关于天然气管网安全掺氢比10%的商榷

陈伟锋，尚娟，邢百汇，魏皓天，顾超华，花争立

（浙江大学化工机械研究所，浙江 杭州 310027）

2020 年12 月召开的中央经济工作会议，明确提出了“我国二氧化碳排放力争2030 年前达到峰值，力争2060 年前实现碳中和”的宏伟目标。有专家指出，氢能是实现该目标的重要途径之一。氢能具有清洁环保、来源多样、利用高效等诸多优点，正进入快速发展期。安全经济输运是氢能发展的关键环节之一。我国天然气管网比较完善，管道规模大，分布范围广，向已有的天然气管网掺入氢气，有利于实现氢能的大规模输送与应用。

天然气管网的安全可掺氢比例是目前发展掺氢天然气管道输送技术有待攻克的关键问题之一。不少观点认为，当天然气中掺氢比例小于10%（体积分数，下同）时可直接通过天然气管网安全输送，无需加以验证。然而，现有的研究成果并不能支撑该观点，形成这样的结论为时尚早。本文从3个方面详细阐述该结论不成立的理由。

1 管网系统掺氢适应性

1.1 管网材料氢相容性分析

天然气管网掺氢面临的主要安全问题即高压材料氢脆，材料长期处于高压临氢环境中易发生韧性减损、疲劳裂纹扩展速率加快、断裂韧性降低等性能劣化现象，更有甚者引发管道过早失效，危及管网运行安全。掺氢天然气在实际输运过程中工况较为复杂，且混氢环境下，材料氢脆影响因素较多，其与掺氢比、掺氢天然气成分、应力状态、管网原始状态等均相关，因此不能单从掺氢比出发界定是否可以安全掺氢。

1.1.1 掺氢比对氢脆影响

氢气的掺入易导致管网材料力学性能如断裂韧性和疲劳性能显著下降，氢气会加快裂纹扩展速率，降低疲劳寿命，影响程度与掺氢比相关。国内浙江大学在总压为12MPa，掺氢比例为0、5%、10%、20%、50%的模拟掺氢天然气环境中对国产X80 管线钢进行了疲劳裂纹扩展速率（FCGR）试验，试验结果（见图1）表明，氢气的掺入对国产X80管线钢的疲劳裂纹扩展速率影响很大，使其较氮气中的疲劳裂纹扩展速率提高了一个数量级，导致含氢气输送管道的疲劳寿命大幅降低，且当掺氢比从0提高至10%过程中，管道材料氢脆敏感指数从1提高至26.4；即使掺氢5%的情况下，疲劳裂纹扩展速率已出现较为明显的加快，随着掺氢比例的增加，疲劳裂纹扩展速率加快程度继续上升，但上升速率趋缓；微观分析表明氢气掺入后，材料的断裂模式由氮气环境中的韧性断裂转变为脆性断裂。付国强研究煤制天然气中氢气对X80 管线钢力学性能影响，其结果表明当混入5%H和2%CO时，腐蚀疲劳寿命下降严重，循环次数远小于验收设定值。国外相关机构针对管线钢与氢相容性进行了断裂韧度、小孔冲击等试验研究，同样发现掺氢比例较低的模拟掺氢天然气对不同管线钢力学性能的劣化影响也很明显，并且对管材的劣化特点与纯氢有相似之处。因此，对管道输送掺氢天然气的应用不能因掺氢比例较小而放松，应结合管道的工作压力、掺氢比、压力波动范围等条件，通过完整的适用性评价来判断天然气管道是否具有输送掺氢天然气的可能。

图1 X80管线钢在模拟掺氢天然气环境中的疲劳裂纹扩展速率曲线[3]

