越多、运行工况越苛刻，对掺氢比上限的要求也越严格，但目前不同掺氢比对输气管道系统和终端用户产生的影响尚不十分明晰。对于天然气管道和输送设备而言，管道材质、运行年限、腐蚀情况、所在地区安全等级划分、天然气组分、压缩机等均会对掺氢比的确定有影响。例如，在高压富氢天然气环境中，管材发生氢脆、氢腐蚀等各种氢损伤的风险增加，典型材料力学性能的劣化加剧，管材失效破坏的风险增大。此外，掺氢后管道水力工况和离心式压缩机的运行工况也会发生相应变化。有学者研究认为，在不更换现有压缩机条件下若要保证管道输送系统安全平稳运行，建议掺氢比上限不超过17%[23-24]。还有学者从管道与离心式压缩机组成的系统进行分析，发现掺氢后管道和压缩机联合工作的平衡点发生移动，在保持压缩机转速不变、掺氢比为30%时，压比和轴功率分别下降了20%、36%，对应的压力和流量分别降低了7%、11%[25]。

对于终端用户，由于氢气与天然气的基本性质差别较大，掺氢后天然气的密度、热值、燃烧特性等发生改变，而燃气灶具、燃气发动机、锅炉及燃气轮机等燃烧设备由于各自燃烧性能的不同，对可接受的掺氢比范围也不同，需充分考虑掺氢后的燃气互换性及掺氢对燃烧性能的影响。为查明掺氢后燃气的互换性和燃具的适应性，研究者采用不同的燃气互换性判别方法对掺氢天然气的燃烧特性和掺氢比上限进行了研究，例如德尔布指数法、韦弗指数法、沃泊指数与热值法。研究表明，在满足12T[26]天然气特性指标的范围内，随着掺氢比的增加，掺氢天然气的华白数逐渐下降、燃烧势逐渐升高，燃烧的一次空气系数逐渐增大、热负荷逐渐下降、热效率逐渐升高，但燃气的火焰传播速度急剧增大，燃具回火的风险增加，并容易造成燃烧不稳定[13,25-30]。例如，王玮等[25]对掺氢天然气燃烧特性指数的计算表明，当掺氢比为30%时，掺氢天然气的热值降低了21%，沃泊指数降低了10%，而燃烧势增加了48%，同时爆炸上限增加了31%。Jones等[31]对使用掺氢天然气的炉灶进行了实验研究，将天然气的掺氢比逐渐增加至回火极限，发现当掺氢比达到34.7%时为燃烧上限，此时会出现明显的回火现象。Zhao等[32]改进了Jones等的实验，认为将掺氢比上限设为25%更安全可靠，继续增加掺氢比时回火风险增加。为合理确定掺氢比上限，需根据对热值、燃烧势及燃爆范围等的要求，综合确定满足燃气互换性的掺氢比上限。值得指出的是，由于不同判别方法判断燃气互换性的指标和侧重点不同，最终得到的掺氢比上限也存在差异。上述研究综合表明，燃气互换性及燃具要求的合理掺氢比上限约为20%～27%。

此外，国内西安交通大学、清华大学等在燃气发动机方面的研究表明，天然气掺氢后会对发动机的热效率、排放特性、循环变动、稀燃极限等产生一系列影响，掺氢比较低时无需改造发动机，但当掺氢比超过一定值后，需对发动机进行改造[33-36]。Ball等[37]研究表明燃气发动机对掺氢比的适应范围为2%～5%，掺氢浓度过高时发动机会发生爆震等现象，燃气轮机对掺氢比的适用范围也低于5%，但经调整和改造后对掺氢比的适用范围可提高到5%～10%。日本三菱日立动力系统有限公司对采用掺氢天然气作为燃料的大型燃气轮机进行了燃烧实验测试，结果表明使用30%氢燃料混合物时必须对燃烧器进行升级改造，现有燃气轮机的控制系统和密封条件无法适应高浓度的氢气环境。图3为国际能源署在G20国峰会报告中给出的部分典型终端设备的允许掺氢比范围，可以明显看出，不同终端设备对可接受的掺氢比范围相差较大[15]。

图3 不同终端设备对掺氢比的可接受范围图

虽然各国已开展掺氢比研究和天然气掺氢对管道输送系统及终端用户燃烧设备等影响的研究，但目前仍缺乏明确的结论。受天然气组分、设备工况等的影响，不同研究给出的同一设备的可接受掺氢比范围也存在差异。因此，未来应继续开展深入研究，查明掺氢比对在役天然气管道、设备和下游终端用户可能产生的各种影响。综合考虑安全性和经济性等因素，明确不同制约条件下的掺氢比，并制订掺氢天然气管道输送掺氢比的确定准则。

