陳偉鋒，尚娟，邢百匯，魏皓天，顧超華，花爭(zhēng)立

（浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所，浙江 杭州 310027）

2020 年12 月召開(kāi)的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議，明確提出了“我國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)2030 年前達(dá)到峰值，力爭(zhēng)2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的宏偉目標(biāo)。有專(zhuān)家指出，氫能是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的重要途徑之一。氫能具有清潔環(huán)保、來(lái)源多樣、利用高效等諸多優(yōu)點(diǎn)，正進(jìn)入快速發(fā)展期。安全經(jīng)濟(jì)輸運(yùn)是氫能發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。我國(guó)天然氣管網(wǎng)比較完善，管道規(guī)模大，分布范圍廣，向已有的天然氣管網(wǎng)摻入氫氣，有利于實(shí)現(xiàn)氫能的大規(guī)模輸送與應(yīng)用。

天然氣管網(wǎng)的安全可摻氫比例是目前發(fā)展摻氫天然氣管道輸送技術(shù)有待攻克的關(guān)鍵問(wèn)題之一。不少觀點(diǎn)認(rèn)為，當(dāng)天然氣中摻氫比例小于10%（體積分?jǐn)?shù)，下同）時(shí)可直接通過(guò)天然氣管網(wǎng)安全輸送，無(wú)需加以驗(yàn)證。然而，現(xiàn)有的研究成果并不能支撐該觀點(diǎn)，形成這樣的結(jié)論為時(shí)尚早。本文從3個(gè)方面詳細(xì)闡述該結(jié)論不成立的理由。

1 管網(wǎng)系統(tǒng)摻氫適應(yīng)性

1.1 管網(wǎng)材料氫相容性分析

天然氣管網(wǎng)摻氫面臨的主要安全問(wèn)題即高壓材料氫脆，材料長(zhǎng)期處于高壓臨氫環(huán)境中易發(fā)生韌性減損、疲勞裂紋擴(kuò)展速率加快、斷裂韌性降低等性能劣化現(xiàn)象，更有甚者引發(fā)管道過(guò)早失效，危及管網(wǎng)運(yùn)行安全。摻氫天然氣在實(shí)際輸運(yùn)過(guò)程中工況較為復(fù)雜，且混氫環(huán)境下，材料氫脆影響因素較多，其與摻氫比、摻氫天然氣成分、應(yīng)力狀態(tài)、管網(wǎng)原始狀態(tài)等均相關(guān)，因此不能單從摻氫比出發(fā)界定是否可以安全摻氫。

1.1.1 摻氫比對(duì)氫脆影響

氫氣的摻入易導(dǎo)致管網(wǎng)材料力學(xué)性能如斷裂韌性和疲勞性能顯著下降，氫氣會(huì)加快裂紋擴(kuò)展速率，降低疲勞壽命，影響程度與摻氫比相關(guān)。國(guó)內(nèi)浙江大學(xué)在總壓為12MPa，摻氫比例為0、5%、10%、20%、50%的模擬摻氫天然氣環(huán)境中對(duì)國(guó)產(chǎn)X80 管線鋼進(jìn)行了疲勞裂紋擴(kuò)展速率（FCGR）試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖1）表明，氫氣的摻入對(duì)國(guó)產(chǎn)X80管線鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率影響很大，使其較氮?dú)庵械钠诹鸭y擴(kuò)展速率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致含氫氣輸送管道的疲勞壽命大幅降低，且當(dāng)摻氫比從0提高至10%過(guò)程中，管道材料氫脆敏感指數(shù)從1提高至26.4；即使摻氫5%的情況下，疲勞裂紋擴(kuò)展速率已出現(xiàn)較為明顯的加快，隨著摻氫比例的增加，疲勞裂紋擴(kuò)展速率加快程度繼續(xù)上升，但上升速率趨緩；微觀分析表明氫氣摻入后，材料的斷裂模式由氮?dú)猸h(huán)境中的韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?。付?guó)強(qiáng)研究煤制天然氣中氫氣對(duì)X80 管線鋼力學(xué)性能影響，其結(jié)果表明當(dāng)混入5%H和2%CO時(shí)，腐蝕疲勞壽命下降嚴(yán)重，循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)小于驗(yàn)收設(shè)定值。國(guó)外相關(guān)機(jī)構(gòu)針對(duì)管線鋼與氫相容性進(jìn)行了斷裂韌度、小孔沖擊等試驗(yàn)研究，同樣發(fā)現(xiàn)摻氫比例較低的模擬摻氫天然氣對(duì)不同管線鋼力學(xué)性能的劣化影響也很明顯，并且對(duì)管材的劣化特點(diǎn)與純氫有相似之處。因此，對(duì)管道輸送摻氫天然氣的應(yīng)用不能因摻氫比例較小而放松，應(yīng)結(jié)合管道的工作壓力、摻氫比、壓力波動(dòng)范圍等條件，通過(guò)完整的適用性評(píng)價(jià)來(lái)判斷天然氣管道是否具有輸送摻氫天然氣的可能。

