趙永志 張 鑫 鄭津洋,3 顧超華 張 林

(1. 浙江大學化學工程與生物工程學院 化工機械研究所；2. 高壓過程裝備與安全教育部工程研究中心；3. 流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室；4. 浙江工業(yè)大學材料科學與工程學院 材料成型及控制工程研究所)

摻氫天然氣管道輸送安全技術(shù)*

趙永志*1,2張 鑫1,2鄭津洋1,2,3顧超華1,2張 林4

(1. 浙江大學化學工程與生物工程學院 化工機械研究所；2. 高壓過程裝備與安全教育部工程研究中心；3. 流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室；4. 浙江工業(yè)大學材料科學與工程學院 材料成型及控制工程研究所)

介紹了利用現(xiàn)有天然氣管道進行摻氫天然氣輸送的安全問題，總結(jié)了摻氫天然氣與材料相容性、泄漏與積聚、完整性管理及風險評估等方面的研究現(xiàn)狀，討論了摻氫天然氣管道輸送研究進一步所需解決的安全問題。

天然氣管道 摻氫天然氣 相容性 泄漏與積聚 完整性管理 風險評估

化石能源的枯竭和環(huán)境問題的日益加劇迫使人們不斷加大對新能源的開發(fā)和利用。風能因資源豐富、清潔無污染而受到青睞，但由于其具有波動性及隨機性等特點，大規(guī)模風電利用時存在嚴重的棄風限電問題。我國風力資源規(guī)模大，遠離負荷中心，大規(guī)模風電消納問題更為突出。通過大規(guī)模風電制氫，并將氫以一定比例摻入天然氣，組成摻氫天然氣(HCNG)，然后再利用現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)進行輸送，被認為是解決大規(guī)模風電消納問題的有效途徑。摻氫天然氣可被直接利用，或者將氫與天然氣分離后分別單獨使用。因此，該方式也被認為是實現(xiàn)氫較低成本遠距離輸送的方法。然而由于氫氣對金屬材料的劣化作用及其較寬的燃燒極限和更快的燃燒速率，加之天然氣管道輸送本身具有危險性，利用現(xiàn)有天然氣管道輸送摻氫天然氣的安全性問題亟待解決。

迄今為止，歐盟的NaturalHy項目、荷蘭的VG2項目、德國的DVGW項目以及美國能源部實施的氫能管道研究發(fā)展工程等均研究了摻氫天然氣管道輸送的安全問題。研究主要從摻氫天然氣與材料相容性、泄漏與積聚、燃燒與爆炸、完整性管理和風險評估5個方面開展。筆者介紹了天然氣管道輸送系統(tǒng)和利用其進行摻氫天然氣輸送的安全性研究進展。

1 摻氫天然氣管道輸送系統(tǒng)

典型的天然氣管道輸送系統(tǒng)如圖1所示。通過集氣管道匯集的天然氣需經(jīng)處理以達到一定的要求，再提升至一定壓力后通入天然氣管網(wǎng)進行儲運配送，最終輸送到天然氣的使用終端，如工業(yè)渦輪機、民用燃氣設(shè)備及加氣站(作為交通燃料)等。

圖1 天然氣管道輸送系統(tǒng)

天然氣的主要成分是甲烷，還含有少量乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳及硫化氫等。各國對管網(wǎng)輸送的天然氣氣質(zhì)要求有所不同，天然氣成分的不同和氫的加入對管網(wǎng)材料的影響程度也存在差異。因此，在研究摻入氫氣的影響時，應(yīng)根據(jù)管網(wǎng)實際的輸送氣體成分開展論證，不可盲目照搬其他國家的研究成果。

天然氣管網(wǎng)包括輸送管道(長輸管道)、配送管道以及一些調(diào)壓設(shè)備、儲存設(shè)備等。輸送管道實現(xiàn)城際之間的天然氣遠距離輸送，輸送壓力較高(約4～12MPa，有些達到14MPa，我國西氣東輸三線輸送壓力達到12MPa)，使用強度等級較高的鋼材，如X52、X56、X60、X65、X70及X80等，一些國家正積極研發(fā)使用更高強度等級鋼。輸送管道中的高壓氣體經(jīng)過減壓站后進入配送管網(wǎng)，配送管道則將輸送管道輸送來的天然氣以較低壓力(通常小于1MPa，小部分達到3MPa)輸送到終端使用設(shè)備，通常分為配送干線管道和配送民用管道。配送管道使用了多種材料，如鑄鐵、銅、鋼和非金屬材料。使用的鋼通常是低強度鋼[1]，如API 5L A、API 5L B、X42 和 X46；使用的非金屬材料有聚乙烯(PE 63、PE 80、PE 100)、聚氯乙烯(PVC)及其他彈性體材料等。應(yīng)當指出，雖然各國使用的鋼材牌號大體相同，但由于各國材料的冶煉水平及制造水平等有所不同，即使同牌號鋼材在性能上也有一定的差別。

