掺氢天然气长距离管道输送安全关键技术与进展

李凤^*,†，董绍华^*,†，陈林^*,†，朱喜平^**，韩子从^*,†

（*中国石油大学（北京）安全与海洋工程学院，北京102249；†应急管理部油气生产安全与应急技术重点实验室，北京102249；**国家石油天然气管网集团有限公司，北京100020；）

　　摘要：利用天然气管输系统混输氢气，能实现氢气大规模、低成本、长距离输送，但掺氢混输带来更严峻的安全、技术挑战。本文围绕输送工艺及关键设备、管材相容性与寿命预测、泄漏监测检与风险评估、标准体系建设几项关键技术，探讨掺氢天然气长距离管道输送的安全问题。建议统筹规划输送网络，改进关键管输工艺与设备，建立输运协同应急与智慧决策大数据平台，制定掺氢天然气管道输送规范标准，逐步开展掺氢天然气输送技术应用示范。

　　氢能作为二次能源，具有来源多样、终端零排、用途广泛等优势，对于保障国家能源安全、应对全球气候变化的脱碳愿景具有重要意义[1]。氢能源在氢能产业的储存、运输方面更具综合成本优势，氢能源储运已成为未来大规模储运氢的行业共识，是国际能源战略竞争焦点，是中国能源技术与新兴产业的重要战略方向。目前我国制氢量全球第一，现有制氢产能已达到4100万吨/年，产量3342万吨，此外，我国每年弃电约有1000亿千瓦时，造成大量能源损失，用于制氢则可产生200万吨氢气。氢能是中国构建清洁能源综合供给系统的重要载体，氢能发展可提高能源保障水平并提升能源使用效率。我国氢能资源供给侧与市场侧极度不平衡，需要大规模储运调配，因此发展经济高效、安全便捷的氢能储运技术便成为制约其发展的核心问题。目前有4种氢能储运技术，各种输送方式下经济性统计如表1所示。

　　对比分析以上氢能储运关键技术，管道运输可大幅降低氢气输送成本，减少输配基础设施的投资。天然气管道掺氢混输，将会带来新的技术、安全问题。本文着重探讨掺氢天然气长距离管道输送的安全、技术问题，从管输工艺、掺氢设备适应性、管材相容性、泄漏监检测与风险评估、标准体系建设几个方面指出天然气管道掺氢混输送急需解决的问题，并对今后的发展方向进行展望，给出研究建议。

　　1天然气管道掺氢混输发展现状

　　全球氢能发展势头强劲，多个国家相继发布国家氢能战略。日本在1974年便启动了“阳光计划”，规划了氢能能源研究项目来应对能源危机，并于2003年在《第一次能源基本计划》中提出“氢能社会”。随后不断提出氢能发展战略和规划，将氢能提升至国家战略高度。在此期间，日本本田公司于2008年推出了首款商用燃料电池车电动车，走在氢能发展的前列。欧盟和美国也提出了相应的氢能发展规划。2020年欧盟在《气候中性的欧洲氢能战略》中正式提出了三个阶段推进氢能发展的规划。同年美国能源部也在《氢能项目计划》中明确了氢能发展的核心技术领域、需求和挑战及研发重点，并确立了氢能计划的主要技术经济目标。同样，我国也相继出台了一系列政策，将氢能列为前瞻谋划的六大未来产业之一，如图1所示。尤其2022年3月发布首个氢能中长期发展规划，并且在4月公布的“十四五”重点研发计划中明确将氢能利用作为我国当前科技产业发展的重点研究方向。

　　2000年之后，国内外相继开展了天然气管道掺氢技术及应用研究，已有30多个国家发布了氢能发展路线图和氢能投资计划，全球政府承诺投入超过700亿美元公共资金用于氢能领域，这一势头正在加速产业链上包括氢气生产、储存、运输、分销、零售和终端应用的成本降低，加快推动其规模化应用，并达成了历史上前所未有的全球联动。国内外开展了多个天然气管道掺氢混输示范项目，如表2所示。

　　虽然各国已经出台相关政策积极推动氢能产业发展，但是由于氢气本身具有如表3所示的特性，分子粒径、原子尺寸以及密度远小于天然气，容易在管材内部扩散，且埋地管输氢气泄漏后更容易扩散聚集在地面，此外氢气相较天然气具有更宽的爆炸浓度范围以及更低的点火能，使得管道中的泄漏气体更容易爆炸而产生巨大的风险。我国能源局在2022年6月29日出台的《防止电力生产事故的二十五项重点要求（2022年版）（征求意见稿）》中也对氢气的运输和使用提出了更高的安全要求。天然气管道掺氢输送安全问题必须足够重视，也需要深入的研究后才可予以实施。