圖1 X80管線鋼在模擬摻氫天然氣環(huán)境中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線[3]

1.1.2 摻氫天然氣成分對(duì)氫脆影響

摻氫天然氣組分復(fù)雜，除甲烷、氫氣外，還包含水、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫等。目前研究顯示天然氣中的部分組分會(huì)加劇或抑制材料氫脆，Holbrook等研究顯示O可抑制疲勞裂紋擴(kuò)展速率，但在混氫天然氣中，加入氧氣，易引起安全事故。摻氫天然氣中的HS成分需嚴(yán)格控制，尤其是在高壓輸送管道之中，HS 分壓越高，滲氫速度越快，加快材料氫脆；與此同時(shí)還需注意天然氣中水蒸氣含量，水分子和混合氣體中HS 及CO結(jié)合，形成酸性環(huán)境，增加材料表面氫原子濃度以及氫侵入量。關(guān)于其他氣體介質(zhì)對(duì)氫脆的作用影響還有待深入探究，從試驗(yàn)的方法角度看，有必要在真實(shí)摻氫環(huán)境下開(kāi)展材料力學(xué)性能試驗(yàn)，但由于采用真實(shí)摻氫天然氣試驗(yàn)難度大，相關(guān)危險(xiǎn)性高，目前國(guó)外材料摻氫環(huán)境下力學(xué)性能試驗(yàn)絕大部分均采用模擬天然氣即利用惰性氣體代替天然氣開(kāi)展，這樣結(jié)果顯然無(wú)法真實(shí)還原管材在服役過(guò)程中的力學(xué)性能。基于上述情況，浙江大學(xué)在0.4MPa 真實(shí)摻氫天然氣中開(kāi)展了20鋼疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)和斷裂韌度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，發(fā)現(xiàn)20鋼在真實(shí)摻氫天然氣中的疲勞性能和斷裂韌性劣化明顯嚴(yán)重于天然氣環(huán)境甚至是純氫環(huán)境。進(jìn)一步研究表明，天然氣中二氧化碳與氫的聯(lián)合作用使得材料出現(xiàn)上述劣化。由于不同來(lái)源的天然氣組分具有較大差異，這會(huì)導(dǎo)致在不同區(qū)域摻氫后對(duì)管網(wǎng)的劣化程度存在差別，因此不能簡(jiǎn)單套用個(gè)別特定工況下獲得的數(shù)據(jù)而大范圍推廣。

