混氫氣對天然氣管道輸送的影響研究

＊魏思達

（廣州市城市管理質(zhì)量監(jiān)測與應急保障中心（廣州市燃氣事務中心）廣東 510000）

引言

利用現(xiàn)有的天然氣管道混氫氣輸送則能夠?qū)崿F(xiàn)對相關(guān)成本的有效控制，進一步削減氫氣能源的使用成本。由于天然氣管道的混氫氣運輸會對管道材料、管件設(shè)備等可靠性產(chǎn)生變化，為充分發(fā)揮天然氣管道混氫氣運輸?shù)某杀緝?yōu)勢，規(guī)避運輸期間的安全風險，相關(guān)單位有必要加強對混氫氣對天然氣管道輸送的影響。

1.天然氣管道混氫氣輸送時的安全特性變化規(guī)律分析

(1)節(jié)流低溫

節(jié)流效應是天然氣輸送管道運行管理或管道設(shè)計期間需要重點關(guān)注的內(nèi)容。當管理單位放空輸氣管道時，通過節(jié)流對控制大壓差過程中出現(xiàn)的低溫情況是管道放空系統(tǒng)設(shè)計與材料選型需要參考的重要數(shù)據(jù)，在維持初始溫度和節(jié)流壓差一致的情況下，隨著混氫氣比例的提升，節(jié)流溫差也隨之降低，這表明混氫氣的天然氣具有比天然氣更低的節(jié)流溫降[1]。相關(guān)人員測試發(fā)現(xiàn)，10%混氫氣比例的天然氣具有38.9℃的節(jié)流溫降，不混氫氣的天然氣則具有47.5℃的溫降，兩者數(shù)值相差較大，結(jié)果表明在10%～20%混氫氣比例情況下，管道輸送期間出現(xiàn)的節(jié)流低溫情況將受到較大的抑制。

(2)氣體泄漏流量

混氫氣對對天然氣管道輸送期間的泄漏質(zhì)量流量產(chǎn)生變化，當混氫氣天然氣與純天然氣的輸送壓力以及泄漏孔徑相同時，前者泄漏質(zhì)量流量將更低，而且數(shù)值隨著混氫氣比例的增加而持續(xù)減少。由于氫氣的密度遠低于天然氣，因此在輸氣期間一定出現(xiàn)泄漏孔洞，混氫氣天然氣將具有比天然氣更高的泄漏體積流量，而且該數(shù)值會在氫氣占比提升的情況下增加。然而，泄漏體積流量在氫氣具有較低占比時的數(shù)值不會與純天然氣存在明顯差異，變化幅度較小，而在比例較高的情況下，增勢較為顯著，這一情況的出現(xiàn)與泄漏介質(zhì)分子量的持續(xù)降低存在關(guān)聯(lián)。另一方面，如果輸氣管道出現(xiàn)的泄漏條件相同，混氫氣天然氣將具有比氫氣更高的泄漏體積，這與氫氣的密度遠低于天然氣存在關(guān)聯(lián)，而且氫氣也將展現(xiàn)出更強的噴射效應，這也與氫氣各天然氣的聲速數(shù)值關(guān)系相吻合。因此，在天然氣管道混氫氣運輸期間，增加混氫氣含量能夠降低泄漏時的質(zhì)量流量，也會提升泄漏時的體積流量，為了將泄漏流量控制在一定范圍內(nèi)，國內(nèi)外均選擇將混氫氣比例控制在10%～20%這個較低的范圍[2]。

(3)氣體泄漏后擴散范圍

混氫氣天然氣管道輸送期間的泄漏擴散情況主要與天氣、泄漏方向以及組分存在關(guān)聯(lián)，相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，天然氣輸送管道在小孔徑條件下，泄漏介質(zhì)在水平方向達到50% LFL的距離與混氫氣濃度存在關(guān)聯(lián)，在請求濃度降低的情況下，距離也隨之降低。天然氣與氫氣的著火下限濃度（LFL）差距較小，前者為5%，后者為4%，氫氣在泄漏時因密度較小因此相對天然氣更容易上浮，但上文中指出混氫氣天然氣具有比天然氣更快的噴射速度，因此混氫氣天然氣在泄漏口噴射效應更加明顯，將氫氣上浮效應的影響抵消，因此混氫氣天然氣相對純天然氣更容易擴散[3]。當泄漏孔徑較大時，泄漏口的噴射速度相對較低，氫氣的上浮效應比水平噴射時的擴散效應更強。在天然氣管道混氫氣輸送期間，密封、法蘭等部件異常引發(fā)的細微泄漏情況即為小孔徑泄漏現(xiàn)象，結(jié)合上述分析可以確認，此時的氫氣擴散半徑將高于天然氣，因此混氫氣比例的增加將使得擴散范圍進一步增加。其中，GB 50160-2008《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》標準中指出，甲烷工藝設(shè)備的微小泄漏擴散范圍為3m，氫氣水平擴散距離在4.5m之內(nèi)，標準中的數(shù)據(jù)與上述研究結(jié)果相吻合[4]。