1.1.2 掺氢天然气成分对氢脆影响

掺氢天然气组分复杂，除甲烷、氢气外，还包含水、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢等。目前研究显示天然气中的部分组分会加剧或抑制材料氢脆，Holbrook等研究显示O可抑制疲劳裂纹扩展速率，但在混氢天然气中，加入氧气，易引起安全事故。掺氢天然气中的HS成分需严格控制，尤其是在高压输送管道之中，HS 分压越高，渗氢速度越快，加快材料氢脆；与此同时还需注意天然气中水蒸气含量，水分子和混合气体中HS 及CO结合，形成酸性环境，增加材料表面氢原子浓度以及氢侵入量。关于其他气体介质对氢脆的作用影响还有待深入探究，从试验的方法角度看，有必要在真实掺氢环境下开展材料力学性能试验，但由于采用真实掺氢天然气试验难度大，相关危险性高，目前国外材料掺氢环境下力学性能试验绝大部分均采用模拟天然气即利用惰性气体代替天然气开展，这样结果显然无法真实还原管材在服役过程中的力学性能。基于上述情况，浙江大学在0.4MPa 真实掺氢天然气中开展了20钢疲劳裂纹扩展速率试验和断裂韧度试验，试验结果如图2所示，发现20钢在真实掺氢天然气中的疲劳性能和断裂韧性劣化明显严重于天然气环境甚至是纯氢环境。进一步研究表明，天然气中二氧化碳与氢的联合作用使得材料出现上述劣化。由于不同来源的天然气组分具有较大差异，这会导致在不同区域掺氢后对管网的劣化程度存在差别，因此不能简单套用个别特定工况下获得的数据而大范围推广。

图2 20#钢在真实掺氢天然气环境中力学性能原位测试结果

1.1.3 应力状态对氢脆影响

天然气管网服役过程中受到压力、自重、温度、地震、设备振动、阀门启闭等作用，应力状态复杂；当处于掺氢环境中，内外应力、残余应力等共同作用将会加速材料氢脆。关于应力对氢脆影响，Holbrook和Cialone等研究了应力比在氢气和氮气环境下对材料FCGR影响，结果表明氢气环境下，当应力比为0.1～0.4 时，FCGR 基本没有变化；当应力比超过0.4时，疲劳裂纹的增长速率明显快于氮气环境，断裂韧度明显下降。其他研究表明管线钢FCGR测试与环境和应力状态相关，在实际管线系统中，由于压缩站或其他行为会导致压力频繁波动，尤其是当应力比值超过0.5时，第二阶疲劳裂纹敏感性增加。

1.1.4 管网原始状态对氢脆影响

Haeseldonckx 等研究发现掺氢天然气管网材料氢脆与管道服役状况有关，若管材出现疲劳损伤和疲劳微裂纹，将促进氢原子在局部的偏聚，已有研究表明，氢原子易在应力集中、缺陷处偏聚，造成局部氢损坏加剧，最终增加局部失效的概率。天然气管网系统服役状况不同，导致天然气管道缺陷、壁厚腐蚀减薄量、承压状况及剩余寿命等均不相同，如果此时盲目掺入氢气，加上危险因素综合作用，会导致管道加速失效。Bae和Thanh等分别开展了10MPa 氢气环境下、低氢含量（体积分数1%）下X70 管线钢力学性能试验，研究发现含缺陷试样的机械性能显著下降，缺口抗拉强度明显降低。有研究表明天然气管道服役期间存在裂纹缺陷，且在动态载荷和氢气共同作用下，氢脆加剧同时管道寿命将会降低20%～50%。黄明等指出在现役天然气管网里掺氢，需加强对管道损伤、裂纹探查，进行相应缺陷检测，必要时对其进行修复。因此，在对天然气管网混氢之前，需根据管网服役时间对管道进行风险性综合评估，对最危险的区域进行可靠性评价，预测管道剩余寿命，根据管道服役评定结果并结合实际运行工况，确定合理掺氢比，从而保证管网安全有效运行。

1.2 管网设备掺氢适应性

除管材外，天然气管网中不同设备的掺氢适应性也不容忽视。在不对现有天然气管输系统改造的前提下，掺氢比例上限取决于系统中掺氢适应性最差的部件。国际能源署（IEA）报告中提供了现有不同设备可适应的掺氢比例上限（见图3），家用燃气器具和锅炉掺氢适应性良好，可接受的掺氢比例最高达30%，而现有管网中已安装的燃气轮机和发动机的控制系统及密封性无法适应高浓度氢气，掺氢比例需分别低于5%和2%。除此之外，氢气还会影响天然气管道输送用计量设施的计量精度，意大利研究人员认为当天然气中掺氢比例≥5%时，计量设施就需要更换或改进；Jacek 和Adrian针对计量设施在不同掺氢比例下开展相关研究，结果表明氢气体积分数低于5%，绝大部分计量仪表满足MPE（the initial permissible maximum error）极限误差要求，偶尔会出现MPE值超标，并不严重；当含氢量超过10%，仪表误差明显超过MPE值。法国天然气输送系统运营商研究结果表明，其管网中最大掺氢比例为6%，除了终端敏感设备外其管线中存储设施最多容纳2%比例的氢气，同时研究进一步指出，当管网和下游设备适应氢气后，掺氢比例方可达到10%，且掺氢比例需与整个管网设备相匹配。以上可看出，掺氢天然气管道输送系统可掺氢比例评估需对系统中的所有设备进行掺氢适应性分析，管网范围越大，与管道相连的设备越多，对安全掺氢比的要求可能越严格。

