混氫氣對(duì)天然氣管道輸送的影響研究

＊魏思達(dá)

（廣州市城市管理質(zhì)量監(jiān)測(cè)與應(yīng)急保障中心（廣州市燃?xì)馐聞?wù)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(duì)相關(guān)成本的有效控制，進(jìn)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(yùn)輸會(huì)對(duì)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(yùn)輸?shù)某杀緝?yōu)勢(shì)，規(guī)避運(yùn)輸期間的安全風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)單位有必要加強(qiáng)對(duì)混氫氣對(duì)天然氣管道輸送的影響。

1.天然氣管道混氫氣輸送時(shí)的安全特性變化規(guī)律分析

(1)節(jié)流低溫

節(jié)流效應(yīng)是天然氣輸送管道運(yùn)行管理或管道設(shè)計(jì)期間需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。當(dāng)管理單位放空輸氣管道時(shí)，通過(guò)節(jié)流對(duì)控制大壓差過(guò)程中出現(xiàn)的低溫情況是管道放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)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(duì)對(duì)天然氣管道輸送期間的泄漏質(zhì)量流量產(chǎn)生變化，當(dāng)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(shí)，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(yuǎn)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(huì)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(shí)的數(shù)值不會(huì)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(shì)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(yuǎn)低于天然氣存在關(guān)聯(lián)，而且氫氣也將展現(xiàn)出更強(qiáng)的噴射效應(yīng)，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(yùn)輸期間，增加混氫氣含量能夠降低泄漏時(shí)的質(zhì)量流量，也會(huì)提升泄漏時(shí)的體積流量，為了將泄漏流量控制在一定范圍內(nèi)，國(guó)內(nèi)外均選擇將混氫氣比例控制在10%～20%這個(gè)較低的范圍[2]。

(3)氣體泄漏后擴(kuò)散范圍

混氫氣天然氣管道輸送期間的泄漏擴(kuò)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(dá)到50% LFL的距離與混氫氣濃度存在關(guān)聯(lián)，在請(qǐng)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(shí)因密度較小因此相對(duì)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(yīng)更加明顯，將氫氣上浮效應(yīng)的影響抵消，因此混氫氣天然氣相對(duì)純天然氣更容易擴(kuò)散[3]。當(dāng)泄漏孔徑較大時(shí)，泄漏口的噴射速度相對(duì)較低，氫氣的上浮效應(yīng)比水平噴射時(shí)的擴(kuò)散效應(yīng)更強(qiáng)。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(xì)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(rèn)，此時(shí)的氫氣擴(kuò)散半徑將高于天然氣，因此混氫氣比例的增加將使得擴(kuò)散范圍進(jìn)一步增加。其中，GB 50160-2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中指出，甲烷工藝設(shè)備的微小泄漏擴(kuò)散范圍為3m，氫氣水平擴(kuò)散距離在4.5m之內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)出現(xiàn)泄漏時(shí)，將會(huì)在被點(diǎn)燃的情況下噴火，火焰的噴射強(qiáng)度則會(huì)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(huì)使得水平泄漏時(shí)的輻射強(qiáng)度范圍縮減。結(jié)合上文研究?jī)?nèi)容能夠確認(rèn)，在泄漏場(chǎng)景一致的情況下，混氫氣占比的增加會(huì)導(dǎo)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(qiáng)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(kuò)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(duì)這一情況，混氫氣天然氣管道在輸送過(guò)程中需要面臨的火災(zāi)熱輻射范圍減少，相關(guān)管道或站場(chǎng)不需要進(jìn)行特殊改造，能夠維持天然氣管道原有的防護(hù)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(jì)算與表征是天然氣管道輸送期間需要重點(diǎn)考慮的工作內(nèi)容，是掌握管道泄漏對(duì)周邊民眾安全影響情況的重要參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)GB 32167-2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》對(duì)天然氣管道潛在影響半徑的計(jì)算方式進(jìn)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(duì)于混氫氣天然氣管道，該定量計(jì)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(dǎo)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(qiáng)度卻有所降低。在管徑不變的情況下，隨著管道運(yùn)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(duì)混氫氣天然氣管道進(jìn)行優(yōu)化改造過(guò)程中，可以保守采用天然氣潛在影響半徑公式對(duì)混氫氣天然氣進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)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(yùn)行期間通常選擇利用調(diào)壓裝置對(duì)管道內(nèi)部壓力進(jìn)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(wú)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(xué)壓損相關(guān)理論原理可以確認(rèn)，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(wú)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(yuǎn)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(huì)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(diǎn)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(guò)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?xì)怏w濃度檢測(cè)影響