(4)泄漏后熱輻射范圍

天然氣輸氣管道在站場出現(xiàn)泄漏時，將會在被點燃的情況下噴火，火焰的噴射強度則會隨著混氫氣占比的變化而出現(xiàn)變化。在維持泄漏孔徑一致的情況下，混氫氣占比的提升將會使得水平泄漏時的輻射強度范圍縮減。結(jié)合上文研究內(nèi)容能夠確認，在泄漏場景一致的情況下，混氫氣占比的增加會導致氣體的泄漏體積流量增加，并持續(xù)降低其高位熱值，最終出現(xiàn)熱輻射強度持續(xù)降低的情況。此外，氫氣具有數(shù)值略低于天然氣的擴散燃燒系數(shù)，成為降低混氫氣天然氣熱輻射范圍的又一因素。針對這一情況，混氫氣天然氣管道在輸送過程中需要面臨的火災熱輻射范圍減少，相關(guān)管道或站場不需要進行特殊改造，能夠維持天然氣管道原有的防護間距相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)[5]。

(5)潛在影響半徑

潛在影響半徑參數(shù)的計算與表征是天然氣管道輸送期間需要重點考慮的工作內(nèi)容，是掌握管道泄漏對周邊民眾安全影響情況的重要參數(shù)。標準GB 32167-2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》對天然氣管道潛在影響半徑的計算方式進行了明確規(guī)定，其原理為管道泄漏、噴火期間的熱輻射影響范圍，在潛在影響半徑的重要影響因素即為操作壓力和管徑。對于混氫氣天然氣管道，該定量計算的公式將出現(xiàn)一定變化，在維持管徑和操作壓力一致的情況下，天然氣管道混氫氣比例的增加將導致潛在影響半徑有所降低，這一情況出現(xiàn)的原因與混氫氣天然氣的熱值低存在關(guān)聯(lián)，雖然混合氣體具有比純天然氣更高的泄漏體積流量，但整體熱輻射強度卻有所降低。在管徑不變的情況下，隨著管道運行壓力的減少，潛在影響半徑也有所降低，該情況的出現(xiàn)與泄放流量隨操作壓力的降低而減少存在關(guān)聯(lián)。為此，針對混氫氣天然氣管道進行優(yōu)化改造過程中，可以保守采用天然氣潛在影響半徑公式對混氫氣天然氣進行計算，此時依然可以保證管道的安全可靠性[6]。

(6)調(diào)壓沖蝕影響

輸氣管道運行期間通常選擇利用調(diào)壓裝置對管道內(nèi)部壓力進行調(diào)節(jié)，在壓力保持一致的情況下，天然氣密度為氫氣的8倍，但無論是混氫氣還是純天然氣，兩者均具有相同的調(diào)壓壓縮，結(jié)合流通力學壓損相關(guān)理論原理可以確認，不同氣體的氣體密度與其速度平方的乘積近乎相同，該參數(shù)通常用于沖蝕分析，因此無論是否混氫氣輸送天然氣，氣體在調(diào)壓裝置作用下均維持近乎相同的沖刷指數(shù)[7]。由于氫氣密度遠低于天然氣，因此在調(diào)壓壓差相同的情況下，天然氣混氫氣比例的增加會展現(xiàn)出更高的流速，這也使得調(diào)壓前除塵成為混氫氣輸氣管道需要重點關(guān)注的內(nèi)容。上述的分析是基于體積流量相同開展分析的，在基于熱值交易分析過程中，隨著混氫氣比例的增加，氣體的體積流量將提升，沖刷指數(shù)也將增加。