　　2掺氢输送工艺特性及影响

　　2.1掺氢对混合气体物性参数的影响

　　掺氢天然气的压缩因子、节流效应系数、定压比热等参数较天然气和氢气有较大差异。王国云等[4]计算了甲烷–氢气混合物的压缩因子，并将计算结果与试验数据相比较，发现在一定的输送压力、温度条件下，掺氢天然气的压缩因子随着掺氢比例的增大而增大，节流效应系数随着掺氢比例的增大而减小。Li等[5]计算了掺氢天然气的节流效应系数，研究获得了更适用于计算掺氢天然气节流效应系数的计算方程。周慧等[6]计算了掺氢天然气节流效应的转变压力，当掺氢比例低于30%时，掺氢天然气节流效应最大转变压力均在52～60MPa，并提出了适用于现场计算掺氢天然气的节流效应系数公式。但由于计算压缩因子，节流效应系数等参数的状态方程较多，选用不同的方程往往得到的结果存在一定的误差，对不同状态方程计算精度的比较成为一个重点研究方向。

　　2.2掺氢对管道运行工况的影响

　　氢气与天然气的物性差异，改变了管道和设备内的气体条件，并且使用不同的掺氢方式和不同的掺氢比对于管道的影响不同。因此需要深入探究多组分流体动态掺混过程和氢气掺入天然气管线对其造成的影响，分析掺混后压力、流速、温度、质量流量、热值等参数的变化，以减小掺氢对天然气管道造成的负面影响、降低管道风险、保证管线安全平稳运行、满足终端用户用气需求。

　　由于掺氢天然气压缩因子、节流效应系数、定压比热等参数与天然气和氢气相比有较大差异，这将会影响掺氢天然气在管道输送过程中的压力、温度、管道最大输气量等相关输送工艺参数的变化。王玮等[7]通过Hysys模拟得出掺氢比例对掺氢天然气的出站压力影响规律，在环境温度为15℃时，掺氢比例由0增至30%时，掺氢天然气的出站压力增加了9.1%，管道输气量增加了14.8%。黄明等[8]通过数值模拟计算发现，在管道压降不变的前提下，管道输送天然气的体积流量将随着掺氢比例的增大而增大。Uilhoorn[9]研究了掺氢天然气管道中非等温瞬态流动，发现在标准体积流量不变的情况下，掺入氢气使管道沿线的压力和温度下降变缓，在质量流量不变的情况下，压降增加而温降会减小。Uilhoorn[10]计算了掺氢输送过程中的压降与温降，结果表明掺混氢气降低了管道中的压降和温降。对于环状管网，Hafsi等[11]对等温气体流动条件下，环状管网中掺氢天然气的稳态和瞬态流动进行了数值模拟，得出掺入氢气后会增大管网过压的风险。可以发现，管道动态压力波动随着掺氢比的增大减小，管道体积流量随着掺氢比的增大而增大，输气效率（输气功率）随着掺氢比的增大而减小，为了保证输气功率不变，可以适当增加管道的运行压力，提高沿程压力降。

　　2.3掺氢对压缩工况的影响

　　在天然气的输送中，离心压缩机是天然气输送管网中的关键设备。由于离心压缩机的实际运行工况与气体的组分有着非常密切的关系，掺氢天然气影响离心压缩机运行工况参数（如性能曲线、稳定工作点等）的变化会影响压缩机的压比、效率等参数。朱建鲁等[12]通过石油天然气长输管道模拟计算软件SPS（stoner pipeline simulator）模拟得出天然气掺入氢气后会使压缩机的喘振区增大，稳定工作区变窄。王玮等[7]得出当掺氢比例由0增至30%时，离心压缩机的平衡工作点将向左下方移动，即平衡工作状态下所对应的压力，流量都将会减小。张衡[13]得出在定转速的条件下，离心压缩机的出口压力随着掺氢比例的增大而降低。崔兆雪等[14]通过SPS软件模拟得出在维持流量和进口压力不变时，离心压缩机的压比降低，压缩机所需的功率、转速、效率均随着掺氢比例的增大而增大。因此在进行掺氢输送时，若维持输送流量不变，应增大压缩机转速。总之，压缩机的功率、转速、效率随着混氢比的增加而增大，压缩机的压比、轴功率和效率随着混氢比的增加而减小。