由此可見，現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)材料類型多，使用環(huán)境差異大，操作壓力不一，將氫氣摻入天然氣管網(wǎng)面臨著復雜的安全問題。

2 摻氫天然氣管道輸送安全

2.1 相容性

金屬材料在氫環(huán)境下有可能發(fā)生氫脆問題，引起系統(tǒng)構(gòu)件失效，甚至導致重大事故。因此，必須研究摻氫天然氣與管網(wǎng)材料的相容性。

2.1.1摻氫天然氣與配送管道的相容性

對于配送管道中使用的低強度鋼，其主要的氫損傷是韌性損減和氫鼓泡。氫損傷的嚴重程度主要取決于氫濃度和操作壓力。因此對于所處壓力較低、具有較低應(yīng)力的配送管道，發(fā)生氫損傷的風險較低[2]。球墨鑄鐵、鑄鐵、鍛造鐵及銅等制造的配送管道，在天然氣配送系統(tǒng)的常規(guī)工況下不需要關(guān)注氫損傷問題[1]。

天然氣管網(wǎng)中的非金屬配送管網(wǎng)，操作壓力一般低于1MPa。研究表明，氫對聚乙烯管道的影響較小，材料在氫環(huán)境中長期服役性能未出現(xiàn)退化現(xiàn)象，其微觀組織結(jié)構(gòu)也未發(fā)生顯著變化[3]，很少或沒有氫氣(或其他任何非極性氣體)與聚乙烯管道發(fā)生相互作用[4]。此外，大部分的彈性體材料也與氫有良好的相容性[5]。故摻氫天然氣與現(xiàn)有天然氣管道使用的非金屬材料相容性較好。

2.1.2摻氫天然氣與輸送管道的相容性

高壓輸送管道用鋼，因其在操作壓力下會產(chǎn)生較高的應(yīng)力，且其鋼材強度較高易發(fā)生氫脆的特點故而成為研究的重點。總體上，氫對鋼材的屈服強度和抗拉強度影響較小，而會使材料的塑韌性降低[6]。普通管道等級碳鋼API 5L X52和ASTM A 106等級鋼已經(jīng)廣泛應(yīng)用于低壓氫氣的輸送，幾乎沒有出現(xiàn)問題。通過電化學充氫[7]、氣相預充氫[8]或者氫氣環(huán)境下動態(tài)氣相充氫[9, 10]等方式研究表明：氫氣對X52、X60、X65、X70、 X80、X100的屈服強度和極限抗拉強度的影響較小，而斷面收縮率和斷后伸長率顯著減少。在5.5MPa氫氣中進行的試驗表明：X100斷面收縮率由75%降低到30%左右[9]，而X60、X70、X80的斷面收縮率由70%～90%下降到30%～60%之間，隨著氫氣壓力的繼續(xù)增加，氫氣對斷面收縮率的影響基本保持不變[11]。

氫氣的摻入會對管線鋼材的斷裂和疲勞性能產(chǎn)生顯著的影響，摻入的氫會使鋼的斷裂韌性減小[11, 12]。通過電化學充氫，針對帶缺口試樣的管道鋼材X52、X70、X100的試驗表明：存在氫濃度臨界值，當鋼中氫濃度小于臨界值時，氫對裂紋起裂和完全斷裂時的應(yīng)力強度影響較?。欢敋錆舛瘸^該臨界值時，對裂紋產(chǎn)生與擴展的影響增大[13]。此外，摻入氫會加速裂紋擴展，降低門檻循環(huán)應(yīng)力強度因子ΔKth，并降低疲勞壽命[14]。這種影響與氫的分壓大小、應(yīng)力循環(huán)特性系數(shù)、加載頻率及微觀組織結(jié)構(gòu)等有關(guān)[15]。在加載頻率1Hz，應(yīng)力循環(huán)特性系數(shù)0.5時，不同壓力(1.7～21.0MPa)氫氣環(huán)境下，X100、X52的疲勞裂紋擴展速率均提高了一到兩個數(shù)量級[14]；而在21MPa氫氣環(huán)境下，X80、X60的疲勞擴展速率提高了約20倍(應(yīng)力強度因子ΔK>12MPa·m1/2)[11]。氫對焊接區(qū)域也有一定的影響[16]，焊接區(qū)和熱影響區(qū)的硬度水平必須進行控制，以保證它們在充氫環(huán)境下具有足夠的韌性。