3.2 管材的相容性

天然气掺氢后，管道本体、焊缝、配件、压缩机等均暴露在高压富氢环境中。除了常规天然气管输面临的土壤腐蚀、应力腐蚀和酸性气体腐蚀之外[38]，由于氢含量显著增加，局部氢浓度饱和会引起材料塑性下降，诱发裂纹或产生滞后断裂，发生氢脆；同时，由于氢会与管线钢中的碳反应生成甲烷，造成钢脱碳和产生微裂纹，导致钢的力学性能不可逆的劣化，发生氢腐蚀[8,23]。研究表明，即使在室温或管输压力较低的条件下，氢气也会影响材料的力学性能和断裂机制[39-41]，例如，李正峰等[40]指出在室温和氢气分压小于1个大气压时，管材也能产生氢致滞后断裂。因此，为保证掺氢管输的安全性，需开展高压富氢环境中掺氢天然气与管材的相容性分析。掺氢天然气管道相容性分析的关键是针对管道的当前状态，确定材料典型力学性能与掺氢比和输送压力等之间的相互影响关系，分析不同掺氢比条件下管材能否适应或需要采取的相应措施。目前研究机构和学者已开展相关研究，包括从微观角度揭示发生氢脆和氢腐蚀的内在机理，以及从宏观角度测试和模拟材料典型力学性能在高压富氢环境中的变化，并建立高压富氢环境中材料典型力学性能数据库。

微观方面，主要采用分子动力学方法研究富氢环境下管材发生破坏的机理或采用扫描电镜等仪器观察材料的微观组织结构变化。其中，分子动力学模拟作为一种新兴的数值模拟技术，能从分子水平对材料微观体系进行深入研究，提供材料微观体系随时空的动态演化规律。虽然分子动力学模型与实际金属材料存在一定差异，但能定性分析氢原子对材料力学性能、裂纹扩展等的影响机理。因此，以分子动力学为基础建立基于腐蚀机理的动力学模型，从微观角度对高压富氢环境下管材内部晶格结构变化进行研究，是分析氢脆及氢腐蚀的有效方法[42]。研究发现，实际的金属材料晶格排列并不是非常整齐，往往存在晶格缺陷，氢原子和晶格缺陷具有强烈的相互作用，从而影响材料的力学性能。例如，Sanchez等[43]、Matsumoto等[44-45]通过分子动力学模拟分析了氢原子在铁原子间隙中的扩散，结果均表明由于大量氢原子的存在，导致铁原子之间的相互作用显著减弱；高能晶界的间隙较大，更容易捕获氢原子，晶格缺陷能降低，导致管材在气态氢环境中发生典型的变形和断裂行为；在高压氢环境（300 K、70 MPa）下，高能晶界的内聚能降低约25%。何洋[46]模拟了氢在不同晶格结构铁（α-铁、γ-铁、ε-铁）中的扩散规律，发现氢在体心立方结构的晶格中扩散系数最大，在密排六方结构中的扩散系数最小。卢焘[47]研究了不同温度下氢原子在α-铁中的扩散和点缺陷对氢原子扩散的影响，发现点缺陷可捕获氢原子，对氢原子的扩散起到抑制作用，而且点缺陷的捕获效应对氢原子扩散的影响随温度的升高而减弱。张磊[48]采用分子动力学方法探究了氢原子对α-铁裂纹扩展的影响，发现氢原子进入铁中会引起晶格畸变，使得α-铁更容易产生位错成核，导致α-铁的屈服应力下降；当氢原子大量吸附在裂纹表面时，会促进裂纹扩展。付雷[49]对氢致裂纹扩展的分子模拟研究发现，加氢后铁的断裂韧性值降低，裂纹开裂扩展的临界条件减小。