圖2 20#鋼在真實(shí)摻氫天然氣環(huán)境中力學(xué)性能原位測(cè)試結(jié)果

1.1.3 應(yīng)力狀態(tài)對(duì)氫脆影響

天然氣管網(wǎng)服役過(guò)程中受到壓力、自重、溫度、地震、設(shè)備振動(dòng)、閥門(mén)啟閉等作用，應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜；當(dāng)處于摻氫環(huán)境中，內(nèi)外應(yīng)力、殘余應(yīng)力等共同作用將會(huì)加速材料氫脆。關(guān)于應(yīng)力對(duì)氫脆影響，Holbrook和Cialone等研究了應(yīng)力比在氫氣和氮?dú)猸h(huán)境下對(duì)材料FCGR影響，結(jié)果表明氫氣環(huán)境下，當(dāng)應(yīng)力比為0.1～0.4 時(shí)，F(xiàn)CGR 基本沒(méi)有變化；當(dāng)應(yīng)力比超過(guò)0.4時(shí)，疲勞裂紋的增長(zhǎng)速率明顯快于氮?dú)猸h(huán)境，斷裂韌度明顯下降。其他研究表明管線鋼FCGR測(cè)試與環(huán)境和應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)，在實(shí)際管線系統(tǒng)中，由于壓縮站或其他行為會(huì)導(dǎo)致壓力頻繁波動(dòng)，尤其是當(dāng)應(yīng)力比值超過(guò)0.5時(shí)，第二階疲勞裂紋敏感性增加。

1.1.4 管網(wǎng)原始狀態(tài)對(duì)氫脆影響

Haeseldonckx 等研究發(fā)現(xiàn)摻氫天然氣管網(wǎng)材料氫脆與管道服役狀況有關(guān)，若管材出現(xiàn)疲勞損傷和疲勞微裂紋，將促進(jìn)氫原子在局部的偏聚，已有研究表明，氫原子易在應(yīng)力集中、缺陷處偏聚，造成局部氫損壞加劇，最終增加局部失效的概率。天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)服役狀況不同，導(dǎo)致天然氣管道缺陷、壁厚腐蝕減薄量、承壓狀況及剩余壽命等均不相同，如果此時(shí)盲目摻入氫氣，加上危險(xiǎn)因素綜合作用，會(huì)導(dǎo)致管道加速失效。Bae和Thanh等分別開(kāi)展了10MPa 氫氣環(huán)境下、低氫含量（體積分?jǐn)?shù)1%）下X70 管線鋼力學(xué)性能試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)含缺陷試樣的機(jī)械性能顯著下降，缺口抗拉強(qiáng)度明顯降低。有研究表明天然氣管道服役期間存在裂紋缺陷，且在動(dòng)態(tài)載荷和氫氣共同作用下，氫脆加劇同時(shí)管道壽命將會(huì)降低20%～50%。黃明等指出在現(xiàn)役天然氣管網(wǎng)里摻氫，需加強(qiáng)對(duì)管道損傷、裂紋探查，進(jìn)行相應(yīng)缺陷檢測(cè)，必要時(shí)對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。因此，在對(duì)天然氣管網(wǎng)混氫之前，需根據(jù)管網(wǎng)服役時(shí)間對(duì)管道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)性綜合評(píng)估，對(duì)最危險(xiǎn)的區(qū)域進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)管道剩余壽命，根據(jù)管道服役評(píng)定結(jié)果并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行工況，確定合理?yè)綒浔?，從而保證管網(wǎng)安全有效運(yùn)行。