图3 现有不同设备可适应的掺氢比例上限[20]

2 示范项目掺氢比探讨

迄今为止，许多国家开展了掺氢天然气管道输送系统应用示范项目，研究了天然气管道系统中掺入不同比例氢气后输送以及终端应用等的安全性。尽管掺氢天然气管道输送示范项目较多，国际上对于天然气管道系统中可掺氢比例仍未形成一致结论。

2.1 现有示范项目

“NaturalHy”项目研究了将氢气注入天然气高压输送管线，并通过分配管网输送至最终用户的可行条件。结果表明，在现有管道和终端设备改造较小的情况下，掺混相对低体积分数（＜5%～15%）的氢气似乎是可行的，而更高的掺混浓度将会增加风险且需要对设备进行调整；研究指出管网中掺氢比例取决于管网设备类型以及当地天然气分配条件；项目研究了掺氢后可能面临的风险，即管道故障频率、点火概率、火灾或爆炸严重性等，研究显示在20%的掺氢比下，爆炸频率增加且高达2 倍；氢气的掺入改变了设备运行的可靠性和安全性，目前所有终端设备用途对象均是天然气，尚未考虑设备的氢气适应性；该项目中燃烧器最大掺氢比例为12%，新建管道掺氢比例上限为10%，考虑现役管道材料的耐久性（材料失效行为、性能演化、服役状况、腐蚀状况以及抗爆性等）则降至6%，压缩天然气（CNG）储罐最大掺氢比2%；该项目关于整个管网系统的允许安全掺氢比并没有明确给出；最后还指出，天然气管网掺氢的可行性评估应因地点而异，合适的掺氢比例会因管网系统和天然气组分的不同而发生重大变化，因此必须具体情况具体分析。

“Sustainable Ameland”项目开展了将氢气（掺氢比例为5%～20%）掺入荷兰当地低热值天然气管网供14 户普通家庭使用的研究和示范。在三年多的示范周期内，管道运行及终端应用未出现安全问题，但具体配送管线及附件、家用炊具等与示范掺氢天然气的兼容性资料未披露。

“HyDeploy”项目包括试验研究和示范工作两个阶段。前期试验研究工作表明，在掺氢比例为20%的掺氢天然气条件下，家用燃气用具和配送管道使用性能良好，而现有气体探测器易受氢气干扰无法保证测量准确度，需另开发新型可在掺氢天然气环境下工作的气体探测器。示范阶段向基尔大学专用天然气管网和英国北部天然气管网注入20%比例的氢气，为住宅、教学楼、企业等供气，目前该阶段正在进行中，还未形成现场管道系统掺氢及服役运行经验。除上述项目外，澳大利亚、德国、意大利等国家也开展了相关应用示范项目，掺氢比例从2%～20%均有涉及，但尚未公开研究成果和示范经验等资料。

2.2 示范项目存在的不足

目前，现示范项目均存在一定局限或不足。首先，大部分项目掺氢研究对象是局部短距离管网，并没有将相关设备尤其是工业设备纳入其中，如德国规定其掺氢上限为10%，当下游管网连接加气站时，掺氢比例下降至2%，现有项目有待完善，试点范围需包含整个管网系统及其运行的工业设备；但目前许多工业设备还无法接受较高的掺氢水平，诸如老式天然气发动机，混氢最高含量2%～10%，燃气轮机极限混氢比例不得超过2%，许多经认证的设备掺氢含量低于5%。其次，现有掺氢示范项目缺乏更大规模的耐久性试验，包括工业设备的耐久性试验，尤其是在工业应用中，掺氢比例需慎重对待，工业发动机、燃气涡轮机等对氢气较为敏感，其正常运行受氢气浓度影响较大。天然气基础设施较为复杂，管网分为输送管网和配送管网，且运行工况存在差异性，一些示范项目中管网经过升级改造，与现有在役管网存在一定差异，未充分考虑天然气管网服役状况对掺氢比例的影响；最后各国管网设计参考标准规范不一，管道承受的掺氢比例存在明显差异。