在宏观研究方面，主要集中在材料典型力学性能的实验测试，包括拉伸试验、疲劳特性、断裂韧性和裂纹扩展实验，这些实验可以得到氢环境下材料的力学性能参数，为氢环境服役下管道的设计及运行提供依据[50]。例如，美国圣地亚国家实验室对大多数用于氢环境的材料进行了评估和测试，形成了常用材料抗氢脆性技术参考数据库[51]，日本产业技术综合研究所也形成了材料氢脆性能试验数据库。国内浙江大学等也开展了国产材料的氢与金属相容性实验数据库的建设，研究了富氢天然气对X80管线钢的影响规律，查明了12 MPa压力下掺氢比分别为0%、5%、10%、20%、50%的掺氢天然气环境中X80钢性能劣化（拉伸性能、疲劳性能、氢脆敏感指数）、疲劳寿命以及断裂安全的变化趋势，全面评价了X80管材在富氢天然气环境中的适用性[52-54]。研究发现，掺氢比对管材氢脆敏感性有重要影响，X80钢在12 MPa和室温条件下，掺氢比由0增加到10%时氢脆敏感度指数由1.0增加到26.4；掺氢后管道疲劳寿命显著降低，不掺氢管道的疲劳寿命是掺氢比50%的掺氢管道的22.8倍。此外，很多学者也开展了卓有成效的实验和模拟研究。例如，Haeseldonckx等[23]发现掺氢天然气管道破坏中氢脆是主要影响因素，氢脆不仅取决于管材本身，也和管道的服役状况密切相关。如果管道之前有疲劳损伤和疲劳微裂纹，可为氢原子的聚集提供场所，导致管道发生氢脆的概率增大。研究还发现当氢气分压仅为1.7 MPa时，17%的掺氢比下管材的疲劳裂纹扩展速率仍可增加一到两个数量级。Melaina等[11]、Gondal等[55]均发现氢对管道力学性能的影响主要受天然气组分、掺氢比、管道工况（压力、温度）、管道强度水平、材料微观组织以及管道运行历史等影响，低强度钢更适合掺氢天然气输送，掺氢比低于50%时管道不易发生灾难性断裂，输送压力低于2 MPa时管道不易在缺陷处发生氢致裂纹扩展。黄明等[13]指出掺氢天然气管道易发生氢脆，使得掺氢天然气对管材及其处理的要求很高，需加强对管道损伤、裂缝的探查和处理，现役天然气管道输送掺氢天然气时须对管道重新进行缺陷检测和修复。Bae等[56]在10 MPa氢气环境中对X70钢进行了拉伸性能、断裂韧性和疲劳裂纹扩展性能测试，发现材料缺口抗拉伸强度明显降低，疲劳裂纹扩展速率比空气中同等条件下高近10倍。Slifka等[57]、Drexler等[58]分别对比研究了空气和不同压力（5.5 MPa、34 MPa）氢气环境下，X52、X70和X100管线钢在低频循环应力下的疲劳特性。研究发现，这三种管线钢的表现基本类似，在氢环境下的疲劳裂纹增长速率比在空气中的增长速率高一到两个数量级，这说明高强度管线钢不宜直接在高压富氢环境中使用。张小强等[59]研究了管材与掺氢比、输送压力等之间的相互关系，并给出了不同掺氢比对管材的影响及采取的对应措施，提出目前可根据掺氢比确定掺氢天然气管道相容性分析方法，当掺氢比超过10%时，可依据《Hydrogen Piping and Pipelines：ASME B 31.12-2014》[60]进行分析；当掺氢比小于10%时，ASME B 31.12-2014不再适用，可参照《Hydrogen Pipeline System：CGA-5.6》[61]进行分析。封辉等[62]分析了近年来管线钢氢脆的研究现状，总结了氢脆机理和影响氢脆的因素，指出目前管线钢方面的氢脆机理仍不明晰，在如何抑制管线钢氢脆方面依然需开展系统研究。

值得指出的是，上述相容性研究主要针对掺氢天然气主干输送管道，掺氢天然气与城市输配管网的相容性一般不考虑。相比主干长输管道而言，城市输配管网的输气压力较低（输气压力等级划分中4个压力等级低于1 MPa，只有高压燃气管道压力为1.6～4.0 MPa），管网所采用的管材多为低强度钢管、球墨铸铁管和聚乙烯管等。对于低强度钢而言，在运行压力较低的城市输配管网中发生氢损伤的风险相对较低，而对于球墨铸铁管和聚乙烯管，在常规工况下通常不需要考虑掺氢导致的氢损伤[54]。

虽然目前已针对掺氢管道相容性开展了一定研究，但目前高压富氢环境下材料典型力学性能试验多针对纯氢环境或氢气与甲烷（或氮气）混合环境展开，与真实掺氢天然气存在一定差异，未考虑H2S、CO、CO2等组分的协同影响。与国外研究相比，目前我国仍缺乏典型管线钢材料在掺氢天然气条件下的力学性能基础数据库，对不同掺氢比下管材及其他关键输送设备的典型材料力学性能劣化规律研究不足，对金属本体及焊缝等抗氢脆能力评价研究不足。尽管目前研究均表明天然气掺氢后会给管道及相关设施带来诸多不利影响，但掺氢比与材料氢破坏、管道压力等之间的定量关系仍不明晰，未来需开展进一步研究。

3.3 泄漏、积聚、燃烧、爆炸等安全事故

受管道腐蚀、设备老化、第三方破坏等影响，掺氢天然气在管输过程中难免发生泄漏。泄漏后的掺氢天然气如果发生积聚，在受限空间内可引起窒息危险，受外界因素影响还可能引发燃烧和爆炸等。因此，开展掺氢天然气管道泄漏、积聚、燃烧和爆炸等安全事故的研究具有重要意义。由表1可知，氢气具有燃点低、爆炸区间范围宽和扩散系数大等特点。因此，不同掺氢比的天然气发生泄漏、积聚、燃烧、爆炸等安全事故的特征和演化规律与常规天然气存在一定差异。例如，天然气掺氢后火焰传播速度、火焰温度均比常规天然气增大，可能导致更加剧烈的燃烧或爆炸，对制订安全距离有很大影响。值得指出的是，在过去半个多世纪，伴随天然气工业的发展，针对常规天然气输送时管道及设备的安全事故的研究已比较充分，学者们采用实验方法、理论分析、经验公式和数值模拟等手段等进行了多方位研究。尤其是近二十年来，随着计算机技术的迅猛发展和数值计算方法的进步，很多研究都基于PIPEPHASE、SPS、FLUENT、OpenFOAM、FireFOAM、CFD-ACE、PHAST、FLACS等软件开展，获得了实验和经验无法得到的大量完备数据和定量结果，为天然气管道输送安全事故研究提供了有力支撑[63]。这些研究也为掺氢天然气管道输送安全事故研究提供了重要参考和有益借鉴。