1.2 管網(wǎng)設(shè)備摻氫適應(yīng)性

除管材外，天然氣管網(wǎng)中不同設(shè)備的摻氫適應(yīng)性也不容忽視。在不對(duì)現(xiàn)有天然氣管輸系統(tǒng)改造的前提下，摻氫比例上限取決于系統(tǒng)中摻氫適應(yīng)性最差的部件。國(guó)際能源署（IEA）報(bào)告中提供了現(xiàn)有不同設(shè)備可適應(yīng)的摻氫比例上限（見(jiàn)圖3），家用燃?xì)馄骶吆湾仩t摻氫適應(yīng)性良好，可接受的摻氫比例最高達(dá)30%，而現(xiàn)有管網(wǎng)中已安裝的燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)及密封性無(wú)法適應(yīng)高濃度氫氣，摻氫比例需分別低于5%和2%。除此之外，氫氣還會(huì)影響天然氣管道輸送用計(jì)量設(shè)施的計(jì)量精度，意大利研究人員認(rèn)為當(dāng)天然氣中摻氫比例≥5%時(shí)，計(jì)量設(shè)施就需要更換或改進(jìn)；Jacek 和Adrian針對(duì)計(jì)量設(shè)施在不同摻氫比例下開(kāi)展相關(guān)研究，結(jié)果表明氫氣體積分?jǐn)?shù)低于5%，絕大部分計(jì)量?jī)x表滿足MPE（the initial permissible maximum error）極限誤差要求，偶爾會(huì)出現(xiàn)MPE值超標(biāo)，并不嚴(yán)重；當(dāng)含氫量超過(guò)10%，儀表誤差明顯超過(guò)MPE值。法國(guó)天然氣輸送系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商研究結(jié)果表明，其管網(wǎng)中最大摻氫比例為6%，除了終端敏感設(shè)備外其管線中存儲(chǔ)設(shè)施最多容納2%比例的氫氣，同時(shí)研究進(jìn)一步指出，當(dāng)管網(wǎng)和下游設(shè)備適應(yīng)氫氣后，摻氫比例方可達(dá)到10%，且摻氫比例需與整個(gè)管網(wǎng)設(shè)備相匹配。以上可看出，摻氫天然氣管道輸送系統(tǒng)可摻氫比例評(píng)估需對(duì)系統(tǒng)中的所有設(shè)備進(jìn)行摻氫適應(yīng)性分析，管網(wǎng)范圍越大，與管道相連的設(shè)備越多，對(duì)安全摻氫比的要求可能越嚴(yán)格。

圖3 現(xiàn)有不同設(shè)備可適應(yīng)的摻氫比例上限[20]

2 示范項(xiàng)目摻氫比探討

迄今為止，許多國(guó)家開(kāi)展了摻氫天然氣管道輸送系統(tǒng)應(yīng)用示范項(xiàng)目，研究了天然氣管道系統(tǒng)中摻入不同比例氫氣后輸送以及終端應(yīng)用等的安全性。盡管摻氫天然氣管道輸送示范項(xiàng)目較多，國(guó)際上對(duì)于天然氣管道系統(tǒng)中可摻氫比例仍未形成一致結(jié)論。

2.1 現(xiàn)有示范項(xiàng)目

“NaturalHy”項(xiàng)目研究了將氫氣注入天然氣高壓輸送管線，并通過(guò)分配管網(wǎng)輸送至最終用戶的可行條件。結(jié)果表明，在現(xiàn)有管道和終端設(shè)備改造較小的情況下，摻混相對(duì)低體積分?jǐn)?shù)（＜5%～15%）的氫氣似乎是可行的，而更高的摻混濃度將會(huì)增加風(fēng)險(xiǎn)且需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整；研究指出管網(wǎng)中摻氫比例取決于管網(wǎng)設(shè)備類(lèi)型以及當(dāng)?shù)靥烊粴夥峙錀l件；項(xiàng)目研究了摻氫后可能面臨的風(fēng)險(xiǎn)，即管道故障頻率、點(diǎn)火概率、火災(zāi)或爆炸嚴(yán)重性等，研究顯示在20%的摻氫比下，爆炸頻率增加且高達(dá)2 倍；氫氣的摻入改變了設(shè)備運(yùn)行的可靠性和安全性，目前所有終端設(shè)備用途對(duì)象均是天然氣，尚未考慮設(shè)備的氫氣適應(yīng)性；該項(xiàng)目中燃燒器最大摻氫比例為12%，新建管道摻氫比例上限為10%，考慮現(xiàn)役管道材料的耐久性（材料失效行為、性能演化、服役狀況、腐蝕狀況以及抗爆性等）則降至6%，壓縮天然氣（CNG）儲(chǔ)罐最大摻氫比2%；該項(xiàng)目關(guān)于整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)的允許安全摻氫比并沒(méi)有明確給出；最后還指出，天然氣管網(wǎng)摻氫的可行性評(píng)估應(yīng)因地點(diǎn)而異，合適的摻氫比例會(huì)因管網(wǎng)系統(tǒng)和天然氣組分的不同而發(fā)生重大變化，因此必須具體情況具體分析。

