氫氣管道與天然氣管道的對比分析

4顧超華

(1.浙江大學 化工機械研究所，杭州 310027；2.高壓過程裝備與安全教育部工程研究中心，杭州 310027；3.國家電投集團氫能科技發(fā)展有限公司，北京 102209；4.流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室，杭州 310027)

0 引言

氫能具有儲運便捷、來源多樣、潔凈環(huán)保的突出優(yōu)點，是21世紀新能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，許多國家均把發(fā)展氫能作為重要的能源戰(zhàn)略[1-2]。氫的輸送是氫能利用的重要環(huán)節(jié)，安全高效的輸氫技術(shù)是氫能大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展的前提[3-4]。依據(jù)氫在輸送時所處狀態(tài)的不同，可分為氣態(tài)輸氫、液態(tài)輸氫和固態(tài)輸氫，其中高壓氣態(tài)輸氫是現(xiàn)階段最為成熟的輸氫方式。根據(jù)氫的輸送距離、用氫要求以及用戶的分布情況，高壓氫氣可以通過氫氣管道和長管拖車進行輸送，對于輸送量大且距離較遠的場合，利用管道輸送是最為高效的方式。

氫氣管道可分為長距離輸送管道和短距離配送管道。長輸管道輸氫壓力較高，管道直徑較大，主要用于制氫單元與氫氣站之間的高壓氫氣的長距離、大規(guī)模輸送；配送管道輸氫壓力較低，管道直徑較小，主要用于氫氣站與各個用戶之間的中低壓氫氣的配送。氫氣配送管道建設(shè)成本較低，但氫氣長輸管道建設(shè)難度大、成本高，目前氫氣長輸管道的造價約為63萬美元/公里，天然氣管道的造價僅為25萬美元/公里左右，氫氣管道的造價約為天然氣管道的2.5倍[4-5]。

由于氫氣長輸管道昂貴的建設(shè)成本，利用現(xiàn)存天然氣管道輸送氫氣與天然氣混合氣[6-8]或?qū)⑻烊粴夤艿栏脑鞛闅錃夤艿赖募夹g(shù)受到了研究人員廣泛的關(guān)注[9-10]。2019年，世界上第一條由天然氣管道改造而成的氫氣管道已在Dow Benelux和Yara之間投入使用。但由于氫氣易燃易爆且易造成金屬材料脆化的性質(zhì)，氫氣管道與天然氣管道存在著一定的差異，摻氫天然氣輸送技術(shù)和天然氣管道改造技術(shù)的可行性仍需進一步的評估。

本文從建設(shè)現(xiàn)狀、規(guī)范標準、材料選擇、設(shè)計制造、事故后果和安全間距6個方面，系統(tǒng)介紹氫氣管道和天然氣管道的區(qū)別，為氫氣管道的建設(shè)、摻氫天然氣的輸送以及天然氣管道的改造提供一定的參考。

1 建設(shè)現(xiàn)狀

截至2017年，歐洲大約有1 598公里氫氣管道[11]，輸氫壓力一般為2～10 MPa，多采用無縫鋼管[12]，管道直徑為0.3～1.0 m，管道材料主要為X42,X52,X56等低強度管線鋼；美國氫氣管道總長度約為2 575 km[5]，多采用埋地布置，輸氫壓力一般不超過7 MPa[13]，管道材料主要采用X52～X80范圍內(nèi)的管線鋼，預期使用壽命15～30年。為降低氫氣管道的材料成本，美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory,ORNL)和薩凡納河國家實驗室(Savannah River National Laboratory,SRNL)開展了高壓氫環(huán)境下纖維增強聚合物(FRP)材料的力學性能研究，美國能源部燃料電池技術(shù)工作組(Fuel Cell Technologies Office,FCTO)開展了FRP材料的標準化工作[5,14]。2016年，ASME B31.12[15]將FRP材料納入標準，規(guī)定其最大服役壓力不超過17 MPa。

我國氫氣管道總里程約400 km，主要分布在環(huán)渤海灣、長三角等地，位于河南省的濟源與洛陽之間的氫氣管道是我國目前里程最長、管徑最大、壓力最高、輸送量最大的氫氣管道，其管道里程為25 km，管道直徑508 mm，輸氫壓力4 MPa，年輸氫量達到10.04萬噸[4]。按照《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍皮書》[16]預計，到2030年，我國氫氣管道將達到3 000 km。