　　从上述研究中可以看出，在天然气管道中掺入氢气会对混合气体的物性参数，管道沿线的压力、温度、输气能力，压缩机运行状态等产生一定的影响，上述成果对于后续开展掺氢对管道输送工艺参数的影响研究具有重要意义，为天然气掺氢项目投入现实生产打下坚实的基础。但是目前投入运行的天然气掺氢管线项目较少，掺氢比例对天然气输送管道工艺参数的具体影响需要进行系统性研究与验证。

　　3掺氢输送关键设备

　　3.1掺混装备

　　实现氢气和天然气的高效、均匀混合是掺氢天然气输送中首先需要克服的难题。常见的流体混合器[15-17]有机械搅拌器、撞击射流混合器、静态混合器等，混合方法可分为机械搅拌、射流、静态混合三种。由于运用机械搅拌器[15]进行混合需要外加能量，功率损耗大且混合均匀度略差，且掺氢天然气有易燃易爆炸的特性，采用机械搅拌安全性较低；而射流混合器[16]出口处输出的混合气体压力过低，易导致管道堵塞，造成安全生产事故。静态混合器[17]具有结构简单，掺混效率高、能耗低、体积小、易于连续化生产等优点。静态混合器设计时主要考虑管道直径、内部构件结构、含混合单元的管道长度等因素。常见的静态混合器[18-19]有SV型静态混合器单元、SK型静态混合器、SL型静态混合器、SX型静态混合器、SH型静态混合器，其结构图如图2所示。表4为各类型混合单元的混合效果和适用介质情况。考虑到氢气与天然气的黏度较小，并且气体混合与液体混合存在显著差异，为达到最佳混合效率，在对混合器改进方面需要进一步结合分子、湍流和对流扩散的多种作用，达到提升掺混速度和均匀度的目的。

　　3.2掺氢控制阀

　　掺氢控制阀的应用已经很成熟，是制氢、氢储运、输氢–车载供氢系统及用氢（燃料电池系统）环节中重要的仪器设备，对于掺氢控制阀的技术难点存在以下几个方面。

　　（1）掺氢控制阀的密封。掺氢控制阀的密封包括内密封和外密封，内密封是指控压件关闭时的密封性能，截止阀和球阀类切断工况用控制阀不允许泄漏；外密封是指耐压件的密封，包括阀盖和阀体之间、填料处的密封。由于氢气分子质量小，具有更强的渗透性，对高压掺氢管道掺氢控制阀的密封性能要求较高。美国燃气技术研究表明[20]：氢气在绝大部分用于制作密封件的橡胶等弹性体中的渗漏系数比在管道材料中的渗漏系数要高得多，氢气在钢和球磨铸铁等金属管道阀门螺纹或机械连接关节的渗透速率是天然气的3倍。

　　（2）临氢材料的工艺性能。氢气对材料性能的影响会造成密封件失效甚至是降低耐压件的强度，临氢材料的选用和工艺处理能够满足掺氢长输输送工况需求。在高压工况下需要密封副耐冲刷，密封副硬化材料是否能够在高压工况下使用，目前没有资料可循。

　　（3）控制阀的精度。掺氢控制阀的调节精度是衡量调节阀质量的关键性和整体性指标。掺氢切断阀的密封性能和动作可靠性决定切断控制阀的性能优劣。临氢密封材料的性能改变及金属材料的尺寸变化都会降低产品的密封性能，掺氢控制阀对零件加工精度和粗糙度提出了更高要求。

　　由于密封理论、产品结构、密封材料、加工工艺等方面的基础研究落后，影响了掺氢控制阀产品性能和可靠性，同时由于缺乏技术标准支持，掺氢控制阀缺乏设计及测试标准，我国掺氢控制阀的质量精度达不到国际先进水平，技术、成本方面制约了掺氢控制阀的应用及发展。可进一步改进或开拓制阀工艺方法，并通过实际应用验证掺氢控制阀的可靠性，实现掺氢控制阀的国产化、低成本和工业化应用。