“Sustainable Ameland”項(xiàng)目開(kāi)展了將氫氣（摻氫比例為5%～20%）摻入荷蘭當(dāng)?shù)氐蜔嶂堤烊粴夤芫W(wǎng)供14 戶普通家庭使用的研究和示范。在三年多的示范周期內(nèi)，管道運(yùn)行及終端應(yīng)用未出現(xiàn)安全問(wèn)題，但具體配送管線及附件、家用炊具等與示范摻氫天然氣的兼容性資料未披露。

“HyDeploy”項(xiàng)目包括試驗(yàn)研究和示范工作兩個(gè)階段。前期試驗(yàn)研究工作表明，在摻氫比例為20%的摻氫天然氣條件下，家用燃?xì)庥镁吆团渌凸艿朗褂眯阅芰己?，而現(xiàn)有氣體探測(cè)器易受氫氣干擾無(wú)法保證測(cè)量準(zhǔn)確度，需另開(kāi)發(fā)新型可在摻氫天然氣環(huán)境下工作的氣體探測(cè)器。示范階段向基爾大學(xué)專(zhuān)用天然氣管網(wǎng)和英國(guó)北部天然氣管網(wǎng)注入20%比例的氫氣，為住宅、教學(xué)樓、企業(yè)等供氣，目前該階段正在進(jìn)行中，還未形成現(xiàn)場(chǎng)管道系統(tǒng)摻氫及服役運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。除上述項(xiàng)目外，澳大利亞、德國(guó)、意大利等國(guó)家也開(kāi)展了相關(guān)應(yīng)用示范項(xiàng)目，摻氫比例從2%～20%均有涉及，但尚未公開(kāi)研究成果和示范經(jīng)驗(yàn)等資料。

2.2 示范項(xiàng)目存在的不足

目前，現(xiàn)示范項(xiàng)目均存在一定局限或不足。首先，大部分項(xiàng)目摻氫研究對(duì)象是局部短距離管網(wǎng)，并沒(méi)有將相關(guān)設(shè)備尤其是工業(yè)設(shè)備納入其中，如德國(guó)規(guī)定其摻氫上限為10%，當(dāng)下游管網(wǎng)連接加氣站時(shí)，摻氫比例下降至2%，現(xiàn)有項(xiàng)目有待完善，試點(diǎn)范圍需包含整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)及其運(yùn)行的工業(yè)設(shè)備；但目前許多工業(yè)設(shè)備還無(wú)法接受較高的摻氫水平，諸如老式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，混氫最高含量2%～10%，燃?xì)廨啓C(jī)極限混氫比例不得超過(guò)2%，許多經(jīng)認(rèn)證的設(shè)備摻氫含量低于5%。其次，現(xiàn)有摻氫示范項(xiàng)目缺乏更大規(guī)模的耐久性試驗(yàn)，包括工業(yè)設(shè)備的耐久性試驗(yàn)，尤其是在工業(yè)應(yīng)用中，摻氫比例需慎重對(duì)待，工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)等對(duì)氫氣較為敏感，其正常運(yùn)行受氫氣濃度影響較大。天然氣基礎(chǔ)設(shè)施較為復(fù)雜，管網(wǎng)分為輸送管網(wǎng)和配送管網(wǎng)，且運(yùn)行工況存在差異性，一些示范項(xiàng)目中管網(wǎng)經(jīng)過(guò)升級(jí)改造，與現(xiàn)有在役管網(wǎng)存在一定差異，未充分考慮天然氣管網(wǎng)服役狀況對(duì)摻氫比例的影響；最后各國(guó)管網(wǎng)設(shè)計(jì)參考標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不一，管道承受的摻氫比例存在明顯差異。

