氫氣與天然氣長輸管道設(shè)計對比探討

王曉峰，蒲明，宋磊，陳嘉琦，郭杰，孫驥姝，薛慧勇

中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院

0 引言

氫能是一種清潔能源，對促進能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和降低碳排放具有重要意義。目前，隨著能源低碳轉(zhuǎn)型加速，各發(fā)達國家均出臺相應(yīng)政策，將發(fā)展氫能提升到國家能源戰(zhàn)略高度［1-2］；中國自“雙碳”戰(zhàn)略目標提出后，國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)也進入了快速發(fā)展階段，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來了大規(guī)模、長距離輸氫的新需求。管道輸送是一種可實現(xiàn)氫能大規(guī)模、長距離輸送的經(jīng)濟可行的方式，對降低氫能儲運成本、提高可再生能源制氫利用率具有重大意義［3-8］。

國外氫氣管道建設(shè)起步較早，距今已有80余年歷史。國內(nèi)氫氣管道建設(shè)相對滯后，儲運技術(shù)及標準體系尚不完善。鑒于氫氣與天然氣輸送具有一定的相似性，目前階段氫氣管道設(shè)計可一定程度上參考天然氣管道。但由于兩者物性的差別，天然氣管道與氫氣管道在設(shè)計方面也存在一些不同之處。本文通過對相關(guān)文獻［9-12］及標準規(guī)范的研究，結(jié)合已有工程實踐，從輸氣工藝、管材選擇、壓縮機選型、站場設(shè)計等方面，對氫氣和天然氣長輸管道設(shè)計進行對比分析，以期為后續(xù)氫氣管輸技術(shù)研究和工程設(shè)計提供一定的參考。

1 氫氣管道現(xiàn)狀

1.1 國外氫氣管道現(xiàn)狀［13］

國外氫氣管道發(fā)展相對成熟。最早的氫氣長輸管道于 1938年在德國魯爾工業(yè)區(qū)建成，總長度約208 km，管徑為168～273 mm，設(shè)計壓力2.5 MPa，連接18個生產(chǎn)廠和用戶。美國氫氣管道規(guī)模最大，總里程超過2 700 km，最高運行壓力達到10.3 MPa。美國墨西哥灣沿岸建有全球最大的氫氣供應(yīng)管網(wǎng)，全長超過900 km，連接22個化工企業(yè)，輸氫量達到113×104t/a。另外，歐洲也已建成超過1 500 km的輸氫管道，管徑規(guī)模為100～500 mm，負責將氫氣從上游供應(yīng)商輸送至下游工業(yè)用戶。國外典型氫氣管道統(tǒng)計情況見表1。

表1 國外典型氫氣管道統(tǒng)計情況

同時歐美國家也形成了較為完善的標準體系［14］。美國機械工程師協(xié)會編制的 ASME B31.12-2019Hydrogen Piping and Pipe-lines（氫氣管道系統(tǒng)和管道）、美國壓縮氣體協(xié)會編制的 CGA G-5.6—2005（R2013）Hydrogen Pipeline Systems（氫氣管道系統(tǒng)）均適用于氫氣長輸管道。這些標準可用于指導氫氣輸送管道的設(shè)計、施工、運行及維護。

1.2 中國氫氣管道現(xiàn)狀［13,15］

中國氫氣管道起步較晚，目前已建成的氫氣輸送管道總里程約100 km，包括金陵—揚子氫氣管道、巴陵—長嶺氫氣提純及輸送管道、濟源—洛陽氫氣管道等。另外，玉門油田輸氫管道已于 2022年 7月主體貫通，目前尚未正式投用。中國典型氫氣管道統(tǒng)計情況見表2。