目前相关机构和学者已开展掺氢对天然气管道及设备泄漏、积聚、燃烧和爆炸等安全事故影响的研究。美国燃气技术研究院评估了不同级别天然气管道加氢后的风险，结果表明，在天然气管网中加入氢气会增加泄漏风险，但掺氢比低于20%时泄漏风险增加的幅度较小[11]。加拿大滑铁卢大学的研究人员指出，掺氢比在20%以下时氢气导致的点火风险和泄漏风险有限，不会显著增加天然气的泄漏量，但掺氢比超过20%时，其泄漏损失量约为未掺氢时泄漏量的两倍。欧洲NATURALHY天然气管网掺氢输送示范项目表明，掺氢天然气在建筑内的泄漏特性和天然气类似，但气体浓度和积聚体积随着氢气含量上升而增加，掺氢比小于50%时增加很小；室内爆炸危害程度会随着氢气含量增加而加重，但掺氢比低于20%时危害增加较小[64]。Wilkening等[65]以比利时高压天然气管道意外事故泄漏爆炸为背景，对比研究了建筑物间高压氢气管道和天然气管道在不同风速环境下泄漏后气体云团分布和燃烧爆炸后果。发现气体的燃烧极限对燃烧爆炸有重要影响，由于密度不同，氢气云团比天然气云团距离地面或建筑物更远，降低了点火的可能性。Lowesmith等[66]对天然气和掺氢天然气的高压射流火灾规律进行了实验研究，结果表明两者的火焰外形相似，但掺氢天然气的火焰长度要小于天然气的火焰，导致掺氢天然气管道表面热负荷大于天然气管道。Lowesmith等[67]还研究了超高压天然气和掺氢比为22%的天然气在直径为150 mm管道完全破裂后气体的泄漏燃烧规律。实验表明，由于天然气密度比掺氢天然气大，天然气管道内压力衰减较慢，但天然气的泄漏质量流量高于掺氢天然气；管道破裂后的火灾危害并未因掺氢而显著增加，掺氢天然气燃烧产生的热辐射会略小。Heidari等[68]模拟了氢气/空气混合气体的爆燃和爆震过程，并验证了预测模型中火焰温度、速度以及爆震压力等的准确性。掺氢管道除了发生泄漏，由于氢气的密度和分子体积均比甲烷小，氢气的渗透速率比天然气高，从而导致掺氢天然气管输过程还容易发生渗漏，尤其在非金属（如PE、PVC）管道中。但研究表明，虽然氢气的渗透和扩散系数比天然气大，但渗漏的影响相比整个管道输量可近似忽略。例如，荷兰某掺氢天然气管网当掺氢比为17%时，氢气每年的渗漏量仅为掺氢总量的5×10－4%[69]。

刘延雷等[70]对高压氢气和天然气泄漏扩散特征进行了模拟研究，发现较之于天然气，同等条件下氢气泄漏扩散后的云团更大、更集中，在扩散过程中氢气初始泄漏速度远大于天然气泄漏速度，更容易与周围压力达成一致。但泄漏后的氢气云团主要集中在高空，天然气云团在近地面处，导致天然气泄漏后的危险性大于氢气。郑凯[71]结合实验和模拟，研究了不同比例氢气—甲烷混合气体预混爆燃的火焰特性随喷口、管道开口条件、长径比、障碍物等的变化规律，建立了氢气—甲烷预混火焰模型，分析了火焰传播过程。刘斐斐等[72]采用模拟手段研究了管道内氢气—氮气混合物的多级泄漏爆炸过程，通过设置不同的泄爆口分析了爆燃转轰爆及其抑制过程。王鲁庆等[73]实验研究了圆管内障碍物对氢气—空气和氢气—甲烷—空气爆炸冲击波的影响，结果表明障碍物越密集，对爆炸冲击波的削弱程度越明显。赵永志等[54]研究表明，掺氢后火焰传播速度急剧增加，可能导致剧烈的燃爆，但燃爆规律在不同的空间形式（开放空间、部分受限空间、完全受限空间）和不同掺氢比时表现不同。Wang等[74]数值研究了氢气和氢气—甲烷喷射火焰的辐射特性，所预测的火焰长度和辐射分数与前人实验结果吻合良好，结果表明地面反射率仅对较小的氢气喷射火焰的表面发射功率有影响。Zhang等[75]模拟了不同体积分数的氢气、丙烷和甲烷与空气混合后在有内置障碍物约束体积内的爆炸特性，结果表明在其他条件相同时，氢气和空气的混合气体爆炸具有较高的峰值压力，但3种气体爆炸时不同位置的爆炸温度几乎无差异。花争立等[76]研究了掺氢天然气管道失效引起的欠膨胀喷射火行为和失效后果，分析了掺氢比、管道压力和喷口尺度的影响，发现喷射火火焰轴线上的最高温度仅与掺氢比有关，而喷射火火焰长度随管道压力以及喷口尺寸的增大而增加。