目前示范項(xiàng)目進(jìn)行的大多是短期應(yīng)用示范，而材料氫脆損傷是一個(gè)緩慢積累的過(guò)程，有可能導(dǎo)致?lián)綒涮烊粴夤茌斚到y(tǒng)在短期運(yùn)行期間未發(fā)生明顯異常，但這不能確保管道在之后的長(zhǎng)期運(yùn)行期間也不會(huì)發(fā)生材料失效引發(fā)的管道、設(shè)備等結(jié)構(gòu)性破壞或氣體泄漏、燃燒、爆炸等惡性事故。因此摻氫之前需對(duì)現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)輸送系統(tǒng)進(jìn)行全面的可行性評(píng)估，且可行性評(píng)估過(guò)程相關(guān)因素較多，需綜合考慮在役天然氣管道及配件、設(shè)備、天然氣成分、氫分壓、地理環(huán)境、服役歷史等多方面因素的影響，不能一概而論，需逐案分析。應(yīng)用示范是摻氫天然氣管輸系統(tǒng)可行性短期驗(yàn)證的有效途徑，但系統(tǒng)全面地開(kāi)展管道輸送摻氫天然氣可行性研究仍是摻氫天然氣管道輸送長(zhǎng)期化和規(guī)模化發(fā)展不可或缺的首要條件。且我國(guó)天然氣長(zhǎng)輸管網(wǎng)輸送距離長(zhǎng)，覆蓋范圍廣，工況差別大，需針對(duì)我國(guó)國(guó)情具體研究摻氫天然氣管道輸送系統(tǒng)的安全摻氫比例，切不可盲目照搬國(guó)外研究成果。

3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

目前，國(guó)際上尚未出臺(tái)摻氫天然氣管道輸送系統(tǒng)專(zhuān)用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，各國(guó)天然氣氣體質(zhì)量規(guī)范中可允許的最大摻氫比例也各不相同，詳見(jiàn)圖4（特殊工況分別為：德國(guó)，未與管網(wǎng)連接的壓縮天然氣加氣站；立陶宛，壓力大于1.6MPa 的天然氣管道；荷蘭，高熱值煤氣），大多數(shù)國(guó)家和地區(qū)設(shè)置的摻氫比例不超過(guò)2%，少數(shù)設(shè)定為4%～6%，德國(guó)雖然規(guī)定上限為10%，但如果壓縮天然氣加氣站連接到管網(wǎng)，則該比例大幅下調(diào)至2%以下。我國(guó)目前缺乏專(zhuān)門(mén)針對(duì)氫氣管道的標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)天然氣管道輸送相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范《煤制合成天然氣》（GB/T 33445—2017）《進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道的氣體質(zhì)量要求》（GB/T 37124—2018）中，分別規(guī)定了混合氣體中氫氣比例上限不超過(guò)5%和3%；兩標(biāo)準(zhǔn)分別針對(duì)煤制合成天然氣和天然氣管網(wǎng)，考慮到天然氣/煤制天然氣生產(chǎn)過(guò)程中有氫氣，諸如焦?fàn)t煤氣中氫體積分?jǐn)?shù)約50%、甲烷約30%，且氫氣含量作為一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，需嚴(yán)格控制，達(dá)到控制和保證天然氣/合成天然管網(wǎng)輸運(yùn)安全?？梢钥闯?，各國(guó)對(duì)天然氣中氫氣含量要求較為嚴(yán)格，即便是開(kāi)展了摻氫天然氣管道輸送相關(guān)示范和研發(fā)工作的國(guó)家，對(duì)天然氣中可摻氫比例依然相當(dāng)謹(jǐn)慎，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的摻氫比例上限都未超過(guò)10%。

圖4 部分國(guó)家和地區(qū)對(duì)天然氣中摻氫比例上限的要求[20,30]

對(duì)于氫能管道系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，有兩項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注度較高，分別是美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)的Hydrogen Piping and Pipelines（ASME B31.12—2019）和歐洲壓縮氣體協(xié)會(huì)的Hydrogen Pipeline Systems[CGA G-5.6—2005(Reaffirmed 2013)]，此兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范出發(fā)點(diǎn)主要是針對(duì)氫氣系統(tǒng)，輸送介質(zhì)主要是氫氣。