可見，氫氣對天然氣管道材料力學性能影響較大，而在摻氫天然氣管道輸送時，氫的影響程度與管道操作壓力及摻氫的比例等有關(guān)。有研究表明：1.7MPa(10MPa管網(wǎng)摻入17%氫氣時，其分壓達到1.7MPa)的氫氣也會使疲勞裂紋擴展速率增加一到兩個數(shù)量級[17]。筆者所在團隊研究了摻氫比例為5%、10%的氫與二氧化碳混合氣體對X80鋼的影響，結(jié)果亦表明疲勞裂紋擴展速率顯著增大，低周疲勞壽命顯著降低。

目前，針對摻氫天然氣環(huán)境下材料相容性的研究較少，無法考慮氫氣與硫化氫、一氧化碳及二氧化碳等氣體的綜合影響。此外，各國之間天然氣成分、管道工況、使用歷史存在差別，天然氣管道材料性能也存在一定的不同，因此不可盲目照搬國外研究成果。我國尚無相關(guān)摻氫比例下管道材料力學性能的劣化規(guī)律數(shù)據(jù)。因此，必須研究一定摻氫比例下的管道材料的力學性能，確定我國天然氣管網(wǎng)可接受的安全的摻氫比例。

2.1.3摻氫天然氣與其他設(shè)備的相容性

此外，尚需研究天然氣管網(wǎng)中儲存設(shè)備及動設(shè)備等與摻氫天然氣的相容性。儲存設(shè)備主要是天然氣儲罐、儲氣井，目前尚未見這方面的研究成果。考慮的動設(shè)備主要是壓縮機，用在天然氣管網(wǎng)對氣體進行加壓調(diào)壓?；钊綁嚎s機的動力機構(gòu)是獨立于工作介質(zhì)工作的，而離心式壓縮機的動力機構(gòu)則與氫氣接觸。為滿足相同能量需求，摻入氫氣后離心式壓縮機的旋轉(zhuǎn)速度需提高，該旋轉(zhuǎn)速度會受到材料強度的限制，而該強度也會受到摻入氣體中的氫的影響[17]。此外，管網(wǎng)中使用的渦輪機也會受到摻入氫氣的影響[18]，尚需進一步研究。

2.2 泄漏與積聚

管道輸送過程中摻氫天然氣的泄漏是一種連續(xù)泄漏，通常會產(chǎn)生氣體積聚的現(xiàn)象，可引起窒息危險，遇明火容易發(fā)生燃爆。故需對氣體的泄漏與積聚進行研究。泄漏可以分兩種情況：一種是滲漏，主要發(fā)生在管道壁面和接觸密封處，滲漏速度較慢；另一種是意外情況下的泄漏，主要是由自然災害及操作問題等引起的泄漏，泄漏速度較快。

2.2.1滲漏與積聚

正常工況下，滲漏主要發(fā)生在配送管網(wǎng)，以從非金屬材料中滲透的滲漏為主。滲漏氣體的大部分是通過管道壁面滲透。由于氫較天然氣中的其他分子體積更小，所以對管網(wǎng)中滲漏問題的研究顯得非常重要。相對于甲烷，氫在管道中不存在擴散潛伏期。在天然氣管道系統(tǒng)使用的典型管道材料中，氫氣的滲漏速率一般比甲烷快4～5倍，且隨著管道壓力的增加氫氣和甲烷滲漏的速率都會增加[19, 20]。另外，在接觸密封處也存在著氣體滲漏問題。天然氣配送系統(tǒng)大多使用彈性體材料密封，相對于天然氣，它對氫氣的滲漏速率更高。管道中絕大多數(shù)非金屬材料對氫氣的滲漏速率可在美國燃氣協(xié)會(AGA)[1]、歐洲工業(yè)氣體協(xié)會(EIGA)及國際能源署(IEA)[2]等提供的文獻中查詢。對比表明，天然橡膠和丁苯橡膠對氫的密封能力相對于其他彈性體材料較差，其滲漏速率分別是在HDPE中的26、21倍。在鋼和球磨鑄鐵中的滲漏主要是通過螺紋或機械接頭。美國燃氣技術(shù)研究院(Gas Technology Institute，GTI)開展?jié)B漏測試表明，接頭處氫的體積滲漏速率比天然氣高3倍。