目前示范项目进行的大多是短期应用示范，而材料氢脆损伤是一个缓慢积累的过程，有可能导致掺氢天然气管输系统在短期运行期间未发生明显异常，但这不能确保管道在之后的长期运行期间也不会发生材料失效引发的管道、设备等结构性破坏或气体泄漏、燃烧、爆炸等恶性事故。因此掺氢之前需对现有天然气管网输送系统进行全面的可行性评估，且可行性评估过程相关因素较多，需综合考虑在役天然气管道及配件、设备、天然气成分、氢分压、地理环境、服役历史等多方面因素的影响，不能一概而论，需逐案分析。应用示范是掺氢天然气管输系统可行性短期验证的有效途径，但系统全面地开展管道输送掺氢天然气可行性研究仍是掺氢天然气管道输送长期化和规模化发展不可或缺的首要条件。且我国天然气长输管网输送距离长，覆盖范围广，工况差别大，需针对我国国情具体研究掺氢天然气管道输送系统的安全掺氢比例，切不可盲目照搬国外研究成果。

3 标准规范

目前，国际上尚未出台掺氢天然气管道输送系统专用的标准规范，各国天然气气体质量规范中可允许的最大掺氢比例也各不相同，详见图4（特殊工况分别为：德国，未与管网连接的压缩天然气加气站；立陶宛，压力大于1.6MPa 的天然气管道；荷兰，高热值煤气），大多数国家和地区设置的掺氢比例不超过2%，少数设定为4%～6%，德国虽然规定上限为10%，但如果压缩天然气加气站连接到管网，则该比例大幅下调至2%以下。我国目前缺乏专门针对氢气管道的标准，我国天然气管道输送相关的标准规范《煤制合成天然气》（GB/T 33445—2017）《进入天然气长输管道的气体质量要求》（GB/T 37124—2018）中，分别规定了混合气体中氢气比例上限不超过5%和3%；两标准分别针对煤制合成天然气和天然气管网，考虑到天然气/煤制天然气生产过程中有氢气，诸如焦炉煤气中氢体积分数约50%、甲烷约30%，且氢气含量作为一项重要技术指标，需严格控制，达到控制和保证天然气/合成天然管网输运安全。可以看出，各国对天然气中氢气含量要求较为严格，即便是开展了掺氢天然气管道输送相关示范和研发工作的国家，对天然气中可掺氢比例依然相当谨慎，相关标准中规定的掺氢比例上限都未超过10%。

图4 部分国家和地区对天然气中掺氢比例上限的要求[20,30]

对于氢能管道系统标准规范，有两项国际标准关注度较高，分别是美国机械工程师协会的Hydrogen Piping and Pipelines（ASME B31.12—2019）和欧洲压缩气体协会的Hydrogen Pipeline Systems[CGA G-5.6—2005(Reaffirmed 2013)]，此两项标准规范出发点主要是针对氢气系统，输送介质主要是氢气。

ASME B31.12包括通用要求、工业管道、管线和附录4个部分，其中管线部分适用于氢气、氢气混合物和液氢的长输管道、分输管道及服务管道系统。该部分对适用的输送介质指标除包括压力、温度和水蒸气含量外，还包括气体中氢含量。该标准主要适用对象是氢气系统，其适应范围中明确指出含氢比例大于10%的气体，然而目前业界出现对标准的一些误读，认为在现有天然气管网中掺入10%的氢气是安全的，且无需对材料、管网设备以及配件等进行氢安全评定，然而事实并非如此。ASME B31.12规定了氢比例不小于10%的输氢管网基本要求，并不代表当掺氢比例不超过10%时不需要执行特殊要求和考虑。由于掺氢天然气输送是近年来快速发展的技术，所以ASME B31.12重点关注了氢气比例较高的气体输送。从前述的材料氢损伤特性随掺氢比例的演化特性来看，当氢体积分数小于10%时（例如5%），材料疲劳裂纹扩展速率等出现了显著加快，因此输送管线应该执行特别的要求。参照ASME B31.12的相关内容，诸如在管道设计上，为降低材料氢脆带来的管道失效风险，该标准采取了提高管道壁厚或降低设计压力等措施。在未对管材进行氢相容性评价或不满足该评价的情况下，掺氢天然气管道壁厚设计系数不可采用天然气管道设计系数进行设计计算，加上材料性能系数的影响，导致一级地区掺氢天然气管道壁厚较设计压力相同的天然气管道增大了1.44～2.65 倍。不可否定的是，输送相同压力的气体介质时，掺氢天然气管道壁厚可能与天然气管道壁厚相同，但材料需满足氢相容性评价，如按相关标准要求在掺氢天然气环境中测量材料的临界应力强度因子KIH，确保其不得低于55MPa·m，并大于依据疲劳裂纹扩展速率计算得到的表面裂纹最大启裂系数KIA等。由此看来，评估现役天然气管道掺氢可行性的重要一环就是对管材进行氢相容性评价，分析该管道在既定管道壁厚或工作压力下输送掺氢天然气的安全性。