氫氣發(fā)生泄漏后如果能夠快速上升和擴(kuò)散，則不會(huì)產(chǎn)生較大的爆炸風(fēng)險(xiǎn)。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(dǎo)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(fēng)險(xiǎn)增加。針對(duì)這一情況，管理單位需要加強(qiáng)氣體濃度檢測(cè)工作，有效規(guī)避火災(zāi)、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(huì)導(dǎo)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(guó)內(nèi)常規(guī)可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)報(bào)警儀器通常基于可燃?xì)怏wLFL數(shù)值的25%或20%設(shè)定報(bào)警界限，氫氣站則基于LFL數(shù)值的10%設(shè)定報(bào)警界限，即在氫氣濃度達(dá)到0.4%時(shí)即發(fā)出報(bào)警。針對(duì)混氫氣天然氣，天然氣輸送管理單位需要對(duì)氣體探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估分析，結(jié)合甲烷分壓濃度對(duì)各級(jí)報(bào)警數(shù)值進(jìn)行重新設(shè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)0～100%氣體濃度范圍的精準(zhǔn)測(cè)量。由于天然氣混入氫氣后的密度降低，在泄漏時(shí)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(shí)間內(nèi)出現(xiàn)局部分層情況，因此在氣體濃度檢測(cè)時(shí)無(wú)需針對(duì)兩種氣體進(jìn)行分別檢測(cè)，不需要對(duì)既有的混合氣體濃度檢測(cè)儀器進(jìn)行修正[9]。

2.混氫氣對(duì)天然氣管道材料的影響

混氫氣輸送天然氣管道將會(huì)因氫氣與管道金屬材料間的反應(yīng)出現(xiàn)設(shè)備失效的情況，常見的問(wèn)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(zhǎng)期與氫氣接觸的情況，金屬材料也會(huì)因?yàn)闅錃獾臐B入而出現(xiàn)機(jī)械性能降低的情況，最終導(dǎo)致氫脆問(wèn)題。相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，氫氣在屈服與極限強(qiáng)度方面對(duì)金屬材料產(chǎn)生明顯影響，但會(huì)導(dǎo)致金屬斷面收縮和延伸情況大幅度降低，同時(shí)也會(huì)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(huì)出現(xiàn)明顯的氫脆問(wèn)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(yùn)行年限的增加、運(yùn)行壓力的增加，氫脆問(wèn)題將愈發(fā)嚴(yán)重，天然氣管道輸送管理單位需要針對(duì)此類問(wèn)題對(duì)管道運(yùn)行周期進(jìn)行核對(duì)，避免因氫脆出現(xiàn)嚴(yán)重的管道泄漏事故[10]。