理論計算表明，若有20%氫添加到天然氣管道系統(tǒng)中，氣體滲漏損失幾乎是系統(tǒng)只輸送天然氣時的兩倍，但從經(jīng)濟性角度考慮，其影響較小[1]。一些項目試驗測量了一定摻氫比例的混合氣體的泄漏速率[19]。相比之下，實際測得的混合氣體滲漏速率較理論計算速率更低[1]。針對荷蘭供氣管網(wǎng)，在摻入17%的氫氣后，其每年滲漏損失的總量預計可達26 000m3，約占輸送氫氣總量的0.0005%[2]。

目前，針對滲漏現(xiàn)象的研究較多，而對滲漏后氣體積聚行為的研究鮮有成果發(fā)表。而在含有眾多密封接頭的狹小空間內(nèi)，由于氫滲漏速率較高，隨著時間的推移滲漏氣體的積累可能會帶來安全問題。

2.2.2意外泄漏與擴散

意外情況下氣體泄漏速度較快，且由于管道的操作壓力及泄漏口大小等的不同，泄漏情況較為復雜。

摻氫天然氣泄漏后的氣體積聚行為在本質(zhì)上類似天然氣，它受到泄漏速率、泄漏位置及泄漏空間的狀況等因素的影響。通過試驗研究在民用房屋內(nèi)摻氫天然氣的泄漏積聚行為[21]，結(jié)果表明：同樣的泄漏壓力下，摻氫會增加氣體的泄漏速率；相對于天然氣，高達50%摻氫比例的氣體只產(chǎn)生略高的氣體積聚濃度，但當摻氫比例大于50%時，氣體積聚濃度會顯著增加，尤其是摻氫比例增加超過70%時更甚。泄漏存在濃度分層現(xiàn)象；但在泄漏停止后，隨著時間的延長，分層現(xiàn)象會減弱。針對研究情況均未發(fā)現(xiàn)氫氣與天然氣的分離現(xiàn)象[22]。

然而，所研究的情況針對的泄漏速率較低，主要是針對民居房內(nèi)的氣體泄漏，對配送干線管道的泄漏則缺少研究，而該問題亦會導致嚴重的危險。此外，尚缺少對摻氫天然氣意外泄漏后障礙物、空間擁堵程度對氣體濃度分布影響的研究。該研究對于后期檢測及通風操作等安全工作具有指導意義。

2.3 燃燒與爆炸

摻入的氫氣增加了火焰速度，進而可能導致劇烈的燃燒甚至發(fā)生爆炸。危險發(fā)生的形式主要有完全受限空間、部分受限空間和開放空間的燃燒爆炸和管道快速泄漏產(chǎn)生的高速噴射火焰。

2.3.1完全受限空間

可燃氣體在完全受限空間中積聚后容易發(fā)生爆炸，產(chǎn)生大的超壓，帶來巨大危險。在完全受限空間中摻氫天然氣的爆炸形態(tài)受到諸多因素影響[23～26]。只有當摻氫比例高于50%時，摻入的氫氣對最大升壓速率和層流燃燒速率的提高才是明顯的[23]。在5L、64m3空間中的模擬結(jié)果表明爆炸產(chǎn)生的最高壓力隨著氫的加入出現(xiàn)略微的減少，升壓速率、燃燒火焰速度均隨著氫在燃料中的比例的增加而不斷提高[24]。在90°彎管中試驗表明彎管位置是管道風險最大的部分，氫的加入使氣體具有更高的爆炸可能性[25]。

2.3.2部分受限空間

一些爆燃發(fā)生在開有通風口的部分受限空間。為此，Ma Q等數(shù)值模擬了部分受限空間內(nèi)不同比例摻氫天然氣爆炸問題[24]。相比于完全受限空間，爆燃的壓力會有很大降低，升壓速率會小很多，而火焰速度則會有所提高。隨著氫的加入，最高壓力、升壓速率與燃燒速率均會提高。通風增加了危險距離，誘發(fā)二次火傷害，但減低了沖擊波的危險。Lowesmith B J等研究表明：摻入20%氫未顯著增加爆炸危險，摻入50%氫會導致超壓增加，從而導致風險和損傷的程度加大，而增加空間擁堵程度會增加最高壓力和升壓速率，增加危險程度[27]。模擬研究表明當摻氫濃度超過45%時，存在爆燃轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z的危險[28]。