(7)可燃氣體濃度檢測影響

氫氣發(fā)生泄漏后如果能夠快速上升和擴散，則不會產(chǎn)生較大的爆炸風險。一旦出現(xiàn)燃燒情況，由于混氫氣天然氣的泄漏速度更快，將導致初始火焰速度提升，燃燒范圍也將增大，燃燒速率加快，火焰蔓延風險增加。針對這一情況，管理單位需要加強氣體濃度檢測工作，有效規(guī)避火災、爆炸事故[8]。天然氣與氫氣的著火下限濃度（LFL）有所不同，前者為5%，后者為4%，因此混氫氣輸送會導致天然氣原有的LFL產(chǎn)生變化，隨著混氫氣比例的增加，天然氣LFL也隨之降低。國內(nèi)常規(guī)可燃氣體濃度檢測報警儀器通?；诳扇細怏wLFL數(shù)值的25%或20%設(shè)定報警界限，氫氣站則基于LFL數(shù)值的10%設(shè)定報警界限，即在氫氣濃度達到0.4%時即發(fā)出報警。針對混氫氣天然氣，天然氣輸送管理單位需要對氣體探測標準進行評估分析，結(jié)合甲烷分壓濃度對各級報警數(shù)值進行重新設(shè)定，實現(xiàn)對0～100%氣體濃度范圍的精準測量。由于天然氣混入氫氣后的密度降低，在泄漏時將展現(xiàn)出更快的上浮速度，在有限空間中，混合氣體中的天然氣與氫氣很難在短時間內(nèi)出現(xiàn)局部分層情況，因此在氣體濃度檢測時無需針對兩種氣體進行分別檢測，不需要對既有的混合氣體濃度檢測儀器進行修正[9]。

2.混氫氣對天然氣管道材料的影響

混氫氣輸送天然氣管道將會因氫氣與管道金屬材料間的反應出現(xiàn)設(shè)備失效的情況，常見的問題形式主要為氫脆、氫致開裂、鼓包與脫碳等。其中，氫脆主要出現(xiàn)在電鍍、酸洗、熱處理、冶煉加工等環(huán)節(jié)，而長期與氫氣接觸的情況，金屬材料也會因為氫氣的滲入而出現(xiàn)機械性能降低的情況，最終導致氫脆問題。相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，氫氣在屈服與極限強度方面對金屬材料產(chǎn)生明顯影響，但會導致金屬斷面收縮和延伸情況大幅度降低，同時也會出現(xiàn)金屬材料韌性與疲勞壽命退化的情況。在正常壓力和溫度環(huán)境中，鋼材不會出現(xiàn)明顯的氫脆問題，但在壓力高于30MPa且溫度高于300℃的環(huán)境中，氫脆現(xiàn)象將較為明顯，而且隨著管道運行年限的增加、運行壓力的增加，氫脆問題將愈發(fā)嚴重，天然氣管道輸送管理單位需要針對此類問題對管道運行周期進行核對，避免因氫脆出現(xiàn)嚴重的管道泄漏事故[10]。

氫氣引發(fā)的開裂問題主要與天然氣管道輸氣期間內(nèi)部混雜的硫化氫氣體存在關(guān)聯(lián)，該物質(zhì)具有較強的腐蝕效果，能夠?qū)е鹿艿莱霈F(xiàn)應力腐蝕問題，管道長期與濕硫化氫接觸將出現(xiàn)開裂、鼓泡相關(guān)問題。接頭等部位在應力作用以及擴散氫的影響下將出現(xiàn)較為明顯的內(nèi)部裂紋問題，由此將出現(xiàn)三向應力區(qū)，而高應力區(qū)的擴散氫將聚集為分子氫，在含量達到臨界數(shù)值時，裂紋問題將會出現(xiàn)。由于金屬材料內(nèi)部存在較多微孔，氫原子擴散至微孔中并不斷聚集，將會出現(xiàn)氫分子，而氫分子填充孔隙形成的壓力將導致金屬材料出現(xiàn)鼓包情況，嚴重情況下則會導致金屬管道開裂。