表2 中國典型氫氣管道統(tǒng)計情況

中國氫氣管道標準體系尚不完善，更缺少氫氣長輸管道標準［16-17］。目前，中國與氫氣管道相關(guān)的標準規(guī)范主要有：GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計規(guī)范》、GB 4962—2008《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》、GB/T 34542《氫氣儲存輸送系統(tǒng)》等。其中，GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計規(guī)范》適用于氫氣站、供氫站及廠區(qū)內(nèi)部的氫氣管道設(shè)計；GB 4962—2008《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》適用于氣態(tài)氫生產(chǎn)后的地面作業(yè)場所。這兩項標準均不適用于氫氣長輸管道。GB/T 34542《氫氣儲存輸送系統(tǒng)》適用于工作壓力不大于140 MPa，環(huán)境溫度不低于-40 ℃且不高于65 ℃的氫氣儲存系統(tǒng)、氫氣輸送系統(tǒng)、氫氣壓縮系統(tǒng)、氫氣充裝系統(tǒng)及其組合系統(tǒng)，該標準共包含 8個部分：第1部分 通用要求；第2部分 金屬材料與氫環(huán)境相容性試驗方法；第3部分 金屬材料氫脆敏感度試驗方法；第 4部分 氫氣儲存系統(tǒng)技術(shù)要求；第5部分 氫氣輸送系統(tǒng)技術(shù)要求；第6部分 氫氣壓縮系統(tǒng)技術(shù)要求；第7部分 氫氣充裝系統(tǒng)技術(shù)要求；第 8部分 防火防爆技術(shù)要求。其中，第 1到第3部分已經(jīng)正式實施，第4到第8部分還在起草中。目前，由于國內(nèi)沒有專門針對氫氣長輸管道的標準規(guī)范，通常參照天然氣管道標準進行設(shè)計。

2 氫氣管道和天然氣管道設(shè)計對比

2.1 輸氣工藝

天然氣輸送工藝常用的狀態(tài)方程有SRK方程、BWRS方程、PR方程等，其中BWRS方程適用范圍更廣，精確度更高。目前，常用的天然氣工藝系統(tǒng)分析軟件如 SPS（石油天然氣長輸管道模擬計算軟件）、TGNET（氣體管道瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)模擬計算軟件）等，大多采用BWRS方程。

氫氣輸送工藝與天然氣類似［18-20］，常用的狀態(tài)方程包括SRK方程、BWRS方程、PR方程、GS方程、PRSV方程等。目前，尚未有實驗數(shù)據(jù)證實各狀態(tài)方程的準確性?，F(xiàn)有的一些研究表明［21-23］，管輸壓力小于12 MPa時，GS方程精確度較高；管輸壓力為12～35 MPa時，SRK方程計算精確度較高；壓力大于35 MPa時，PRSV的計算精確度較高。氫氣工藝系統(tǒng)分析也可以采用SPS、TGNET等軟件。由于氫氣輸送與天然氣輸送相比其密度更小，因而同體積流量、同條件下管道沿程摩阻更低，管輸壓降更小。

2.2 管材選擇

氫氣環(huán)境下易導致金屬材料失效，主要失效形式包括氫脆、氫鼓泡、脫碳（氫腐蝕）等形態(tài)［24］。氫脆是由于氫原子進入到金屬內(nèi)部，在位錯和微小間隙處聚集而達到過飽和狀態(tài)，使位錯不能運動，阻止滑移進行，降低鋼材晶粒間的原子結(jié)合力，造成鋼材的延伸率和斷面收縮率降低，強度也出現(xiàn)變化。氫鼓泡是氫原子進入到金屬的間隙、夾層處，并在其中復(fù)合成分子氫，產(chǎn)生較高的壓力而使夾層鼓起。脫碳也稱氫腐蝕，是氫原子滲入鋼內(nèi)部，與鋼中不穩(wěn)定的碳化物發(fā)生反應(yīng)生成甲烷，使鋼脫碳，導致管材機械強度受到永久性破壞。這些特性使氫氣管道管材選擇與天然氣管道相比有更高的要求。

天然氣長輸管道可選用 API SPEC 5LSpecification for Line Pipe（管線鋼管規(guī)范）中的所有鋼管，一般大口徑管道優(yōu)先選擇高鋼級鋼管，以減少鋼管壁厚，降低工程投資。常用的鋼管類型有無縫鋼管、高頻電阻焊管、直縫埋弧焊管、螺旋縫埋弧焊管等。常用管線材質(zhì)包括L245、L360（X52）、L415、L485（X70）、L555（X80）等。根據(jù) ASME B31.8-2020Gas Transmission and Distribution Piping Systems（天然氣輸配管道系統(tǒng)），天然氣管道壁厚計算公式見式（1）。