2.3.3開放空間

在開放空間的燃燒爆炸試驗研究表明：低于25%比例氫的混合氣體對最大超壓的影響很小，甚至會低于甲烷單獨所產(chǎn)生的超壓[29]。Lowesmith B J等研究表明：當初始火焰速度較低時，摻氫小于30%時的行為類似于甲烷[30]。當氫的比例超過40%或更高時，會產(chǎn)生較大超壓和爆燃爆轟轉(zhuǎn)變(DDT)風險；而在初始火焰速度較高的情況下，當含有20%的氫就會產(chǎn)生明顯的超壓，并在20%以上時，存在DDT風險?？梢?，增加初始火焰速度會增加摻氫帶來的危險。

2.3.4高速噴射火焰

針對摻氫天然氣泄漏發(fā)生高速噴射火焰的試驗研究表明：摻氫天然氣(摻氫比例24%，6MPa)高速燃燒的輻射場與天然氣總體上區(qū)別較小，相比于天然氣，摻氫天然氣的火焰較短，對于被吞沒物體的熱載荷較高[31]。而摻氫天然氣降壓更快，總體能量也較少，因而，當操作在同一壓力，與天然氣相比，風險降低。Lowesmith B J和Hankinson G試驗研究了地下管道斷裂的摻氫天然氣(摻氫比例22%，7MPa)噴射火焰特性，結(jié)果表明摻入氫氣并未導致危險增加[32]。Studer E等進行了試驗和數(shù)值研究，驗證了建立的模型預測摻氫天然氣噴射火焰的可行性，通過此模型可預測管道噴射火的火焰長度、爆燃速度和輻射通量[33]。

以上對于泄爆的研究均是通過預先混合氣體進行，不能完全反映真實氣體的泄漏、擴散及混合等行為。而氫氣的摻入會使點火能量降低、泄漏速率加快、可燃范圍增大，增加危險。在高速噴射火研究方面，對于障礙物與噴射火焰的相互作用尚未被研究。開展這些研究對安全距離的確認和危險預防控制極為重要。

2.4 完整性管理

管道的安全運行離不開完整性管理?，F(xiàn)有的完整性管理基于輸送天然氣管道的操作條件。加入氫氣改變管道的使用環(huán)境、影響裂紋擴展速率和現(xiàn)有缺陷引起的失效模式。因此，完整性管理準則也將發(fā)生變化。

2.4.1臨界裂紋尺寸

初始允許裂紋尺寸可以通過給定的設(shè)計壽命，基于相應(yīng)環(huán)境下裂紋擴展速率進行計算。NaturalHy研究表明：氫會對初試允許裂紋尺寸產(chǎn)生明顯影響[1]。而該影響與摻氫比例及管道壓力等有關(guān)，尚需基礎(chǔ)的相容性數(shù)據(jù)。

2.4.2檢測方式

NaturalHy研究了現(xiàn)有的檢測工具用于摻氫天然氣輸送管道中的缺陷檢測的能力。改善后的管道檢測工具可以用來檢測輸送摻氫天然氣的管道缺陷。而檢測的時間間隔由不同的摻氫濃度、載荷、管道的幾何結(jié)構(gòu)、基于中期檢測的缺陷和失效可能性的計算結(jié)果確定。研究表明摻入的氫氣使檢測間隔縮短，特別是對于高濃度的氫氣。

2.4.3修復方式

NaturalHy對Clock Spring修復、金屬套管和堆焊3種目前應(yīng)用的修復程序進行了研究，以確定其是否可以用于氫氣服務(wù)下的管道修復[1]，研究結(jié)果顯示可行。

現(xiàn)有管理措施經(jīng)過完善后可以用于摻氫天然氣完整性管理，這為摻氫天然氣的管道輸送提供了有力的支撐。NaturalHy項目研發(fā)了一套工具用以進行完整性管理，此外，該項目開發(fā)了一套用于評估不同完整性管理情況下管道失效可能性的軟件[34]。然而，現(xiàn)有文獻中尚無摻氫比例對缺陷檢測效果和修復效果的具體影響程度的研究成果，尚待進一步研究。