从上述研究可看出，虽然针对掺氢天然气管道输送泄漏导致的安全事故已开展了相应研究，但多数研究不具普适性，实验研究较少，少数研究结论不一致。而且目前针对纯氢管道的研究较多，针对不同掺氢比天然气的研究较少。因此，未来仍需深入开展不同掺氢比天然气安全事故研究，探明不同掺氢比天然气管道及输送设施的泄漏、积聚、燃烧、爆炸事故特征和演化规律，为天然气管道应急抢修等提供技术支撑。

3.4 管道的完整性管理

天然气管道的安全可靠运行对保障用气安全和国计民生具有重要意义。对现役天然气管道进行完整性管理，有利于及时发现管道运行过程中可能面临的风险，是保障天然气管道安全可靠运行的重要措施[77-78]。管道完整性管理的过程就是对管道进行风险评估、安全性评价和可靠性评价等，了解事故发生的可能性和将导致的后果，并制订预防和应急措施。与常规天然气管道相比，对掺氢天然气管道进行完整性管理时需考虑氢气的影响，完整性评价和管理准则会发生变化。但目前掺氢天然气管道输送仍处于初步研究阶段，尚未有相关标准和规范对掺氢天然气管道的完整性管理做出明确规定。而目前现役天然气管道的风险评估、安全性评价和可靠性评价方法等已比较成熟，相关标准和规范已比较完备。因此，在目前阶段可借鉴现有天然气管道的相关评价方法并充分考虑掺氢的影响，对掺氢天然气管道进行风险评估、安全性评价和可靠性评价，进而进行完整性管理。

风险评估是管道完整性管理的重要部分，需根据现有的管道信息辨识风险事件与可能导致管道失效的情况，确定风险事件导致管道失效的可能性并评估失效后果的严重程度。现役天然气管道的风险评估依据是《埋地钢质管道风险评估方法：GB/T 27512—2011》[79]，风险评估的基本流程如图4所示。由图4可知，掺氢后会对管道各区段失效可能性得分和失效后果得分产生直接影响。在对各区段失效可能性进行评分时，需分别确定第三方破坏得分、腐蚀得分、设备及操作人员得分和本质安全质量得分，最后计算总得分。由于掺氢天然气与常规天然气在基本性质上存在差异，因此会对上述4个评分项中的腐蚀得分产生影响。根据GB/T 27512—2011的规定，传统天然气介质腐蚀性的影响因素主要考虑含水量、二氧化碳含量、硫化氢含量和介质流速，而天然气掺氢后由于氢含量的增加，管道处于高压富氢环境中，管材的氢脆和氢腐蚀等加剧，因此腐蚀得分需考虑不同掺氢比下氢脆和氢腐蚀等的影响，明确不同掺氢比下氢脆和氢腐蚀等对腐蚀得分权重的定量影响关系。

图4 在役天然气管道输送风险评估基本流程图

在对各区段失效后果进行评分时，需分别确定介质的短期危害、介质的最大泄漏量、介质的扩散性、泄漏原因、人口密度、沿线环境和中断供气对下游影响等7项评分。分析可知，天然气掺氢后主要对前4项评分有影响。其中，介质的短期危害分为介质的燃烧性、介质的反应性以及介质的毒性，掺氢后对介质的燃烧性产生显著影响，实验表明氢气在空气中的最小点火能量仅为0.017 mJ，远小于天然气的最小点火能量。因此，掺氢天然气比天然气更容易发生燃烧；此外，氢气燃烧的火焰传播速度约为300 cm/s，远大于天然气燃烧的火焰传播速度[7]；因此，掺氢天然气的燃烧性风险得分应提高，具体取决于掺氢比。介质的最大泄漏量在相同时间内取决于介质的泄漏速度，包括渗漏和意外泄漏两种情况。渗漏是指气体分子穿过管道壁面、焊口或密封等的渗透，对于金属管道，焊接和密封处的氢气渗透速率比天然气快，对于非金属管道，氢气的渗透速率是天然气渗透速率的4～5倍，具体取决于管输压力和管材性质等。对于意外泄漏，相同条件下氢气的泄漏速率大于天然气，所以掺氢天然气发生意外泄漏时的泄漏量会增大，具体取决于掺氢比[54]。综上，对于掺氢天然气，需提高介质最大泄漏量的得分。介质的扩散性主要取决于扩散系数，氢气的扩散系数为0.61 cm2/s，约为天然气扩散系数的4倍。因此，掺氢天然气的扩散性比天然气强，泄漏的掺氢天然气更容易扩散到外界环境中，使泄漏导致的风险降低，需降低介质的扩散性得分。而掺氢后引起的氢脆、氢腐蚀等可能会导致管道发生穿孔和开裂，引起管道的泄漏。因此，掺氢天然气管道需提高泄漏原因得分。表2总结了掺氢后天然气管道风险发生变化的评分项、风险变化趋势及产生原因。