　　3.3压缩装置

　　离心式压缩机是集输站场最为广泛使用的压缩装置，将气体动能转化为动能实现增压操作，其性能对整个管输系统的安全高效运行意义重大。由于氢气密度较小，离心式压缩机需要对3倍多体积的氢气做功才能达到与压缩天然气相同的能量需求，压缩机转子对氢气的旋转速度比天然气高出约1.74倍才能达到相同的压缩比[21]，掺氢管输工况对离心式压缩机的组件和密封性能提出了更高要求。提高压缩机叶轮的工作转速使得叶轮转子承受更大的离心力作用，临氢工况下压缩机转子材料的防氢脆特性，对压缩机材料的力学性能要求更高[22]。目前国内外对各种型号压缩机的最高容许掺氢比例还没有形成统一标准，新型压缩机转子抗氢脆、高强度材料研发较少，在下一步可从压缩机与掺氢比的适应性及新型抗氢脆高强度材料研发两方面开展研究工作。

　　3.4计量设备

　　掺氢天然气流量计量设备包括用户终端的流量计及集输系统中的流量监测设备，掺氢天然气流量技术的发展推动着掺氢天然气产业的市场化、规模化。国外研究获得了不同掺氢比对燃气表和流量计的计量偏差和使用寿命的影响，并认为掺氢比低于15%时的影响最小[23]。掺氢天然气比天然气具有更大的压缩性，掺氢比会改变气体的压缩因子，而造成计量误差，通过实时在线的气体组分分析可有效降低长输掺氢天然气管道的计量误差。“欧洲计量创新和研究计划”开展了流量计量标准化研究工作，旨在确定非常规气体在典型目标用户终端中的测量精度、成本和使用寿命。我国关于掺氢天然气计量技术研究工作的报道较少，相关研究成果仍是空白。

　　综上，在天然气中掺混氢气不仅会影响输送管道，还可能导致沿线的关键设备及其部件产生氢脆、氢损伤，且随着氢气掺入量的变化，掺输设备、计量设备的可靠性和准确性也会发生变化，存在失效的风险。因此，以上涉氢设备在材料选择、设计制造、规范标准方面与天然气设备有较大不同。

　　4管材相容性与寿命预测

　　4.1管材相容性

　　氢分子在钢材表面吸附后，容易分解成氢原子，而氢原子具有极小的原子半径，极易作为间隙原子在金属晶体点阵内扩散[24]。在金属内扩散的氢原子容易在缺陷以及应力集中处富集，引发裂纹或产生氢鼓泡，导致管材失效[25]，通常氢脆的发生受材料、环境和应力三因素耦合作用影响[25]。Nguyen等[26]指出管材的氢脆敏感性取决于掺氢天然气中的氢浓度，随着掺氢比和气体压力的增大，高钢级管线钢的氢脆敏感性持续增大。Shang等[27]和Gondal等[28]发现相比于高钢级管线钢，低钢级管线钢在较低压力及掺氢比下可以较好地服役。Zhou等[29]发现X80管线钢在掺氢天然气中拉伸时，缺口试件的力学性能损失显著高于光滑试件，这说明当管线钢中存在缺陷或者裂纹时，天然气中掺氢会导致裂纹快速扩展最终造成管材失效，可能会产生气体泄漏进而产生爆炸风险。我国燃气管道历经40年高速发展，多为老旧管道，且内部缺陷多，因此当前管道是否适用于掺氢输送需要进一步试验验证。

　　天然气中通常含有许多杂质（O₂，N₂，CO₂，H₂S，CO和H₂O），会对管线钢的氢脆行为产生不同影响。Barthélémy[30]发现H₂S或CO₂会显著增加材料的氢脆敏感性及损伤程度。Shang等[31]在氢气/甲烷混合气体中也发现H₂S或CO₂对钢材性能的不利作用。还有学者指出在潮湿空气中（湿度≥30%），高强马氏体钢会发生明显的氢致开裂现象，印证了Shang等[27]认为高钢级管线钢可能不适于氢气输送。这是由于钢材氢脆敏感性随其强度的增大而增大[32]，Fe与H₂O反应生成的少量H原子就会导致高强钢氢脆的发生，但是H₂O对低钢级管材的氢脆影响仍然存在争议[33]，需要进一步研究。对于O₂和CO，学者们发现它们会抑制氢在钢材表面的吸附行为，进而降低钢材的氢脆敏感性[34]。但是随着掺氢比和氢气压力的增加，杂质气体的影响还需更系统的研究。