2.5 風險評估

影響安全的因素多種多樣，最終產(chǎn)生危險的形式亦有多種，其發(fā)生的可能性和后果的嚴重程度亦會因輸送介質(zhì)、管道類型、操作條件、所處位置狀況的不同而變化，故很難給出統(tǒng)一結(jié)論。GTI、NaturalHy、IEA采用定量風險評估研究摻氫對天然氣輸送系統(tǒng)風險的影響。

NaturalHy項目研究表明：摻入高達50%的氫后，在使用適當?shù)耐暾怨芾硐到y(tǒng)時，管道發(fā)生故障的概率與僅輸送天然氣時相比保持不變，然而點火概率會增高。氫的加入會增加靠近管道處的危險程度，但會減少危險區(qū)域的范圍[1]。GTI基于NaturalHy獲得的數(shù)據(jù)等結(jié)果，利用美國地區(qū)對配送管道失效的統(tǒng)計數(shù)據(jù)定量評估了配送管道輸送不同比例的摻氫天然氣的風險[1]，結(jié)果表明，摻氫會使天然氣配送管網(wǎng)的整體風險增加。摻入50%氫時，風險增加較小，但摻入超過50%的氫就會使風險顯著增加。在IEA報告中針對摻氫天然氣進行了風險分析，指出摻入25%氫的混合氣體在良好監(jiān)管情況下不會增加爆炸引起的危險[2]。

必須指出，各國管道及其管理之間也存在差異，因此，風險評估需要結(jié)合我國管道系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行具體研究后方能確定。

3 總結(jié)與展望

摻氫天然氣技術(shù)是解決大規(guī)模風電消納問題的有效途徑。筆者回顧了摻氫天然氣管道輸送安全問題的研究現(xiàn)狀。總結(jié)可得以下結(jié)論：氫氣對配送管道的影響較小，對輸送管道的影響主要是材料韌性的損失、疲勞裂紋擴展速率的增加，而具體影響程度需要結(jié)合具體狀況進行研究，這是影響摻氫比例的一個重要因素；針對所研究情況，摻氫會使泄漏、燃爆的危險增加，且摻氫比例的增加會增大該影響；經(jīng)調(diào)整后，現(xiàn)有完整性管理工具可適應(yīng)氫氣引起的臨界裂紋尺寸減少及修復工藝要求高等問題；摻入的氫氣會一定程度上影響管網(wǎng)的總體運行風險，隨著摻氫比例的增加風險會不斷增大，而這種影響隨著各國管網(wǎng)情況及完整性管理水平等的不同而存在較大區(qū)別。

現(xiàn)有研究成果尚不能較全面考慮實際情況。因此摻氫天然氣管道輸送的安全摻氫比例尚無法確定，需繼續(xù)開展研究。考慮到各國天然氣成分、管道工況、管道材料存在一定的差別，需結(jié)合我國實際情況針對摻氫天然氣的安全問題開展研究，如：開展我國管道材料與摻氫天然氣的相容性試驗，獲得特定摻氫比例下，材料的力學性能，建立材料力學性能數(shù)據(jù)庫；在借鑒國外泄漏燃燒等研究成果的基礎(chǔ)上，針對我國實際情況，充分考慮摻氫引起的泄漏速率加快、可燃范圍增大及燃燒速率加快等影響，全面研究摻氫天然氣的泄漏與燃燒爆炸問題，彌補現(xiàn)有研究中的不足，為管道的安全管理工作提供依據(jù)；依據(jù)所建立材料的性能數(shù)據(jù)庫，測試現(xiàn)有天然氣管道檢測工具檢測的效果和修復方式的效果，完善完整性管理工具，建立摻氫天然氣管道輸送的完整性管理系統(tǒng)；依據(jù)材料性能數(shù)據(jù)，針對我國具體情況，評估利用現(xiàn)有天然氣管道輸送摻氫天然氣的風險，為摻氫天然氣管道安全輸送提供依據(jù)。

[1] Melaina M W，Antonia O，Penev M. Blending Hydrogen into Natural Gas Pipeline Networks：A Review of Key Issues Technical Report[R]. Colorado：National Renewable Energy Laboratory，2013.

[2] Polman E A，de Laat J C，Crowther M，et al. Reduction of CO2Emissions by Adding Hydrogen to Natural Gas[R]. Apeldoorn：International Energy Agency，2003.

