天然氣管道摻氫輸送的風(fēng)險分析

李可夫，劉 淼，耿曉梅，張文偉，周建華，謝 浪，于 薇

(1.北華航天工業(yè)學(xué)院，河北 廊坊 065000;2.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

0 引言

2022年夏天極度炎熱，歐洲經(jīng)歷了500年來最為干旱的夏季，人類社會大量使用化石燃料產(chǎn)生的“CO2排放”被公認為是造成這一現(xiàn)象的最主要原因。

氫元素在自然界有廣泛的分布，其燃燒或其他利用過程中只產(chǎn)生H2O，是一種非常理想的清潔能源。如果用“氫”來大規(guī)模替代傳統(tǒng)的化石能源，長距離儲運是必須要攻克的難題。目前，純氫管道仍然造價很高，難以大規(guī)模推廣，而我國也建成了10萬km左右的天然氣管道，將H2以一定比例摻入到天然氣中，通過現(xiàn)有天然氣管道進行運輸，可能是解決當(dāng)下H2長距離、大規(guī)模運輸?shù)囊粋€行之有效的技術(shù)手段[1]。很多歐美國家在積極開展已有天然氣管道摻H2輸送的相關(guān)試驗和理論研究，很多國家和地區(qū)聯(lián)盟將H2加入到長輸管道中進行輸送，并研究其對管道系統(tǒng)的影響，給出了合理的標(biāo)準和摻H2比例[2-6]。還有學(xué)者對摻氫后管材管件安全、氣體泄漏擴散、火災(zāi)爆炸、氫能承壓設(shè)備風(fēng)險等問題進行了較為詳細的研究[7-16]。

1 摻氫管道主要失效原因及概率分析

管道在運行過程中面臨眾多風(fēng)險從而導(dǎo)致其失效，油氣管道主要面臨腐蝕、第三方破壞、地質(zhì)災(zāi)害、誤操作等方面引起的失效。可以類比分析，摻氫管道的失效形式與油氣管道類似，其原因也無外乎以上幾種。從理論分析，對于第三方破壞、地質(zhì)災(zāi)害、誤操作等原因造成摻氫管道的失效概率應(yīng)該與油氣管道基本相同。由于氫是世界上最小的原子，在天然氣管道加氫輸送過程中容易出現(xiàn)氫脆、氫腐蝕等問題[17]，這使得管道失效的可能增加，這就需要探討天然氣管道加氫輸送過程中管材的適應(yīng)性問題。歐洲曾在低鋼級的管道進行H2的輸送，沒有發(fā)生相關(guān)安全問題，根據(jù)CGA-5.6《Hydrogen Pipeline System》進行分析，當(dāng)鋼級低于或等于X52，輸送氫氣濃度10%則是安全的，如果不能滿足鋼級和輸送濃度的要求則要從運行壓力、化學(xué)元素、韌性、強度、硬度等多個方面進行分析[18-19]。

由此可見，天然氣管道摻氫輸送，只要滿足一定條件，如鋼級低于等于X52，摻氫比例小于10%或采取其他措施，是能保證其管道進行安全輸送的，其材料和腐蝕問題導(dǎo)致的失效概率也不會增加，天然氣摻氫管道的失效概率可以與油氣管道的失效概率取相同的值。

我國某大型管道運營商其管道總里程5.3×104km，失效概率約為1.7×10-4/km·a，其中第三方破壞占主要因素，腐蝕、缺陷等引起管道失效的概率較小，具體見圖1、圖2[20]。

圖1 中國油氣管道里程及失效數(shù)量

圖2 中國油氣管道失效原因

如圖2所示，我國油氣管道失效的主要原因是打孔盜油、第三方施工等原因，這與管道輸送介質(zhì)關(guān)系不大；腐蝕失效占比為9%，但如前所述如果鋼級低于X52，摻氫比例低于10%則可認為是安全的，本文管道摻氫輸送則只考慮鋼級低于X52，摻氫比例低于10%，則摻氫管道是失效概率為1.7×10-4km/a。

2 摻氫管道主要失效后果分析

氫氣屬于低密度氣體，相比于甲烷更容易燃燒和擴散，表1為天然氣主要成分甲烷與氫氣一些物理性質(zhì)的對比。

表1 甲烷與甲烷主要性質(zhì)對比

天然氣管道泄漏后如果點燃主要有噴射火、閃火、蒸氣云爆炸等后果，后果的嚴重程度與泄漏量相關(guān)，泄漏量主要取決于管道內(nèi)壓力。我國長輸天然氣管道最大設(shè)計壓力不超過12 MPa，僅有西氣東輸二線、三線、中俄東線等幾條管道，這些管道均采用X80鋼級。本文后果模擬的管道壓力為10 MPa，摻氫體積濃度10%，由于可燃氣體蒸氣云爆炸必須有受限空間，而受限空間都是特定的，因此本文不分析蒸氣云爆炸的后果情況。模擬軟件為DNV的Phast Risk。根據(jù)SY/T 6714-2008基于風(fēng)險檢驗的基礎(chǔ)方法，管道泄漏可選取0.635 cm、2.54 cm、10.16 cm、40.64 cm等典型孔徑，由于規(guī)律相同本文主要分析0.635 cm和40.64 cm典型孔徑泄漏的情況。