式中：P—設(shè)計壓力，MPa；S—規(guī)定的最小屈服強度，MPa；t—公稱壁厚，mm；D—鋼管公稱直徑，mm；F—設(shè)計系數(shù)；E—縱向焊縫系數(shù)；T—溫度折減系數(shù)。

氫氣長輸管道用鋼管在鋼管類型、鋼級、合金元素、操作壓力等方面相比于天然氣管道存在一定的限制［25］。對于氫氣管道，運行壓力越高、材料強度越高，氫脆現(xiàn)象就越明顯。同時，C、Mn、S、P、Cr等元素會增強低合金鋼的氫脆敏感性；另外，焊接缺陷、殘余應(yīng)力等也易導致鋼管氫致失效。因此，ASME B31.12-2019Hydrogen Piping and Pipe-lines中限定了API SPEC 5L中的鋼管可用類型（見表3），并禁止使用爐焊管，推薦采用 API SPEC 5L PSL2級 X42、X52鋼管，且規(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。在實際工程中，氫氣長輸管道一般優(yōu)先選擇低鋼級（如API SPEC 5L PSL2 X52及以下）無縫鋼管。

表3 ASME B31.12-2019規(guī)定的氫氣可用鋼管類型

根據(jù)ASME B31.12-2019Hydrogen Piping and Pipe-lines，氫氣管道壁厚計算公式見式（2），式（2）中Hf為材料性能系數(shù)。

氫氣管道壁厚計算增加了“材料性能系數(shù)”，材料性能系數(shù)指氫氣對碳鋼管道機械性能產(chǎn)生的不利影響。ASME B31.12-2019Hydrogen Piping and Pipe-lines規(guī)定的材料性能系數(shù)取值見表4（考慮了壁厚負公差及裕量）。增加材料性能系數(shù)后，鋼管計算壁厚會相對增大，有利于增加氫氣長輸管道安全性。另外，針對不同鋼管類型，式（1）和式（2）涉及的縱向焊縫系數(shù)、設(shè)計系數(shù)取值也稍有區(qū)別，氫氣管道壁厚計算公式中對縱向焊縫系數(shù)和設(shè)計系數(shù)的要求相對更嚴格，縱向焊縫系數(shù)、設(shè)計系數(shù)取值分別見表5和表6。

表4 ASME B31.12-2019中規(guī)定的材料性能系數(shù)取值

表5 ASME B31.12-2019和ASME B31.8-2020中規(guī)定的縱向焊縫系數(shù)取值

表6 ASME B31.12-2019和ASME B31.8-2020中規(guī)定的設(shè)計系數(shù)取值

ASME B31.12-2019Hydrogen Piping and Pipe-lines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)計方法和基于管材性能的設(shè)計方法。規(guī)范化設(shè)計方法與天然氣管道設(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?；诠懿男阅艿脑O(shè)計方法依據(jù) ASME BPVC.VIII.3-2019ASME Boiler and Pressure Vessel Code-SECTION VIII Rules for Construction of Pressure Vessels-Division 3 Alternative Rules for Construction of High Pressure Vessels（《鍋爐及壓力容器規(guī) 第八卷：壓力容器 第三冊：高壓容器建造的另一規(guī)則》）中的相關(guān)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KIH的測試試驗，要求試驗壓力不得小于設(shè)計壓力，當測得的KIH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（約55 MPa·m1/2）時，材料滿足要求。基于管材性能的設(shè)計方法中的設(shè)計系數(shù)F與天然氣管道設(shè)計系數(shù)基本相同。