[3] Castagnet S，Grandidier J，Comyn M，et al.Effect of Long-term Hydrogen Exposure on the Mechanical Properties of Polymers Used for Pipes and Tested in Pressurized Hydrogen[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping，2012，89：203～209.

[4] Kane M C. Permeation，Solubility and Interaction of Hydrogen in Polymers-An Assessment of Materials for Hydrogen Transport[R].Washington：Savannah River National Laboratory，2008.

[5] Plastics Pipe Institute.Chemical Resistance of Thermoplastics Piping Materials[R].Washington：Plastics Pipe Institute，2007.

[6] 褚武揚，喬利杰，李金許，等.氫脆和應(yīng)力腐蝕：基礎(chǔ)部分[M].北京：科學出版社，2013：226～243.

[7] Hardie D，Charles E A，Lopez A H.Hydrogen Embrittlement of High Strength Pipeline Steels[J].Corrosion Science，2006，48(12)：4378～4385.

[8] Bae D，Sung C，Bang H，et al.Effect of Highly Pressurized Hydrogen Gas Charging on the Hydrogen Embrittlement of API X70 Steel[J].Metals and Materials International，2014，20(4)：653～658.

[9] Nanninga N E，Levy Y S，Drexler E S，et al.Comparison of Hydrogen Embrittlement in Three Pipeline Steels in High Pressure Gaseous Hydrogen Environments[J].Corrosion Science，2012，59：1～9.

[10] Briottet L，Batisse R，de Dinechin G，et al.Recommendations on X80 Steel for the Design of Hydrogen Gas Transmission Pipelines[J].International Journal of Hydrogen Energy，2012，37(11)：9423～9430.

[11] Stalheim D，Boggess T，Marchi C S，et al. Microstructure and Mechanical Property Performance of Commercial Grade Api Pipeline Steels in High Pressure Gaseous Hydrogen[C].2010 8th International Pipeline Conference-Volume 2. Calgary：International Petroleum Technology Institute and the Pipeline Division，2010：529～537.

[12] Wang R.Effects of Hydrogen on the Fracture Toughness of a X70 Pipeline Steel[J].Corrosion Science，2009，51(12)：2803～2810.

[13] Capelle J，Gilgert J，Dmytrakh I，et al.The Effect of Hydrogen Concentration on Fracture of Pipeline Steels in Presence of a Notch[J].Engineering Fracture Mechanics，2011，78(2)：364～373.

[14] Slifka A J，Drexler E S，Nanninga N E，et al.Fatigue Crack Growth of Two Pipeline Steels in a Pressurized Hydrogen Environment[J].Corrosion Science，2014，78：313～321.

[15] Nanninga N，Slifka A，Levy Y，et al.A Review of Fatigue Crack Growth for Pipeline Steels Exposed to Hydrogen[J]. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology，2010，115(6)：437.

[16] Chatzidouros E V，Papazoglou V J，Tsiourva T E，et al. Hydrogen Effect on Fracture Toughness of Pipeline Steel Welds，with in Situ Hydrogen Charging[J].International Journal of Hydrogen Energy，2011，36(19)：12626～12643.

[17] Haeseldonckx D，Dhaeseleer W.The Use of the Natural-Gas Pipeline Infrastructure for Hydrogen Transport in a Changing Market Structure[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2007，32(10/11)：1381～1386.

[18] Von der Grün G T M，Hotopp S，Joachim M K.Transport and Usage of Hydrogen via Natural Gas Pipeline Systems[C].Proceedings of the 3rd Sino-German Conference “Underground Storage of CO2and Energy”.Goslar：Springer Berlin Heidelberg，2013：421～436.

[19] Gueugnaut D，Rousselot D，Tari G，et al. Evaluation of the Permeability to CH4and CH4+H2of PE Currently Used in Gas Distribution Networks[C].International Gas Union Research Conference 2008.Paris：Association Francaise Du Gaz，2008：66～85.

[20] Klopffer M-H，Berne P，Castagnet S，et al.Polymer Pipes for Distributing Mixtures of Hydrogen and Natural Gas：Evolution of Their Transport and Mechanical Properties after an Ageing Under an Hydrogen Environment[C]. Proceedings of the18th World Hydrogen Energy Conference 2010.Essen：Forschungszentrums Jülich，2012：352～359.

[21] Lowesmith B J，Hankinson G，Spataru C，et al.Gas Build-up in a Domestic Property Following Releases of Methane/Hydrogen Mixtures[J].International Journal of Hydrogen Energy，2009，34(14)：5932～5939.