截至2016年[17]，全球天然氣管道總里程約127萬公里，主要集中于北美、俄羅斯及中亞、歐洲、亞太地區(qū)，其中我國天然氣管道總長約為6.7萬公里，基本已經(jīng)形成了貫穿全國、聯(lián)通海外的天然氣輸送系統(tǒng)[17]。天然氣管道輸氣壓力較高，一般為6～12 MPa，近年來隨著高強度管線鋼的應(yīng)用，設(shè)計壓力可達到20 MPa，管道直徑一般為1.0～1.5 m。

相較于天然氣管道，目前氫氣管道的建設(shè)量仍然較少，管道直徑和設(shè)計壓力也均小于天然氣管道。世界范圍內(nèi)氫氣管道與天然氣管道建設(shè)現(xiàn)狀對比見表1。

表1 氫氣管道與天然氣管道建設(shè)現(xiàn)狀對比

隨著氫能的發(fā)展，輸氫管道的需求量預計會在未來幾十年出現(xiàn)大幅增長。Tzimas等[18]針對氫能未來可能出現(xiàn)的3種不同的發(fā)展模式(快速發(fā)展、中速發(fā)展和慢速發(fā)展)，對世界范圍內(nèi)氫氣長距離輸送管道和短距離配送管道的需求量進行了預估，如表2所示。

表2 2050年世界范圍內(nèi)輸氫管道需求量[18] km

2 規(guī)范標準

隨著經(jīng)濟全球化和一體化進程的加快，標準化成為氫能技術(shù)實施產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)，也成為企業(yè)及其相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品占領(lǐng)全球市場的重要基礎(chǔ)性工作[19-21]，諸多國際標準化組織和國家標準化機構(gòu)都成立了專門負責氫能領(lǐng)域有關(guān)標準化工作的部門，并持續(xù)對相關(guān)標準的研制進行資助。相關(guān)部門主要包括國際氫能技術(shù)委員會(International Organization for Standardization/Technical Committees 197,ISO/TC 197)、歐洲工業(yè)氣體協(xié)會(European Industrial Gases Association,EIGA)和美國機械工程師學會(American Society of Mechanical Engineers,ASME)。國際氫能技術(shù)委員會ISO/TC 197主要負責與氫能有關(guān)的生產(chǎn)、儲存、運輸、檢測和使用等方面的標準化工作。我國與ISO/TC 197對口的專業(yè)標準化技術(shù)委員會是全國氫能標準化技術(shù)委員會(SAC/TC 309)，于2008年6月成立，秘書處承擔單位為中國標準化研究院[22]。SAC/TC 309主要負責我國氫能生產(chǎn)、儲運、應(yīng)用等領(lǐng)域的標準化工作。

世界范圍內(nèi)氫氣管道的相關(guān)設(shè)計標準主要包括ASME B31.12—2014《Hydrogen Piping and Pipelines》[15]、CGA G-5.6—2005(2013年修訂)《Hydrogen Pipeline Systems》[23]和我國國家標準GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計規(guī)范》[24]、GB 4962—2008《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》[25]。ASME標準和IGC標準均適用于長距離氫氣輸送管道和短距離氫氣配送管道的設(shè)計，但我國已發(fā)布的兩個標準僅適用于供氫站、車間內(nèi)氫氣短距離配送管道，而可用于氫氣長輸管道的標準GB/T 34542.5《氫氣儲存輸送系統(tǒng) 第5部分：氫氣輸送系統(tǒng)技術(shù)要求》[26]正在編制過程中。

現(xiàn)階段天然氣管道輸送技術(shù)已經(jīng)形成了較為完善的標準體系。國外天然氣管道相關(guān)設(shè)計標準主要包括ASME B31.8—2018《Gas Transmission and Distribution Piping Systems》[27]、CSA Z662—2011《Oil and Gas Pipeline Systems》[28]和ASCE ALA—2001《Guidelines for the Design of Buried Steel Pipe》[29]。我國相應(yīng)的標準規(guī)范主要為GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》[30]，該標準從輸氣工藝、輸氣線路、結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工制造、安全檢測、輔助設(shè)施等方面對天然氣管道建設(shè)作出了系統(tǒng)全面的要求。