2.3 壓縮機選型

中國在役的具有增壓功能的天然氣長輸管道管徑均在610 mm以上，輸量均超過30×108m3/a。天然氣長輸管道與氫氣長輸管道相比，輸量更大、增壓比較低（不超過2），故一般采用離心式壓縮機。離心式壓縮機的優(yōu)點是排量大、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積??；缺點是壓縮機的壓力、流量有一定適用范圍，小流量時易發(fā)生喘振，且投資較高。離心式壓縮機又分為電驅(qū)和燃驅(qū)種類型，不同機型的燃驅(qū)離心式壓縮機功率在7～43 MW之間，電驅(qū)離心式壓縮機功率一般小于20 MW。

國內(nèi)外氫氣管道運行壓力通常低于 5 MPa，管徑100～500 mm，輸量通常小于10×104t/a（11×108m3/a）。參考GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計規(guī)范》對于壓縮機的分類，氫氣壓縮機分為低壓、中壓和高壓壓縮機。低壓壓縮機指輸出壓力小于 1.6 MPa的氫氣壓縮機，經(jīng)常用于上游制氫后的增壓、儲存（如低壓儲氫球罐）；中壓壓縮機指輸出壓力大于或等于1.6 MPa，小于10.0 MPa的氫氣壓縮機，經(jīng)常用于管道輸氫等場合；高壓壓縮機指輸出壓力大于或等于10.0 MPa的氫氣壓縮機，通常用于下游高壓儲氫（如高壓儲氫罐）、輸氫（如長管拖車）或用氫（如加氫站）。氫氣長輸管道用壓縮機屬于中壓壓縮機，基于輸量、壓比、經(jīng)濟性等因素考慮，氫氣管道用壓縮機通常采用往復(fù)式壓縮機。由于氫氣分子量較小，采用往復(fù)式壓縮機壓縮氫氣更為高效；離心式壓縮機的工作原理是通過離心力的作用，壓縮密度較小的氫氣則能耗較高。

往復(fù)式壓縮機具有排氣量及壓力適用范圍廣、投資低但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外形尺寸大的特點。經(jīng)了解，國內(nèi)往復(fù)式壓縮機單機功率一般在10 MW以下，制造技術(shù)比較成熟，主要應(yīng)用業(yè)績?yōu)槭裙I(yè)領(lǐng)域。國外往復(fù)式氫氣壓縮機功率等級更高，部分廠家最大單機功率可達33 MW。氫氣往復(fù)式壓縮機選型主要影響因素包括：氣質(zhì)組分，流量，壓力，入口溫度，最終排氣壓力，級間冷卻要求及環(huán)境條件，是否有高清潔度要求（有油或無油）等。未來，隨著輸氫技術(shù)的進步和氫氣管道規(guī)模的擴大，大排量高功率的氫氣壓縮機將成為未來的發(fā)展趨勢。

2.4 站場設(shè)計［26-35］

天然氣長輸管道站場設(shè)計已趨成熟。站場主要功能包括：清管、過濾、增壓、加熱、計量、調(diào)壓、放空、排污等。按站場在管道中所處的位置，分為首站、末站和中間站三大類，中間站根據(jù)其自身功能又分為壓氣站、分輸站、清管站等。目前，天然氣管道站場設(shè)計基本實現(xiàn)了標準化。

目前國內(nèi)氫氣管道輸量較小、長度較短，一般只設(shè)置首站和末站。其站場功能與天然氣站場類似，主要包括清管、過濾、增壓、計量、放空、排污等功能。由于氫氣分子量小，著火能量低，燃燒速度快，與空氣、氧氣混合燃燒爆炸極限寬，因此相比天然氣，氫氣具有質(zhì)量輕、易泄漏、易致材料損傷、易燃易爆等特點。參考GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》、ASME B31.12-2019Hydrogen Piping and Pipe-lines、GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計規(guī)范》、GB 4962—2008《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》等規(guī)范要求，并結(jié)合已有項目設(shè)計經(jīng)驗，氫氣管道與天然氣管道站場設(shè)計的主要特點總結(jié)如下：