　　除氢含量和杂质气体外，管材微观组织对其氢脆行为的影响不容忽视。Park等[35]发现针状铁素体抗氢脆性能较为优异，但Costin等[36]也指出X70管材焊缝处针状铁素体在含氢条件下的门槛应力强度因子很低，即具有较高的氢脆敏感性。因此微观组织对氢脆行为的影响仍需进一步研究，因为其与掺氢比和氢气压力等对管材抗氢脆性能的影响存在耦合作用。但学者们普遍认为管材中存在马氏体时，抗氢脆性能显著降低[37]，并且软相和硬相的相界面处更容易产生氢致裂纹[38]。此外，钢中第二相的作用不容忽视[39]，通常MnS夹杂物、硬质的氮碳化物和Al，Si氧化物会加速钢中氢致裂纹的萌生，因此掺氢天然气管材需严格控制热处理工艺，同时严格控制钢中S，Mn等容易形成加载物的元素含量，降低夹杂物的形成概率，从而达到改善钢材抗氢脆性能的目的。

　　当前我国长输管线的主要连接方式有焊接、螺纹连接、法兰连接等。对于焊接而言，热影响区通常是管材在含氢条件下服役的薄弱区[40]，这是由于焊接区易形成具有高氢溶解度和高氢脆敏感性的组织[41]。对于螺纹和法兰连接，振动环境、介质压力脉动及附加载荷等因素与氢的耦合作用可能会导致高应力区的氢富集，长时间服役后氢与应力的耦合作用可能会导致螺纹和法兰密封面的失效，产生严峻的安全风险。掺氢混输体系对管道连接部位有更高的要求，需要长期健康状态检测和可靠性评价来保障输送安全。

　　4.2掺氢管道裂纹扩展与寿命预测

　　氢致裂纹扩展的寿命孕育期，氢致开裂通常是在稳定载荷和一定氢环境作用下，经一段时间的吸氢过程，达到临界氢浓度而发生延迟性失效行为，这段时间定义为孕育期，随着孕育期的增加，氢浓度逐渐增大，并且距裂尖越近，氢浓度越大。因此通常将氢致裂纹扩展分为如图3所示的三个阶段[44]，其中，纵坐标为裂纹扩展速率。Ⅰ：裂纹扩展初始阶段，裂纹扩展速率随应力强度因子的增加而增大；Ⅱ：此阶段裂纹扩展速率趋于平稳状态，不随应力强度因子增加而增大；Ⅲ：裂纹失稳扩展阶段，在短时间内扩展导致快速失效。

　　董绍华等[45]还分析了现有不稳定裂纹扩展计算模型之间的差异，克服了裂纹扩展速度模型的不足。考虑延性材料的硬化系数和硬化指数，建立了基于Hutchinson–Rice–Rosengren（HRR）理论弹塑性应力–应变场和位移场的X80管道不稳定裂纹扩展速度模型。此外，还可采用失效评估图（failure assessment diagram，FAD），如图4（图中Kr=f（Lr）为失效评定曲线，纵坐标Kr表征结构构件抵抗断裂破坏的状态，横坐标Lr表征结构构件抵抗塑性极限破坏的状态，Lrmax以材料极限应力和屈服应力之和的一半与屈服应力的比值计算。B（Lr,Kr）点位于评定曲线与x轴和y轴构成的封闭区域内，认为含缺陷结构是安全的；A（Lr,Kr）点位于失效评定曲线上，认为结构处于安全与不安全的临界状态），来判断管道发生脆断、弹塑性撕裂或塑性失稳等形式的失效的可能性[44]，相应的评价方法在API579—2007[46]和BS7910—2019[47]两项标准中均有说明。

　　5泄漏监检测与风险评估

　　5.1掺氢管道泄漏扩散安全性

　　管道在使用过程中，由于腐蚀、第三方破坏、管道服役年限等原因，气体在输送过程中容易发生泄漏。对于掺氢管道，发生泄漏后气体如果在受限空间内发生积聚，容易引起人员窒息，同时，由于气体自身的可燃性，在遇到外界点火源等情况下有可能发生燃烧、爆炸等事故，造成人员伤亡和财产损失。因此，十分有必要对掺氢管道泄漏、燃烧、爆炸等事故开展安全性研究。