CGA G-5.6适用于氢气和氢气混合物的输送管道和配送管道系统，对于适用的输送介质指标除包括压力、温度、水蒸气和二氧化碳含量外，还特别指出气体中掺氢比例须大于10%，或掺氢比例小于10%且CO 含量超过200μL/L。值得一提的是，CGA G-5.6 适用于掺氢分数小于10%的掺氢管道（但CO 含量须大于200μL/L），对于一般掺氢天然气而言CO 含量大于200μL/L，因而当掺氢比例小于10%时，CGA G-5.6标准是适用的。基于该标准中部分内容的解读，认为钢级为X52及以下的管道可直接用于输送掺氢比例小于10%的掺氢天然气的观点较为热门，这既忽略了该标准对管道系统详细的讨论和安全控制要求（如管道表面状态、焊接技术要求等），又没有注意到这是针对新建管道的选材而提出的，也未注意到氢分压、天然气成分等对材料氢脆程度及管道允许的最大掺氢比的影响；标准中明确要求现役管道转化为氢能管道需满足安全控制等相关要求。以偏概全地认为，当天然气中掺氢比例小于10%时，则可利用现役或新建天然气管道直接安全输送掺氢天然气是不正确的。

其他标准及规则也对掺氢比进行了相应规范说明，如DVGW G262中规定掺氢比不超过10%，其前提条件为天然气管网下游没有连接氢气敏感设备。The UNECE Regulation 110和DIN 51624规定了最高2%的氢气阈值，即当天然气加气站连接至天然气管网系统时，允许的氢气掺入比不得超过2%，同时如果测量系统中氢含量未经安全校准，掺氢比例不得超过0.2%，这些法规通常基于天然气供应规范或管网系统最敏感设备的掺氢比来确定。

4 结语

针对天然气管网系统安全掺氢比问题，从管网材料、相关设备设施、已有示范项目以及标准规范展开，基于现有的基础数据积累以及示范项目运行情况，可以得出：①天然气管网系统安全掺氢比方面，管网系统各部件耐氢性不一，设备氢适应性相对于管道氢适应性较差，不同管网初始状态也差异较大，因此目前较难提出具有广泛适用性的安全掺氢比例；②对于中高压长输管线，压力和应力水平高，掺氢后断裂韧度降低、疲劳裂纹扩展速率加快，管道寿命降低，例如X80 管线钢在5%掺氢条件下疲劳裂纹扩展速率明显增加；③对于分输管线，尽管压力和应力水平相对较低，但已有试验表明，对于分输管线用钢，CO和H联合作用可能加速劣化，应加强掺氢天然气组分对材料氢脆影响的研究；④对于管网服役状况，随着管网运行时间累计，管网中微缺陷逐步累积，在掺氢环境以及压力波动共同作用下，损伤程度可能显著加速，引起管道寿命降低；⑤非金属管道不会发生氢脆，可承受较高的掺氢比例，但其存在渗漏问题，当掺氢比达到10%时，氢气在聚乙烯管道中渗透系数是甲烷渗透系数的4～5倍，且氢气渗透量随着管网掺氢比增加而增加。

目前国内关于天然气管网安全掺氢比方面的研究项目较少，且掺氢天然气环境中的管线钢力学性能数据较为缺乏，特别是天然气中复杂组分对管材氢损伤的影响等，需继续加强研究，为管网的安全运行提供技术支撑。与此同时，加快推动掺氢天然气项目的示范运行，不断积累示范应用经验，制定完善相关技术标准体系，促进掺氢天然气管道输送系统规模化、产业化、市场化发展。