3 材料選擇

與天然氣環(huán)境相比，金屬材料長期工作在氫環(huán)境下會造成力學性能的劣化，稱為環(huán)境氫脆。金屬材料的高壓氫脆性能的主要研究方法是進行氫環(huán)境原位試驗，即將材料直接置于氫環(huán)境中進行試驗，試驗類型主要包括慢應(yīng)變速率拉伸試驗、斷裂韌性試驗、裂紋擴展速率試驗、疲勞壽命試驗和圓盤壓力試驗等。金屬材料氫脆的程度可以依據(jù)美國No.NASA8-30744提出的判斷氫脆程度的標準進行判斷[31]，也可以依據(jù)ASTM G142—98(Reapproved 2011)標準，將氫脆敏感度試驗結(jié)果與對照性材料進行對比，以評價材料對氫脆的抵抗力[32]。

世界范圍內(nèi)已有眾多學者針對管線鋼與高壓氫環(huán)境的相容性展開了研究。Moro等[33]針對X80管線鋼材料，開展了不同壓力、應(yīng)變速率下的拉伸試驗，并通過微觀觀測結(jié)果，推論出材料近表面處擴散氫的存在是氫脆發(fā)生的主要原因；Briottet等[34]同樣針對X80管線鋼，系統(tǒng)開展了材料在高壓氫環(huán)境下的慢應(yīng)變速率拉伸試驗、斷裂韌度試驗、圓片試驗、疲勞裂紋擴展試驗和WOL試驗，結(jié)果表明，氫環(huán)境下材料的彈性模量、屈服強度及抗拉強度均未發(fā)生明顯變化，但材料塑性、斷裂韌性顯著降低，疲勞裂紋擴展速率明顯加快；Hardie等[35]通過電化學充氫的方法，研究了X60，X80和X100管線鋼的氫脆敏感度，結(jié)果表明,當充氫電流密度達到某一限度時，隨著材料強度的增大，材料氫脆的敏感度顯著增大，故對埋地管道采用陰極電保護時，應(yīng)重點關(guān)注電流密度。我國浙江大學利用自主研制的高壓氫環(huán)境耐久性試驗裝置[36-37]，對X70，X80材料在氫環(huán)境和摻氫天然氣環(huán)境下的相容性做了系統(tǒng)的評估[38]，并進一步開發(fā)出了國產(chǎn)金屬材料在高壓氫環(huán)境下的材料性能數(shù)據(jù)庫[39]。

由于環(huán)境氫脆的影響，氫氣管道用材在合金元素、鋼級、管型、操作壓力等方面與天然氣管道相比存在一定的限制范圍。ASME B31.8—2018中規(guī)定的天然氣管道可用材料包括API SPEC 5L中所有鋼管，但在實際工程中，為減小管道壁厚，一般優(yōu)先選擇高強度鋼管，常用管型有直縫埋弧焊管(SAWL)、螺旋縫埋弧焊管(SAWH)、高頻電阻焊管(HFW)及無縫鋼管(SMLS)[40]。在氫氣管道中，由于氫環(huán)境的存在會誘導管道發(fā)生氫脆，進而有可能引發(fā)管道失效，而鋼管成型工藝、焊縫質(zhì)量、缺陷大小、鋼材強度等因素都會影響其失效概率[41-42]，所以ASME B31.12—2014在 API SPEC 5L中限定了幾種可用于氫氣管道的鋼材類型，并指明禁止使用爐焊管，標準中規(guī)定可用于氫氣管道的管線鋼材料及最大許用壓力如表3所示。

表3 氫氣管道可用材料

合金元素如C,Mn,S,P,Cr 等會增強低合金鋼的氫脆敏感性[43]。同時，氫氣壓力越高、材料的強度越高，氫脆和氫致開裂現(xiàn)象就越明顯[37,44]，因此，在實際工程中，氫氣管道用鋼管優(yōu)先選擇低鋼級鋼管。ASME B31.12—2014中推薦采用X42,X52 鋼管，同時規(guī)定必須考慮氫脆、低溫性能轉(zhuǎn)變、超低溫性能轉(zhuǎn)變等問題，所以在應(yīng)用現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)設(shè)施輸送氫氣及天然氣管道轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃夤艿罆r需要重點考慮[6]。