　　与天然气相比，氢气具有密度低，扩散速度快，最小点火能低等特点，发生泄漏扩散、燃烧、爆炸等事故的事故特征存在差异。研究人员对天然气管道输送过程研究已比较充分，随着近年来计算机技术的发展，许多研究都是基于PIPEPHASE，PHAST，FLACS，FLUENT，OpenFOAM等软件进行，获得了大量试验中难以获得的数据，为掺氢管道输送安全性研究奠定了基础。目前研究机构和研究人员对掺氢管道泄漏事故开展研究[48]。对于埋地管道，氢气、天然气泄漏事故后果具有显著的差异。相比于天然气泄漏，高压氢气泄漏更容易集中成大型危险云团，且具有更快的最大扩散高度，但其在近地面的危险系数更小[49]，管道泄漏后氢气比天然气的影响范围更广[50]。由于管道泄漏时气体速度很高，且难以建立准确的土壤模型，氢气、天然气埋地管道泄漏结果与实际情况存在偏差。气体泄漏规律方面，随着掺氢比例的提高，泄漏后的压力损失速度和泄漏速度会有所增加，泄漏流量也会增加，若管道中出现小孔泄漏，流量将随掺氢量的增大而增大[51]。然而，掺氢天然气管道多组分气体泄漏在空气中的气体运移行为、扩散机理及浓度分布特征尚不明晰，掺氢天然气管道多因素耦合作用下管道事故失效特征、事故风险演化动态发展过程、灾害链式效应的蔓延及其控制方法尚不明确。长距离输氢管线完整性管理、事故应急决策及抢维修缺乏相关标准规范。对于输氢管道，在设计时需要考虑氢气对管材等因素的影响，在设计源头考虑安全性的问题，对不同情景进行模拟和安全性评估。对于掺氢管道事故的应急管理与处置，需要设计建造管道维抢修设备、建立专业的维抢修队伍，并且急需利用智慧决策大数据技术及其他相关关键技术，建立氢能输运协同应急平台。

　　5.2高压氢泄漏自燃

　　据统计结果显示，有将近60%的高压氢气泄漏燃爆事故无法确定外界点火源的存在[52]。而相关文献研究表明，高压氢气突然泄漏可能引起自燃。国内外学者已通过试验和模拟证实了高压氢气泄漏的自燃现象。Wolański等[53]在1972年首先提出了扩散点火理论，他们进行了一系列激波管实验，发现即使释放氢气的温度低于自燃点火温度，但仍可观察到点火现象。Duan等[54]对高压氢气泄漏能否发生自燃影响因素，管径、泄压、管长、管道形状等进行了试验研究，发现随着泄放压力的增大和管道直径的减小，激波强度逐渐降低；激波平均速度在直管道中先增加后降低且最终维持至常数，但管道内激波反射现象在管道界面发生变化时会明显产生。此外，高压氢气泄漏自燃的可能性随泄放压力和管道长度的增大而增大，并且其自燃可能性会由于管道截面发生变化而显著提高。高压压力容器的内压降低会导致氢射流火燃烧机制发生变化，使得自然火焰传播到管道外部后逐渐转变为射流火焰[55]。对于管内障碍物对高压氢泄漏自燃特性的影响研究，研究人员发现：障碍物的存在促进了激波的形成、反射、折射，提高自燃发生的可能性，降低初始点火距离和初始点火时间。除了研究影响氢气自燃因素，学者对氢气泄放火焰传播、喷射火特性进行了试验分析[56]，得出边界层处形成的氢气/空气混合层是氢气发生自燃的重要条件[57]，氢气自燃所需的最小点火压力随管径的增大先减小后增大[58]。

　　现阶段国内外对于掺氢天然气大规模应用的经验尚且不足，目前限制掺氢天然气推广的主要阻碍是缺乏各类管网设备系统相对应的掺氢比例上限标准，难以在可接受风险范围内进行掺氢，对掺氢的影响了解不全面，预防措施设计不足，对于泄漏事故发生后的应对方案也不甚完善。因此，对于掺氢天然气在不同生产条件和不同掺氢比例下的泄漏扩散规律进行研究，并给出相应气体探测器安装建议，有助于了解在天然气中掺氢后的事故发生概率，为事故的紧急处理和应对提供帮助，为建立相关标准体系提供一定的理论依据。