ASME B31.12包括通用要求、工業(yè)管道、管線和附錄4個(gè)部分，其中管線部分適用于氫氣、氫氣混合物和液氫的長(zhǎng)輸管道、分輸管道及服務(wù)管道系統(tǒng)。該部分對(duì)適用的輸送介質(zhì)指標(biāo)除包括壓力、溫度和水蒸氣含量外，還包括氣體中氫含量。該標(biāo)準(zhǔn)主要適用對(duì)象是氫氣系統(tǒng)，其適應(yīng)范圍中明確指出含氫比例大于10%的氣體，然而目前業(yè)界出現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的一些誤讀，認(rèn)為在現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)中摻入10%的氫氣是安全的，且無(wú)需對(duì)材料、管網(wǎng)設(shè)備以及配件等進(jìn)行氫安全評(píng)定，然而事實(shí)并非如此。ASME B31.12規(guī)定了氫比例不小于10%的輸氫管網(wǎng)基本要求，并不代表當(dāng)摻氫比例不超過(guò)10%時(shí)不需要執(zhí)行特殊要求和考慮。由于摻氫天然氣輸送是近年來(lái)快速發(fā)展的技術(shù)，所以ASME B31.12重點(diǎn)關(guān)注了氫氣比例較高的氣體輸送。從前述的材料氫損傷特性隨摻氫比例的演化特性來(lái)看，當(dāng)氫體積分?jǐn)?shù)小于10%時(shí)（例如5%），材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率等出現(xiàn)了顯著加快，因此輸送管線應(yīng)該執(zhí)行特別的要求。參照ASME B31.12的相關(guān)內(nèi)容，諸如在管道設(shè)計(jì)上，為降低材料氫脆帶來(lái)的管道失效風(fēng)險(xiǎn)，該標(biāo)準(zhǔn)采取了提高管道壁厚或降低設(shè)計(jì)壓力等措施。在未對(duì)管材進(jìn)行氫相容性評(píng)價(jià)或不滿足該評(píng)價(jià)的情況下，摻氫天然氣管道壁厚設(shè)計(jì)系數(shù)不可采用天然氣管道設(shè)計(jì)系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，加上材料性能系數(shù)的影響，導(dǎo)致一級(jí)地區(qū)摻氫天然氣管道壁厚較設(shè)計(jì)壓力相同的天然氣管道增大了1.44～2.65 倍。不可否定的是，輸送相同壓力的氣體介質(zhì)時(shí)，摻氫天然氣管道壁厚可能與天然氣管道壁厚相同，但材料需滿足氫相容性評(píng)價(jià)，如按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求在摻氫天然氣環(huán)境中測(cè)量材料的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KIH，確保其不得低于55MPa·m，并大于依據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展速率計(jì)算得到的表面裂紋最大啟裂系數(shù)KIA等。由此看來(lái)，評(píng)估現(xiàn)役天然氣管道摻氫可行性的重要一環(huán)就是對(duì)管材進(jìn)行氫相容性評(píng)價(jià)，分析該管道在既定管道壁厚或工作壓力下輸送摻氫天然氣的安全性。

CGA G-5.6適用于氫氣和氫氣混合物的輸送管道和配送管道系統(tǒng)，對(duì)于適用的輸送介質(zhì)指標(biāo)除包括壓力、溫度、水蒸氣和二氧化碳含量外，還特別指出氣體中摻氫比例須大于10%，或摻氫比例小于10%且CO 含量超過(guò)200μL/L。值得一提的是，CGA G-5.6 適用于摻氫分?jǐn)?shù)小于10%的摻氫管道（但CO 含量須大于200μL/L），對(duì)于一般摻氫天然氣而言CO 含量大于200μL/L，因而當(dāng)摻氫比例小于10%時(shí)，CGA G-5.6標(biāo)準(zhǔn)是適用的?；谠摌?biāo)準(zhǔn)中部分內(nèi)容的解讀，認(rèn)為鋼級(jí)為X52及以下的管道可直接用于輸送摻氫比例小于10%的摻氫天然氣的觀點(diǎn)較為熱門(mén)，這既忽略了該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管道系統(tǒng)詳細(xì)的討論和安全控制要求（如管道表面狀態(tài)、焊接技術(shù)要求等），又沒(méi)有注意到這是針對(duì)新建管道的選材而提出的，也未注意到氫分壓、天然氣成分等對(duì)材料氫脆程度及管道允許的最大摻氫比的影響；標(biāo)準(zhǔn)中明確要求現(xiàn)役管道轉(zhuǎn)化為氫能管道需滿足安全控制等相關(guān)要求。以偏概全地認(rèn)為，當(dāng)天然氣中摻氫比例小于10%時(shí)，則可利用現(xiàn)役或新建天然氣管道直接安全輸送摻氫天然氣是不正確的。