2.1 0.635 cm泄漏孔徑

從圖3、圖4可以看出，天然氣與天然氣中摻有10%和15%氫氣的混合氣體的擴散特性相差不大，摻有氫氣的混合氣體擴散能力稍微強一些。從圖5、圖6、圖7、圖8可以看出，天然氣比天然氣中摻有10% H2的混合氣體的熱輻射能力更高，閃火影響范圍也更大，因為本次模擬是10%的體積摻比，根據(jù)表1相同體積下甲烷的燃燒熱要大于H2的燃燒熱，所以其熱輻射能力更高，閃火的影響范圍也更大。

圖3 天然氣泄漏濃度分布(0.635 cm)

圖4 天然氣摻10%H2泄漏濃度分布(0.635 cm)

圖5 天然氣泄漏噴射火(0.635 cm)

圖6 天然氣摻10%H2泄漏噴射火(0.635 cm)

圖7 天然氣泄漏閃火(0.635 cm)

圖8 天然氣摻10%H2泄漏閃火(0.635 cm)

2.2 10.16 cm泄漏孔徑

從圖9～圖14可以看出，與0.635 cm口徑泄漏相似，摻有氫氣的混合氣體擴散能力稍強；熱輻射能力則是純天然氣更強，閃火影響范圍也更大，這也是因為相同體積下天然氣的燃燒熱要大于H2的燃燒熱導(dǎo)致的。

圖9 天然氣泄漏濃度分布(10.16 cm)

圖10 天然氣摻10%H2泄漏濃度分布(10.16 cm)

圖11 天然氣泄漏噴射火(10.16 cm)

圖12 天然氣摻10%H2泄漏噴射火(10.16 cm)

圖13 天然氣泄漏閃火(10.16 cm)

圖14 天然氣摻10%H2泄漏閃火(10.16 cm)

可燃氣體泄漏后主要是由于氣體擴散，之后遇點火源發(fā)生噴射火、閃火等事故引發(fā)災(zāi)害，根據(jù)選取典型泄漏孔徑，進行天然氣及摻氫10%天然氣的泄漏擴散和噴射火、閃火的后果模擬可見，摻氫天然氣管道泄漏，并不會在原有的基礎(chǔ)上引發(fā)更大的泄漏擴散和火災(zāi)事故。

3 摻氫管道的風(fēng)險分析

可燃氣體泄漏后的風(fēng)險可按如下公式進行計算

R=f·Q

式中R——風(fēng)險；

f——失效概率；

Q——失效后果。

風(fēng)險分析是評判工程安全性的重要依據(jù)，由上式所示，其由失效概率和后果的乘積得出。乘坐飛機失效后果非常嚴重，人們往往難以生還，即Q很嚴重，但其發(fā)生的概率，即f很低，所以其風(fēng)險是可以接受的。

前文經(jīng)過分析認為，當(dāng)鋼級低于或等于X52，輸送氫氣濃度10%則是安全的，各種原因引起的失效概率也不會增加。前文也對于天然氣摻10%氫氣管道失效后的擴散、噴射火、閃火等的后果進行了分析，摻入氫氣并不會使后果變得更嚴重。因此，如果鋼級低于X52天然氣管道摻10%氫氣輸送是安全的，并不會增加額外的風(fēng)險。

4 結(jié)論

(1)摻氫天然氣管道與純天然氣管道的失效原因類似，當(dāng)鋼級低于X52，摻氫比例低于10%時，摻氫天然氣管道的失效概率與純天然氣管道基本相同。

(2)天然氣管道摻有體積占比10%氫氣的混合氣體擴散能力稍強；熱輻射能力則是純天然氣更強，閃火影響范圍也更大，這也是因為單位體積天然氣的燃燒熱要大于H2的燃燒熱導(dǎo)致的，摻10%氫氣的天然氣泄漏后果與純天然氣泄漏后果基本相同。

(3)根據(jù)風(fēng)險計算公式，當(dāng)鋼級低于X52，摻氫比例低于10%時，摻氫天然氣管道相比于純天然氣管道是安全的，并不會增加額外風(fēng)險；如果提高鋼級和摻氫比例，則需要從材料、焊接、失效后果等多個角度分析其風(fēng)險情況。