　　5.3掺氢管道泄漏监检测技术

　　天然气管道多为金属管道，其缺陷分为：生产制造过程中产生的缺陷、管道焊接过程中产生的缺陷以及服役过程中产生的缺陷。当缺陷发展到一定程度后会造成管道泄漏，为了降低泄漏风险，需要在故障发生前对管道进行检测分析[59-60]。随着管道检测技术的不断发展，无损检测技术[61]成为了管道安全评估的常用方法。漏磁检测是一种成熟的管道内检测技术，但漏磁检测器必须选用如高强度合金钢等材料来保证耐用和强度[62]。T.D.Williamson公司发现，仅向甲烷中注入10%氢气时，内检测器在使用过程中就会产生风险，他们还指出只要加入5×10^–4的氢，就会对磁铁以及高强度钢材造成永久性损伤[62]。为保证机械强度并提供足够的磁能，漏磁检测器需要使用高强度合金钢和稀土永磁体等材料，但这些材料容易发生氢脆。为了降低氢脆的风险，T.D.Williamson公司设计了一种新的磁化器和相关的支撑系统，同时使用科里奥利流量计和控制阀手动控制发射现场的流量，使氢气绕过驱动器并远离压缩机，从而实现更好的局部流量和压力控制[63]。目前对于其他内检测器在掺氢天然气管道中的应用及风险还未有研究，但可能都会出现类似风险，因此需要开展相应研究以确保检测器的正常运行。现有的研究成果中，存在许多对于天然气泄漏的检测措施研究，但鲜有对于天然气管道掺氢后泄漏的检测方案设计及掺氢传感器的布置规程发布。

　　6标准体系建设

　　6.1管道输送标准

　　目前，国际上已有输氢管道的相关标准规范，已颁布的标准规范包括ASMEB31.12—2019[64]、AIGA033/14[65]、CGAG-5.6—2005（Reaffirmed 2013）[66]等。在国内，已颁布的天然气及氢气相关的标准规范有GB50251—2015《输气管道工程设计规范》[67]、GB50177—2005《氢气站设计规范》[68]、GB/T29729—2013《氢系统安全的基本要求》[69]、GB4962—2008《氢气使用安全技术规程》[70]、GB/T34542.1—2017《氢气储存输送系统第1部分：通用要求》[71]、GB/T34542.2—2018《氢气储存输送系统第2部分：金属材料与氢环境相容性试验方法》[72]、GB/T34542.3—2018《氢气储存输送系统第3部分：金属材料氢脆敏感度试验方法》[73]等。不过针对掺氢天然气管道相关规范，国内外并没有正式颁布建立，但已有的输氢管道标准规范可以提供一定的借鉴意义。

　　6.2管道完整性标准

　　国内外在常规油气管道系统完整性关键技术与工业化应用方面已日趋成熟，管道完整性管理[74]逐渐成为全球管道行业预防事故发生、实现事前预控的重要手段。目前国内外已制定了大量的管道监检测技术标准[75]和气体管道修复适用标准[76]。对于掺氢天然气管道，由于氢气的引入，管道所面临的风险更高，尤其是利用现有管道掺氢风险更高，因此需要结合管道运行实际情况以及前期大量实验对现有标准及规范进行修改和完善。为了保障掺氢天然气管道全生命周期管理，全面提升管道公司管道建设运营的管理水平，需要充分结合实际生产，引入智能化管理体系，充分做到事前预防，及时管控[77]。此外，还需积极开展效能评审，分析评价完整性管理过程中的不足，发现提升空间，不断改进并完善管理系统，持续提高管理水平，保障管道安全可靠运行[78]。此外，不同掺氢比的掺氢天然气会影响现有天然气管道中阀门、法兰等零件设施及下游用户的使用，因此应针对管道的使用年限、周围环境、管材等现状，分析不同掺氢比下不同地区管路的掺氢可行性[79]，并建立相关评估方法和标准。