表2 天然气管道掺氢后的风险变化表

此外，还需对管道的安全性进行评价，以确定管道的缺陷结构能否继续使用。安全性评价一般是在管道缺陷的定量检测基础上，通过一系列严格的理论分析与计算来确定缺陷是否危害管道结构的安全可靠性，并根据缺陷的发展规律，进一步确定管道的安全服役寿命。对掺氢天然气管道进行剩余寿命预测时，常见的不同管道缺陷速率受掺氢影响的变化分析如表3所示。在表3中，体积型缺陷一般指管道的局部打磨、气孔和介质腐蚀所造成的缺陷，氢腐蚀会加剧管道的腐蚀速率，从而使缺陷加剧，降低管道寿命。平面型缺陷多指输气管道在焊接和安装的过程中在焊缝处会产生裂纹和缺陷，随着管输过程中压力的波动，管道应力会发生变化从而导致裂纹的扩展，影响管道的使用寿命。

表3 缺陷速率变化表

天然气掺氢后，氢原子会聚集在焊缝缺陷处，加速焊缝处缺陷的发展和裂纹扩展。传统天然气管道的裂纹扩展速率与裂纹尺寸、管道应力以及材料性能密切相关，目前关于疲劳裂纹扩展速率的计算公式有很多，工程中常用的是Pairs公式[80]，其与实验结果吻合较好。

式中da/dN表示裂纹扩展速率；C和n表示与材料有关的常数，大小取决于温度、应力的加载方式、实验环境以及材料的微观组织等；ΔK表示裂纹尖端应力强度因子幅度，为应力强度因子最大值和最小值之差。

Alliat等[81]、Somerday等[82]研究均表明掺氢天然气环境中管材的疲劳裂纹扩展速率快于天然气环境中管材的疲劳裂纹扩展速率。蒙波[53]模拟了不同掺氢比下裂纹扩展速率随应力强度因子的变化，结果表明随着掺氢比的增大，裂纹扩展速率会逐渐增大，管道的疲劳寿命下降。除此之外，还对不含氢气和氢气含量50%的X80管道进行了断裂力学安全评定，根据《Guide to Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Metallic Structures：BS 7910-2013》[83]评定的结果显示不含氢气管道的允许裂纹尺寸大于氢气含量50%高压输送管道的允许裂纹尺寸。因此，为保证管道不发生断裂失效，掺氢天然气管道相比常规天然气管道在裂纹容许尺寸检测规定上应有更加严格的验收标准。在弥散型损伤缺陷中，氢鼓泡的形成条件是存在处于原子状态的氢并且管道加工过程中在钢材内部形成空穴[84]。天然气中掺入氢气后，会有更多的氢原子进入管材空穴内部从而加剧氢鼓泡的形成，加快损伤速率，降低管线寿命。

对掺氢天然气管道进行可靠性分析是完整性管理的内容。目前在腐蚀管道的可靠性分析中，主要采用概率论和数理统计等数学工具进行定量分析。常见的管道可靠性评价方法有一次二阶矩法、蒙特卡罗法和神经网络法等。根据所选取的管道极限状态方程的不同，管道失效概率的计算也有多种方法。温凯等[85]基于《Oil And Gas Pipeline Systems: CSA Z662-2017》标准[86]，建立了管道抗力和载荷的分布函数，实现了管道失效概率的计算。李文涛[87]根据《Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines: B31G-2012》标准[88]对管道的失效概率进行了计算，并预测了管道的剩余寿命。何蕾等[89]从管道腐蚀的角度出发，利用C-FER模型计算了管道的失效概率，并采用神经网络模型研究了管道可靠性与运行年限之间的关系，将计算结果与蒙特卡罗方法结果进行了对比，验证了模型的准确性。但无论采用哪种方法计算管道的失效概率，关键是对管道的应力状态进行分析。管道的缺陷会影响管道的应力分布，而腐蚀决定着缺陷的变化。因此，对于输送掺氢天然气的管道，氢脆和氢腐蚀会加剧管道的缺陷并劣化管道所能承受的极限应力，从而增大管道的失效概率。在掺氢天然气管道风险评估、安全评价和可靠性评价基础上，可以根据不断变化的管道因素，识别和评价管道运营中面临的风险，制订相应的风险控制对策，将管道运营的风险水平控制在合理的、可接受的范围内，这就是管道完整性管理的主要任务[90]。

在未来研究中，需继续深入开展在役天然气管道输送不同掺氢比天然气的风险评估方法，探明掺氢比与风险评估得分权重的量化关系，发展输送不同掺氢比天然气的安全性评价和可靠性评价方法，完善掺氢天然气管道完整性管理方案，同时发展掺氢天然气管道及相关输送设施在线缺陷检测技术和应急修复技术，全面保障掺氢天然气管道安全可靠运行。