4 設(shè)計制造

由于氫氣會引起管道的氫致失效，所以氫氣管道與天然氣管道中鋼管設(shè)計公式不同。 氫氣管道設(shè)計公式中增加一項“材料性能系數(shù)”，材料性能系數(shù)反映了氫氣對金屬管道力學性能的不利影響，增加材料性能系數(shù)后，管道計算壁厚會相對增大，設(shè)計壓力會相對降低，這樣更有利于保障氫氣長輸管道的安全性。氫氣管道和天然氣管道的設(shè)計公式如下。

氫氣管道設(shè)計公式：

(1)

天然氣管道設(shè)計公式：

(2)

式中P——設(shè)計壓力，MPa，規(guī)定設(shè)計壓力不得超過管道試驗壓力的85%，一般為最大工作壓力的1.05～1.10倍；

S——最小屈服強度，MPa；

t——公稱壁厚，mm；

D——公稱直徑，mm；

F——設(shè)計系數(shù)；

E——軸向接頭系數(shù)；

T——溫度折減系數(shù)；

Hf——材料性能系數(shù)。

不同材料的材料性能系數(shù)如表4所示。

表4 材料性能系數(shù)Hf

注：設(shè)計壓力處于中間數(shù)值時采用插值法取值

ASME B31.12—2014中規(guī)定輸氫管道可采用兩種不同的設(shè)計方法，分別為規(guī)范化設(shè)計方法(方法A)和基于材料性能的設(shè)計方法(方法B)。方法A與天然氣管道設(shè)計方法基本相同，但氫氣管道設(shè)計公式中的設(shè)計系數(shù)F取值較小，目的是為了增加氫氣管道的安全性。設(shè)計系數(shù)F取值見表5。方法B依據(jù)ASME BPV Code Section Ⅷ,Division 3中Article KD-10[45]的試驗要求，規(guī)定

材料必須開展室溫氫環(huán)境下材料應(yīng)力強度因子門檻值Kth的測試試驗，要求試驗壓力不得小于設(shè)計壓力，當測得的Kth大于等于臨界裂紋尺寸存在時的斷裂韌度KIA值，且數(shù)值不小于50 ksi·in1/2時，材料滿足要求。方法B設(shè)計公式中的設(shè)計系數(shù)F與天然氣管道設(shè)計系數(shù)基本相同。

表5 設(shè)計系數(shù)F

焊接是長輸管線的重要連接工藝，其熱作用會導致接頭部位出現(xiàn)嚴重的組織不均勻和復雜的殘余應(yīng)力，性能與母材相比發(fā)生一定的惡化，可能加劇氫致脆化失效的風險。已有學者研究表明，焊接殘余應(yīng)力和組織不均勻性均會導致管線鋼中氫擴散的發(fā)生[46]，焊接接頭區(qū)域的氫致裂紋擴展速度明顯快于母材區(qū)域[47]。鑒于此，氫氣管道對于焊前預熱和焊后熱處理具有更高的要求。

5 事故后果

氫氣無色無味，與天然氣相比密度小，擴散系數(shù)大，泄漏后很難發(fā)現(xiàn)。若泄漏后被立即點燃會產(chǎn)生噴射火焰[48-51]，若在受限或半受限空間內(nèi)泄漏后易發(fā)生可燃氫的積聚，延遲點燃后產(chǎn)生氫氣云爆炸，甚至引發(fā)爆燃爆轟[52-54]。氫氣與天然氣的介質(zhì)特性對比見表6。