　　6.3燃料气标准

　　对于下游电厂用户，目前国内针对燃料气的相关标准主要是《燃气轮机气体燃料的使用导则》（JB/T5886—2015）[80]。导则主要对杂质和组分提出了控制要求。虽然氢气是可以作为燃料气的组分，但不同的燃气轮机机组对氢气含量的要求不同。因此混氢天然气造成的燃气指标发生变化必须不超过燃气轮机可接受范围，否则燃机的寿命和可靠性将受到影响。对于压缩天然气（compressed natural gas，CNG）、液化天然气（liquefied natural gas，LNG）用户，目前CNG的国家标准《车用压缩天然气》（GB18047—2017）[81]中对氢气的含量未做规定。相关研究表明氢气体积含量在6%的CNG对燃料气汽车的零部件及燃烧性能未造成明显不利影响，可以在汽车上使用。对LNG用户的影响方面，由于氢气的液化温度比甲烷低，掺氢天然气的泡点温度随着掺氢比的增加而迅速下降，适当降低掺氢比可提高液化系统的能耗和储存设备的安全性。由此可知氢气含量的高低对LNG用户主要的影响是能耗及原料气的利用率等经济性的影响，氢气含量过高影响LNG用户的经济性[81]。对终端用户灶具的影响方面，天然气掺氢后不满足现有燃气灶具的气源成分设计方案，需分析其对气源互换性及燃具性能的影响。严荣松等[82]的研究结果表明：（1）不同气源天然气的华白数与热值不同，会导致燃气互换性不统一，当掺氢比小于20%时可保证气源的普适性；（2）掺氢会降低气源的热值，但不会改变燃气具能效，因此掺氢天然气可在现有家用燃具上使用。对于掺氢天然气在终端用户的使用中，同样需要系统性研究，修改或制定相应的标准，保障终端用户的安全使用。

　　7结语

　　目前我国油气管道“全国一张网”的局面已基本形成，天然气管道网络系统框架也已基本形成。管道运输是大规模、长距离输氢最经济的方式，利用现有的天然气管道进行掺氢输送，对降低氢气输送成本、扩大输送范围有重要意义，更有力地促进可再生能源制氢的发展，并对实现我国能源结构转型、优化意义重大。但是利用管道输氢仍存在很多问题，由于氢气与天然气存在物性、燃烧特性、爆炸极限等特性的显著区别，掺氢输送安全问题必须足够重视。目前天然气管道掺氢混输送还有诸多问题急需解决，主要体现在以下几个方面。

　　（1）在管输工艺研究方面，掺氢天然气物性计算和工艺仿真的精度和适应性有待验证；长输管道大落差场景下氢气和天然气的分层现象缺乏研究；多级减压和调压技术研究工作较少，对掺氢输送架空和埋地管道连接工艺没有明确的标准。

　　（2）在掺氢设备适应性研究方面，国内尚无流量随动精准掺氢设备，且随动掺氢工艺、掺混装备研发及氢气纯化工艺及效率不满足实际需求；国内外对掺氢后计量仪表的偏差认识有待提高；掺氢对离心式压缩机的性能影响尚不清楚且不同压缩机组的掺氢阈值尚未确定。

　　（3）在管材相容性研究方面，国内外工业掺氢天然气下管材相容性理论不完善，不同掺氢比下管材性能影响规律不健全，并且掺氢天然气与材料相容性数据库有待完善；氢损伤机理未形成统一认识，相容性评价体系和氢损伤寿命预测模型未建立；抗氢涂层防护机理不明确，未形成可行技术及产品；临氢环境下管体、焊缝及关键设备性能劣化研究不足，缺乏基础数据库；非金属管道在氢气输送领域的理论与应用研究均较少，缺乏高压掺氢天然气输送的非金属管管材的开发。

　　（4）在监检测与风险评估方面，掺氢天然气的多组分泄漏扩散规律、自燃及事故演化机理尚不明确；不同掺氢比例下掺氢天然气管道失效后果研究较少，不同场景掺氢风险评估方法与技术尚不成熟；国内外尚无成熟的基于氢气传感器的氢泄漏监检测预警系统；氢气对检测器的密封损伤、故障特征的影响不明确。

　　（5）在标准体系建设方面，我国缺失长输混氢管道设计、管网掺氢运行、安全性评价等方面标准指导，缺乏掺氢管道泄漏监检测、动态风险评价及消纳抑爆阻燃安全防范技术规程，亟待研究管网掺氢、输氢的完整性评价技术及安全预警预测技术及标准；现有钢制管道输氢的量化损伤模型、氢压理论模型、氢增塑性理论模型、氢降低键合力等理论模型仍需建立可行的标准化试验方法进行长期验证。

　　建议统筹规划掺氢天然气管道输送网络，改进掺混工艺，加强管材氢相容性技术研究，对输送过程泄漏实施有效监检测，建立氢能输运协同应急与智慧决策大数据平台，加快制定掺氢天然气管道输送规范标准，逐步开展掺氢天然气输送技术应用示范。