其他標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)則也對(duì)摻氫比進(jìn)行了相應(yīng)規(guī)范說(shuō)明，如DVGW G262中規(guī)定摻氫比不超過(guò)10%，其前提條件為天然氣管網(wǎng)下游沒(méi)有連接氫氣敏感設(shè)備。The UNECE Regulation 110和DIN 51624規(guī)定了最高2%的氫氣閾值，即當(dāng)天然氣加氣站連接至天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，允許的氫氣摻入比不得超過(guò)2%，同時(shí)如果測(cè)量系統(tǒng)中氫含量未經(jīng)安全校準(zhǔn)，摻氫比例不得超過(guò)0.2%，這些法規(guī)通?；谔烊粴夤?yīng)規(guī)范或管網(wǎng)系統(tǒng)最敏感設(shè)備的摻氫比來(lái)確定。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)安全摻氫比問(wèn)題，從管網(wǎng)材料、相關(guān)設(shè)備設(shè)施、已有示范項(xiàng)目以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范展開(kāi)，基于現(xiàn)有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累以及示范項(xiàng)目運(yùn)行情況，可以得出：①天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)安全摻氫比方面，管網(wǎng)系統(tǒng)各部件耐氫性不一，設(shè)備氫適應(yīng)性相對(duì)于管道氫適應(yīng)性較差，不同管網(wǎng)初始狀態(tài)也差異較大，因此目前較難提出具有廣泛適用性的安全摻氫比例；②對(duì)于中高壓長(zhǎng)輸管線，壓力和應(yīng)力水平高，摻氫后斷裂韌度降低、疲勞裂紋擴(kuò)展速率加快，管道壽命降低，例如X80 管線鋼在5%摻氫條件下疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯增加；③對(duì)于分輸管線，盡管壓力和應(yīng)力水平相對(duì)較低，但已有試驗(yàn)表明，對(duì)于分輸管線用鋼，CO和H聯(lián)合作用可能加速劣化，應(yīng)加強(qiáng)摻氫天然氣組分對(duì)材料氫脆影響的研究；④對(duì)于管網(wǎng)服役狀況，隨著管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間累計(jì)，管網(wǎng)中微缺陷逐步累積，在摻氫環(huán)境以及壓力波動(dòng)共同作用下，損傷程度可能顯著加速，引起管道壽命降低；⑤非金屬管道不會(huì)發(fā)生氫脆，可承受較高的摻氫比例，但其存在滲漏問(wèn)題，當(dāng)摻氫比達(dá)到10%時(shí)，氫氣在聚乙烯管道中滲透系數(shù)是甲烷滲透系數(shù)的4～5倍，且氫氣滲透量隨著管網(wǎng)摻氫比增加而增加。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于天然氣管網(wǎng)安全摻氫比方面的研究項(xiàng)目較少，且摻氫天然氣環(huán)境中的管線鋼力學(xué)性能數(shù)據(jù)較為缺乏，特別是天然氣中復(fù)雜組分對(duì)管材氫損傷的影響等，需繼續(xù)加強(qiáng)研究，為管網(wǎng)的安全運(yùn)行提供技術(shù)支撐。與此同時(shí)，加快推動(dòng)摻氫天然氣項(xiàng)目的示范運(yùn)行，不斷積累示范應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，制定完善相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，促進(jìn)摻氫天然氣管道輸送系統(tǒng)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化發(fā)展。