氫氣引發(fā)的開裂問(wèn)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(qiáng)的腐蝕效果，能夠?qū)е鹿艿莱霈F(xiàn)應(yīng)力腐蝕問(wèn)題，管道長(zhǎng)期與濕硫化氫接觸將出現(xiàn)開裂、鼓泡相關(guān)問(wèn)題。接頭等部位在應(yīng)力作用以及擴(kuò)散氫的影響下將出現(xiàn)較為明顯的內(nèi)部裂紋問(wèn)題，由此將出現(xiàn)三向應(yīng)力區(qū)，而高應(yīng)力區(qū)的擴(kuò)散氫將聚集為分子氫，在含量達(dá)到臨界數(shù)值時(shí)，裂紋問(wèn)題將會(huì)出現(xiàn)。由于金屬材料內(nèi)部存在較多微孔，氫原子擴(kuò)散至微孔中并不斷聚集，將會(huì)出現(xiàn)氫分子，而氫分子填充孔隙形成的壓力將導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)鼓包情況，嚴(yán)重情況下則會(huì)導(dǎo)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(huì)隨著保溫時(shí)間、加熱溫度的提升而變得愈發(fā)嚴(yán)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(jìn)入鋼材內(nèi)部與碳反應(yīng)使得較多甲烷形成于晶界部位，即內(nèi)部脫碳，此時(shí)產(chǎn)生的大量甲烷因無(wú)法從鋼材料內(nèi)部逃逸，將導(dǎo)致鋼材局部承受較強(qiáng)的高壓應(yīng)力，導(dǎo)致鋼材出現(xiàn)裂紋情況，材料的延伸性能與強(qiáng)度也受到明顯影響。

相對(duì)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(qiáng)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(qiáng)度和高壓鋼材制作，國(guó)內(nèi)天然氣輸氣管道經(jīng)常選用X52及以上等級(jí)的鋼材，同時(shí)也應(yīng)用了MPa級(jí)別的較高運(yùn)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(duì)管道材料的優(yōu)化改進(jìn)，適當(dāng)應(yīng)用聚乙烯、鑄鐵管等無(wú)氫脆問(wèn)題的材料對(duì)管道進(jìn)行調(diào)整。

3.混氫氣對(duì)天然氣管道壓縮機(jī)、管件等部件的影響

混氫氣輸送不僅會(huì)對(duì)天然氣管道的材料本身產(chǎn)生影響，也會(huì)導(dǎo)致壓力機(jī)、計(jì)量、閥門、管件等設(shè)施受到影響，由于氫氣的密度遠(yuǎn)低于天然氣，因此在運(yùn)輸相同能量氣體的情況下，氫氣相對(duì)天然氣在壓縮機(jī)功耗方面的差距能達(dá)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(jī)功耗也將提升12%，因此混氫氣輸送的成本相對(duì)純天然氣更高。

壓縮機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性也會(huì)受到混合氣體中氫氣的影響，離心壓縮機(jī)相對(duì)活塞壓縮機(jī)而言，能夠出現(xiàn)氫氣直接接觸動(dòng)力機(jī)構(gòu)的情形，壓縮機(jī)運(yùn)行期間的材料強(qiáng)度會(huì)受到氫氣的影響，葉輪旋轉(zhuǎn)速度也會(huì)因?yàn)闅怏w體積速率與體積的增加而受到影響，因此活塞壓縮機(jī)更適用于混氫氣的天然氣管道。對(duì)于不應(yīng)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(duì)壓縮機(jī)的影響。在高壓輸送氫氣比例較高的混合氣體時(shí)，管理單位需要針對(duì)氫氣泄漏問(wèn)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(diǎn)時(shí)也需要考慮混氫氣的影響?；鞖錃廨敋鈱?dǎo)致管道材料裂紋擴(kuò)展加快、塑性降低，對(duì)于計(jì)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(duì)計(jì)量設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，避免對(duì)輸送工作造成影響。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，由于氫氣與天然氣兩者的物理化學(xué)性質(zhì)存在明顯差異，因此混氫氣輸送會(huì)對(duì)天然氣管道輸送工作造成明顯影響。針對(duì)混氫氣輸送工作，管理單位需要考慮混氫氣比例變化對(duì)節(jié)流低溫、氣體泄漏、氣體擴(kuò)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(duì)管道及相關(guān)附屬設(shè)施，如檢測(cè)儀器、防護(hù)設(shè)施等進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。由于氫氣會(huì)導(dǎo)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(yùn)行情況對(duì)管材進(jìn)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(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，能夠結(jié)合評(píng)估結(jié)果對(duì)管道進(jìn)行維護(hù)改造，規(guī)避管道泄漏、噴火、爆炸等各類事故風(fēng)險(xiǎn)。