脫碳即鋼材在加熱保溫環(huán)境中出現(xiàn)的表層碳局部或全部喪失的情況，脫碳會隨著保溫時間、加熱溫度的提升而變得愈發(fā)嚴重，而碳含量較高的鋼材將展示出更加明顯的脫碳現(xiàn)象。鋼材脫碳后的鐵原子在氧化后將形成一層氧化鐵表皮，而氫原子進入鋼材內(nèi)部與碳反應使得較多甲烷形成于晶界部位，即內(nèi)部脫碳，此時產(chǎn)生的大量甲烷因無法從鋼材料內(nèi)部逃逸，將導致鋼材局部承受較強的高壓應力，導致鋼材出現(xiàn)裂紋情況，材料的延伸性能與強度也受到明顯影響。

相對而言，氫氣引發(fā)的管道開裂損傷等異常情況與管道的性能、強度、環(huán)境溫度、壓力、氫氣純度、管道使用年限等存在關(guān)聯(lián)，氫損傷更容易出現(xiàn)于高強度和高壓鋼材制作，國內(nèi)天然氣輸氣管道經(jīng)常選用X52及以上等級的鋼材，同時也應用了MPa級別的較高運輸壓力，因此氫損傷極易出現(xiàn)在混氫氣天然氣管道之中。因此相關(guān)管理單位需要考慮對管道材料的優(yōu)化改進，適當應用聚乙烯、鑄鐵管等無氫脆問題的材料對管道進行調(diào)整。

3.混氫氣對天然氣管道壓縮機、管件等部件的影響

混氫氣輸送不僅會對天然氣管道的材料本身產(chǎn)生影響，也會導致壓力機、計量、閥門、管件等設(shè)施受到影響，由于氫氣的密度遠低于天然氣，因此在運輸相同能量氣體的情況下，氫氣相對天然氣在壓縮機功耗方面的差距能達到3.3倍，在混入10%氫氣的情況下，天然氣輸送期間產(chǎn)生的壓縮機功耗也將提升12%，因此混氫氣輸送的成本相對純天然氣更高。

壓縮機的運行穩(wěn)定性也會受到混合氣體中氫氣的影響，離心壓縮機相對活塞壓縮機而言，能夠出現(xiàn)氫氣直接接觸動力機構(gòu)的情形，壓縮機運行期間的材料強度會受到氫氣的影響，葉輪旋轉(zhuǎn)速度也會因為氣體體積速率與體積的增加而受到影響，因此活塞壓縮機更適用于混氫氣的天然氣管道。對于不應用增壓站的中低壓輸氣管道，管理單位則需要考慮混氫氣天然氣對壓縮機的影響。在高壓輸送氫氣比例較高的混合氣體時，管理單位需要針對氫氣泄漏問題合理選擇法蘭、閥門結(jié)構(gòu)形式，常用的部件主要為梯形、凹凸式或榫槽式法蘭、截止閥、球閥，在焊接或開孔儀器接點時也需要考慮混氫氣的影響?；鞖錃廨敋鈱е鹿艿啦牧狭鸭y擴展加快、塑性降低，對于計量設(shè)施而言，混氫氣將影響設(shè)施精度，在5%以上混氫氣占比的情況下，管理單位需要對計量設(shè)施進行優(yōu)化改進，避免對輸送工作造成影響。

4.結(jié)語

綜上所述，由于氫氣與天然氣兩者的物理化學性質(zhì)存在明顯差異，因此混氫氣輸送會對天然氣管道輸送工作造成明顯影響。針對混氫氣輸送工作，管理單位需要考慮混氫氣比例變化對節(jié)流低溫、氣體泄漏、氣體擴散范圍、熱輻射范圍、影響半徑等相關(guān)工藝參數(shù)的影響，結(jié)合參數(shù)的變化情況對管道及相關(guān)附屬設(shè)施，如檢測儀器、防護設(shè)施等進行優(yōu)化改進。由于氫氣會導致管材出現(xiàn)氫脆、脫碳、開裂等異常情況，管理單位需要結(jié)合運行情況對管材進行優(yōu)化調(diào)整，避免出現(xiàn)大面積氣體泄漏事故。此外，管理單位需要結(jié)合管道使用年限、混氫氣比例、環(huán)境狀況、壓力等相關(guān)參數(shù)制定混氫氣管道輸送期間的設(shè)備評估標準，能夠結(jié)合評估結(jié)果對管道進行維護改造，規(guī)避管道泄漏、噴火、爆炸等各類事故風險。