[22] Marangon A，Carcassi M N.Hydrogen-Methane Mixtures：Dispersion and Stratification Studies[J].International Journal of Hydrogen Energy，2014，39(11)：6160～6168.

[23] Salzano E，Cammarota F，Di Benedetto A，et al.Explosion Behavior of Hydrogen-Methane/Air Mixtures[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2012，25(3)：443～447.

[24] Ma Q，Zhang Q，Pang L，et al.Effects of Hydrogen Addition on the Confined and Vented Explosion Behavior of Methane in Air[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2014，27：65～73.

[25] Emami S D，Rajabi M，Che Hassan C R，et al.Experimental Study on Premixed Hydrogen/Air and Hydrogen-Methane/Air Mixtures Explosion in 90 Degree Bend Pipeline[J].International Journal of Hydrogen Energy，2013，38(32)：14115～14120.

[26] Cammarota F，Di Benedetto A，Di Sarli V，et al.Combined Effects of Initial Pressure and Turbulence on Explosions of Hydrogen-Enriched Methane/Air Mixtures[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2009，22(5)：607～613.

[27] Lowesmith B J，Mumby C，Hankinson G，et al.Vented Confined Explosions Involving Methane/Hydrogen Mixtures[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2011，36(3)：2337～2343.

[28] Woolley R M，F(xiàn)airweather M，F(xiàn)alle S A E G，et al.Prediction of Confined，Vented Methane-Hydrogen Explosions Using a Computational Fluid Dynamic Approach[J].International Journal of Hydrogen Energy，2013，38(16)：6904～6914.

[29] Royle M，Shirvill LC，Roberts T A. Vapour Cloud Explosions from the Ignition of Methane/Hydrogen/Air Mixtures in a Congested Region[DB/OL]. http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/safety_biblio/ichs2007/1.3.96.pdf ，2007-11.

[30] Lowesmith B J，Hankinson G，Johnson D M.Vapour Cloud Explosions in a Long Congested Region Involving Methane/Hydrogen Mixtures[J].Process Safety and Environmental Protection，2011，89(4)：234～247.

[31] Lowesmith B J，Hankinson G.Large Scale High Pressure Jet Fires Involving Natural Gas and Natural Gas/Hydrogen Mixtures[J].Process Safety and Environmental Protection，2012，90(2)：108～120.

[32] Lowesmith B J，Hankinson G.Large Scale Experiments to Study Fires Following the Rupture of High Pressure Pipelines Conveying Natural Gas and Natural Gas/Hydrogen Mixtures[J].Process Safety and Environmental Protection，2013，91(1/2)：101～111.

[33] Studer E，Jamois D，Jallais S，et al.Properties of Large-Scale Methane/Hydrogen Jet Fires[J].International Journal of Hydrogen Energy，2009，34(23)：9611～9619.

[34] Tiekstra G C，Koopman F P. NATURALHY Project：First Step in Assessing the Potential of the Existing Natural Gas Network for Hydrogen Delivery[C].International Gas Union Research Conference 2008，Paris：Association Francaise Du Gaz，2008：1509～1518.

SafetyTechnologyforPipelineTransportationofHydrogen-NaturalGasMixtures

ZHAO Yong-zhi1,2, ZHANG Xin1，2, ZHENG Jin-yang1,2,3,GU Chao-hua1,2, ZHANG Lin4

(1.InstituteofProcessEquipment,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China;2.MOEEngineeringResearchCenterforHighPressureProcessEquipmentandSafety,Hangzhou310027,China;3.TheStateKeyLaboratoryofFluidPowerTransmissionandControl,Hangzhou310027,China;4.InstituteofMaterialFormingandControlEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014,China)

The safety issues of applying the existing pipelines to transporting hydrogen-blended natural gas was introduced and the compatibility of hydrogen-blended natural gas and pipeline materials, gas leakage and accumulation, integrity management and risk assessment were summarized, including the discussion of safety in pipeline transportation of the hydrogen-blended natural gas.

gas pipeline, hydrogen-blended natural gas, compatibility, leakage and accumulation, integrity management, risk assessment

TQ055.8+1

A

0254-6094(2016)01-0001-07

*中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2015FZA4021)，國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助項目(2015CB057601)，國家自然科學基金資助項目(51206145)。

**趙永志，男，1977年6月生，副教授。浙江省杭州市，310027。

2015-02-10，

2016-01-12)