一是防止氫氣積聚方面。參考GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》，天然氣站場工藝過程不能完全做到密閉時，建筑物內(nèi)應(yīng)采取局部通風或全面通風措施，可燃氣體報警界限濃度一般為該氣體爆炸下限濃度的20%或25%。參考GB 4962—2008《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》，氫氣使用區(qū)域應(yīng)通風良好，保證空氣中氫氣最高體積含量不超過1%，采用機械通風的建筑物進風口設(shè)置在建筑物下方，排風口設(shè)在上方。由于氫氣爆炸極限范圍寬（4%～75.6%），氫氣站場一般盡量避免管道或設(shè)備處于密閉空間，如壓縮機廠房經(jīng)常設(shè)置為有棚無墻式結(jié)構(gòu)；而天然氣站場的燃氣發(fā)電機房、鍋爐房、壓縮機廠房等一般均為密閉廠房結(jié)構(gòu)。

二是控制氫氣腐蝕、泄漏方面。天然氣站場用鋼管根據(jù)管徑的不同可選擇無縫鋼管、直縫埋弧焊鋼管、高頻電阻焊鋼管等不同類型，無需氬弧焊打底；閥門球體、閥座等通常采用鍛鋼；法蘭密封面形式一般為 RF（突面）。氫氣站場用鋼管盡量選擇無縫鋼管，碳鋼管焊接時宜采用氬弧焊做底焊，不銹鋼管一般采用氬弧焊；參考GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定，設(shè)計壓力大于2.5 MPa的閥門，閥體、法蘭、球體、閥蓋宜采用不銹鋼（如鍛造F316L不銹鋼），法蘭密封面宜采用MFM（凹凸）或TG（榫槽）面。

三是防止遇明火發(fā)生爆炸方面。由于氫氣爆炸范圍廣，點火能量小，具有較高的自燃概率，因此氫氣放空管的管口處通常設(shè)阻火設(shè)施；連接至用氫設(shè)備的支線管道一般設(shè)切斷閥，有明火的用氫設(shè)備通常設(shè)阻火設(shè)施。而天然氣一般不會自燃，因此可以不設(shè)置阻火設(shè)施。

3 結(jié)論

由于氫氣具有氫致失效、易泄漏、著火能量低、爆炸極限寬等特性，導致氫氣和天然氣長輸管道設(shè)計在輸氣工藝、管材選擇、壓縮機選型、站場設(shè)計等方面有明顯差異。通過對比分析，總結(jié)了氫氣管道設(shè)計的一些建議，可為后續(xù)氫氣管輸技術(shù)研究和工程設(shè)計提供一定的參考。主要結(jié)論如下：

氫氣輸送工藝與天然氣輸送工藝類似，適用的狀態(tài)方程在不同壓力下有所不同。當氫氣輸送壓力小于12 MPa時，GS方程精確度較高；當管輸壓力為12～35 MPa時，SRK方程計算精確度較高；當管輸壓力大于35 MPa時，PRSV方程的計算精確度較高。同體積流量及相同壓力、溫度條件下氫氣管輸壓降較天然氣管輸壓降更小。

由于氫脆的影響，氫氣長輸管道一般優(yōu)先選擇低鋼級（如API SPEC 5L PSL2 X52及以下）無縫鋼管。同時，氫氣管道壁厚計算中增加了“材料性能系數(shù)”，以保障氫氣管道安全性。

氫氣管道用壓縮機一般選擇往復(fù)式壓縮機。

為防止氫氣積聚、氫氣腐蝕及泄漏、氫氣遇明火發(fā)生爆炸等問題，在參考天然氣管道站場設(shè)計基礎(chǔ)上，氫氣管道的站場設(shè)計可采取一系列措施，如：盡量避免管道或設(shè)備處于密閉空間，在有可能發(fā)生氫氣積聚的建筑物內(nèi)采用機械通風并將進風口設(shè)置在建筑物下方，設(shè)置固定式可燃氣體檢測報警儀；站場用鋼管盡量選擇無縫鋼管，設(shè)計壓力大于 2.5 MPa的閥門，閥體、法蘭、球體、閥蓋宜采用不銹鋼，法蘭密封面宜采用MFM或TG面；放空管的管口處或連接有明火的用氫設(shè)備宜設(shè)阻火設(shè)施。