3.5 水力工况、配套工艺及相关标准和规范

与常规天然气相比，天然气掺氢后管输水力工况也会发生变化。Tabkhi等[91]建立了掺氢天然气管道输送数学模型，模拟了管道输送水力工况，发现相同计算条件下掺氢后管道输气能量会降低，如要保持输气能量不发生明显变化，建议最大掺氢量为6%（按质量分数计）。黄明等[13]根据掺氢天然气管道输送模型，提出采用输气功率衡量管道输送能量的能力，模拟发现保持压降不变时随着掺氢比的增大，掺氢天然气的体积流量比未掺氢时显著增加；当掺氢比为23%时，可通过提高管道起点压力来保证管道的输气能力不变。王玮等[25]研究了掺氢比对天然气输送管道水力参数的影响，计算表明在环境温度为15 ℃、掺氢比为30%时，管道出口压力增加了9.1%，最大输量增加了14.8%，输气功率降低了9.2%；为保证输气功率不变，可适当提高管道运行压力。Guandalini等[92]基于能量流量模式对掺氢天然气管网输送水力工况进行了模拟，结果表明掺氢比为5%时引起的管网压降仅约为0.1%。吴嫦[93]对重庆某片区天然气管网掺氢输送进行了瞬态水力仿真，发现随着掺氢比和节点用气量增大，节点压力相比于未掺氢时的压降增大。但上述研究均指出，当掺氢浓度较低时，不会引起天然气管输水力工况发生明显变化。掺氢除了对水力工况产生影响外，与管道配套的压缩机性能也受影响。由于掺氢后管道输送的气体能量减少，需提高离心压缩机的转速以增加系统的运行压力[23]。王玮等[25]的研究表明，在离心压缩机转速不变的条件下，掺氢后压缩机的压比和轴功率曲线将会下移。例如在流量为5 500 m3/h、掺氢比为30%时，压比和轴功率分别下降约20%和36%。值得指出的是，由于不同学者在研究中采用的天然气组成、管输参数等存在差异，掺氢对管道水力工况影响的结论并不统一。

除了管道水力工况外，还需发展相关配套工艺和技术。例如，掺氢天然气管道站场工艺流程设计及站场放空特性，精准掺氢技术及设备研发，掺氢天然气的氢分离技术及设备研发等。其中，由于掺氢比对管道输送过程及下游终端用户具有重要影响，精准掺氢技术和设备尤为重要。目前常用的一种掺氢技术是采用流量随动式混气装置将氢气与天然气进行混合，典型掺氢工艺示意图如图5所示，氢气来自高压气瓶组，经过节流后降压至天然气输送压力，然后进入流量随动式混气装置与天然气进行混合，混合均匀后输至下游管道[94]。此外，如果终端用户的需求为纯氢，则需要对掺氢天然气进行氢分离，但此操作的成本一般较高，以变压吸附为例，根据掺氢比和最终使用需求，有研究数据表明分离成本为3～6美元/kg。因此，掺氢天然气的使用一般不以纯氢为目的。此外，还有学者对掺氢天然气管道与常规天然气管道的接头连接差异、管道试压及吹扫要求的差异进行了分析和研究[95]。

图5 天然气管道输送站场掺氢工艺示意图

由于面临诸多挑战，掺氢天然气管道输送的相关技术标准和规范仍是空白。虽然欧美国家等较早开展氢能输送研究和示范，目前已针对纯氢气长距离输送管道设计与建设颁布了若干标准规范，例如，压缩气体协会的《Hydrogen Pipeline System：CGA-5.6》[61]、美国机械工程师协会的《Hydrogen Piping and Pipelines：ASME B 31.12-2014》[60]、欧洲工业气体协会《Hydrogen Pipeline Systems：EIGA的IGC Doc 121/14》[96]等，但尚未颁布专门针对掺氢天然气管道长距离输送的标准规范。我国掺氢天然气管道输送研究起步较晚，目前尚无相关技术标准和规范，相关项目目前基本参照常规天然气管道进行建设和管理。因此，未来亟需开展国内掺氢天然气管道输送及配套工艺的技术标准和规范研究。此外，还需制订掺氢天然气技术相关产业政策，虽然国家在投资、价格、金融、税收等方面给予政策支持，但目前政府仍将氢气归为危化品气体管理，安全和环评验收流程复杂，这在一定程度上也制约了掺氢天然气管道输送技术的发展。上述问题均需在未来研究中予以充分考虑。

4 掺氢天然气管道输送代表性示范项目简介

目前很多国家已开展掺氢天然气管道输送技术的研究，并实施了小规模的示范项目。据国际能源署数据显示，截至2019年年初，各国有37个示范项目正在研究天然气管网掺氢，包括通过天然气掺氢输送为家庭和企业供热可行性、测试天然气管网掺氢比对输配关键设备、材料、终端设备和电器等的影响、掺氢天然气地下储存技术和监测要求等。下面仅简要介绍部分代表性示范项目的概况[97]。