表6 氫氣與天然氣介質(zhì)特性

埋地管道內(nèi)氫氣、天然氣泄漏事故后果具有顯著的差異。劉延雷等[55]基于有限體積法，建立了管道內(nèi)高壓氫氣及天然氣的泄漏擴散模型，考慮了氫氣與天然氣的管道泄漏事故的不同危險性，通過數(shù)值模擬研究得出了管道泄漏后氫氣與天然氣的不同泄漏擴散特性，結(jié)果表明，高壓氫氣泄漏擴散形成的危險云團較大且集中，擴散最大高度較天然氣增加得快，在近地面區(qū)氫氣泄漏擴散產(chǎn)生的危險后果較天然氣小。Wilkening等[56]對比分析了埋地氫氣管線與天然氣管線發(fā)生泄漏事故后泄漏規(guī)律的不同，并結(jié)合能量的觀點，討論了氫氣與天然氣泄漏事故中可燃能量與總體化學能比值的差異，結(jié)果表明，甲烷可燃能量在總體化學能所占比例為10%～15%，而氫氣可燃能在總體化學能所占比例為60%～80%，但大部分的可燃氫氣云是遠離地面和建筑物的，發(fā)生爆炸情形的概率較低。趙博鑫等[57]利用DNV PHAST軟件對不同程度的管道泄漏事故進行模擬分析，確定天然氣及氫氣管道泄漏后的擴散狀態(tài)及影響范圍，得出了燃燒爆炸事故對周圍的熱輻射影響距離，結(jié)果表明，小孔泄漏(10 mm孔徑)情況下，可燃氫氣、天然氣沿風向擴散最遠距離分別為7.1 m 和4.2 m，氫氣、天然氣噴射火焰熱輻射影響距離分別為9.8 m和36.2 m；大孔泄漏(50%孔徑)情況下，可燃氫氣、天然氣沿風向擴散最遠距離分別為96.7 m和218.1 m，氫氣、天然氣噴射火焰熱輻射影響距離分別為140.7 m和236.9 m。雖然已有學者模擬研究了氫氣、天然氣埋地管道泄漏事故后果，但由于管道內(nèi)氫氣、天然氣泄漏速度很高，近似于當?shù)芈曀伲彝寥滥Ｐ偷慕⑤^為復雜，故研究過程中忽略了管道上方覆土對泄漏過程的影響，易造成模擬結(jié)果偏大。

6 安全間距

關(guān)于埋地管道的最小埋地厚度和安全間距，氫氣、天然氣相關(guān)標準ASME B31.12—2014,ASME B31.8—2018和GB 50251—2015分別做出了不同的要求，其具體要求如表7所示。由于氫氣是分子量最小的元素，比天然氣更易于泄漏，適當加大埋地厚度，可以有效避免第三方的破壞。

表7 管道最小埋地厚度和安全間距要求

7 結(jié)論

在建設(shè)現(xiàn)狀、規(guī)范標準、材料選擇、設(shè)計制造、事故后果和安全間距等方面，對氫氣管道和天然氣管道做了系統(tǒng)的對比分析，主要結(jié)論如下。

(1)相較于天然氣管道，氫氣管道建設(shè)量較少，管道直徑和設(shè)計壓力較低，相關(guān)標準體系仍不完善，目前國內(nèi)仍沒有適用于氫氣長輸管道的設(shè)計標準，應(yīng)重點加強長距離氫氣管道輸送技術(shù)的標準化工作。

(2)由于環(huán)境氫脆的影響，氫氣管道選材具有更嚴格的限制，材料需滿足高壓氫環(huán)境相容性試驗要求，ASME B31.12—2014推薦使用X42,X52等低強度管線鋼，且規(guī)定必須考慮低溫性能轉(zhuǎn)變等問題。

(3)為降低管道發(fā)生氫致失效的概率，相較于天然氣管道，氫氣管道設(shè)計公式里增加了“材料性能系數(shù)”，提高了管道的整體壁厚水平，同時氫氣管道對焊前預熱和焊后熱處理的要求更為嚴格。

(4)與天然氣泄漏相比，管道內(nèi)高壓氫氣泄漏形成的危險云團較大且集中，擴散最大高度增加較快，在近地面區(qū)產(chǎn)生的危險后果較小，但氫氣影響范圍區(qū)間更廣，更易擴散，且達到同樣火焰熱輻射水平時，氫氣的熱輻射距離更近，能量相對更強。

(5)氫氣管道最小埋地厚度與天然氣管道差異較小，但氫氣管道與地下其他管道、建筑物之間的最小間距要求明顯高于天然氣管道，以避免高壓氫氣泄漏事故發(fā)生后引發(fā)多米諾效應(yīng)。