欧洲委员会在2004—2009年期间开展的NATURALHY项目是较早开展掺氢天然气管道输送研究的示范性课题[64,98-99]，该项目于2004年5月正式启动，总共有包括天然气运营商、设备制造商、研究机构、大学和咨询机构等在内的39家单位参与，项目总预算1 730万欧元。NATURALHY项目在掺氢天然气全生命周期社会经济评价、管网及设备安全性、相容性和完整性、终端用户等方面开展了广泛研究，最终目的是探究能否通过欧洲在役天然气管网安全输送氢气，测试的掺氢比范围为0～50%。项目发现当掺氢比低于20%时，采用天然气管网输送氢气的安全性问题与不掺氢时未发生明显变化，但如果掺氢比高达50%，则需要认真评估安全性问题。荷兰在2008—2011年期间将阿默兰岛风电制取的氢气掺入当地天然气管道中，在2010年时年均掺氢比达到12%[100]。德国能源巨头意昂公司2012年在法尔肯哈根地区建设了1座2 MW的风电制氢示范电厂，将制取的氢气以2%的体积比注入当地天然气管道[101]；2015年在汉堡市Reitbrook地区兴建了1.5 MW的P2G项目，将风电制氢在3 MPa压力下直接注入当地中压天然气管道，氢气掺混量最高为285 m3/h[102]；2019年意昂公司的子公司Avacon计划未来将其运营的天然气管网掺氢比提高到20%[19]。法国环境与能源管理署在2014年赞助了为期5年的GRHYD掺氢天然气应用示范项目，将可再生能源如风电制氢以低于20%的比例注入天然气管网，还将掺氢比为6%～20%的天然气通过压缩天然气加注站供50辆天然气大巴车使用[103]。2019法国GRTgaz、GRDF、Elengy等多家天然气管道运营商建议法国政府对天然气管网进行改造，以从2030年开始输送掺氢比为20%的天然气[20]。意大利天然气管网运营商Snam公司2019年在南部坎帕尼亚将掺氢比为5%的天然气注入天然气管网进行输送，后来又在该地孔图尔西泰尔梅管网中测试输送掺氢比为10%的天然气[104]。英国2020年向斯塔福德郡基尔大学运营的内部天然气管网注入20%的氢气，为100户家庭和30座教学楼提供混合燃气，氢气由ITM-Power公司通过可再生能源电解制取，初期电解槽装机0.5 MW。该试验是英国2017年启动的为期6年的HyDeploy项目的子项目之一，HyDeploy后续还将对英国东北部和西北地区的天然气进行逐步测试，探索各种天然气管网和客户之间的融合，以践行英国减少碳排放的目标[21]。

我国在掺氢天然气管道输送示范项目方面的研究进展相对较缓慢。2017年10月国家电力投资集团研究院与辽宁省朝阳市人民政府签约共建氢能源产业基地，主要进行天然气掺氢应用推广示范项目、氢能交通和分布式供能示范及产业化项目。国家电力投资集团有限公司在2019年主持建设了“朝阳可再生能源掺氢示范项目第一阶段工程”[22]。虽然包括我国在内的多个国家都开展了掺氢天然气管道输送的示范项目，但掺氢对在役天然气管道输送系统安全的影响仍不十分明晰，目前主要借鉴常规天然气管道建设和运营的经验。鉴于安全性和经济性的原因，目前掺氢天然气管道输送仍不具备大规模推广的条件，需进一步试点和研究。

5 结论与展望

掺氢天然气管道输送是解决我国可再生能源弃电制氢大规模、长距离、安全高效输送的重要手段，是我国特色氢能产业链的重要一环。本文通过大量文献调研，对掺氢天然气管道输送中的掺氢比、管材相容性、安全事故、管道完整性、水力工况、配套工艺及标准规范等关键问题的研究现状进行了分析和探讨。掺氢天然气管道输送是一个复杂的系统工程，既要考虑技术可行性，还受安全性和经济性等制约。虽然包括我国在内的多个国家均已开展掺氢天然气管道输送的初步示范，但目前仍不具备大规模推广的条件，其中的核心问题是如何确定合适的掺氢比并明确不同掺氢比条件下天然气输送系统的安全性。为此，建议未来应加强以下方面的研究：

1）研究掺氢天然气对管道、关键输送设备、下游终端用户以及整个输送系统的影响，明确不同制约条件下我国现役天然气管道的掺氢比，制订天然气管道输送掺氢比的确定准则。揭示掺氢天然气对我国典型管线钢材料和关键输送设备产生氢脆和氢腐蚀的影响机理，明确掺氢比与材料氢损伤之间的定量关系，建立典型管线钢材料关键力学性能数据库，综合分析掺氢天然气与现役管道及设备的相容性。

2）揭示不同掺氢比下天然气管道及关键设施设备泄漏、积聚、燃烧和爆炸等安全事故特征和演化规律，明确掺氢比对管道安全事故产生的新影响，发展掺氢天然气管道泄漏在线智能监测技术和应急修复技术。发展不同掺氢比天然气管道输送风险定量评估、安全性和可靠性评价方法，揭示不同掺氢比下天然气管输的风险性、安全性和可靠性的变化规律，开展考虑掺氢影响的天然气管道输送全生命周期完整性评价和智能管理。

3）开展掺氢天然气管道输送相应配套设施设备、输送工艺、掺混氢工艺、氢分离工艺等的研究，制订掺氢天然气管道输送技术相关标准规范和安全运行技术体系，出台相应法律法规和政策支持。进一步开展掺氢天然气管道输送示范项目的建设，为掺氢天然气管道输送技术研究提供实际应用验证。