摻氫輸送對長輸天然氣管網標準體系的影響研究

Impact of Hydrogen Blending on the Standards System of Long-Distance Natural Gas Pipeline Networks

TAN Xiao1 CAO Yan1 LIU Ruijun1 LIU Bing1 ZUO Lili2 ZHANG Jialu2 RUAN Jing2 （1. Science and Technology Research Institute， PipeChina Group; 2. China University of Petroleum， Beijing）

Abstract：[Objective]This studyaims to investigate the impactofhydrogen blendingontheexisting standardssystem for long-distance natural gaspipeline networksandassessthe applicabilityof thestandardssystem.[Methods]Through literature reviewandanalysis，thestudyevaluates thecurrentstateofChina’snatural gas pipelinestandards.Itexamines theffectsof hydrogen blending on the physical and chemical propertiesof natural gas，transmision characteristics，metering accuracy， materialcompatibilityandpipelineoperationalsafety.Basedontheseanalyses，targetedsuggestionsare made toimprove andsupplement thetechnical contentofrelevant standards.[Results]The existing standards system for natural gas pipelines is generallyapplicabletoydrogen-blendedtransmision.However，keyareasrquirespecializedresearchndrvisios to ensuresafeandeffective implementation，includingthedevelopmentofnew，dedicatedstandards.[Conclusion]Establishng a dedicated hydrogen transmisionstandardssystem，alongwithasystematicplan forstandarddevelopmentandrevision，is essential to support the safe，efcient，and economical transportationofhydrogen-natural gas mixtures.

Keywords：hydrogen blending;long-distancepipeline; standardssystem

0 引言

氫作為未來主要的可持續能源載體之一，具有巨大潛力。氫不僅不會影響全球氣候，而且可以從可持續的原始能源中獲得，如風能、太陽能和地熱能，甚至核能等。然而，當今社會能源結構主要依賴化石燃料，可持續能源在全球能源需求中所占比重有限。向氫經濟的突然轉變難以實現，但如果政府構建起必要的政策框架，從當前的能源系統有規劃地向完全可持續的、以氫為基礎的能源供應過渡，則更具現實可行性。因此，逐步將天然氣系統轉換為氫氣系統，不失為一項具有長遠前景的選擇。將現有的天然氣供應與可持續產生的氫氣進行混合，或許是邁向能源轉型的重要一步。長距離輸氫方面，管道運輸被認為是最經濟的方法。在國外，氫氣管道研究最早可追溯至20世紀30年代末。目前全世界氫氣管道長度約為 4500km 。國內在氫能源的開發和利用上起步較晚，氫氣長輸管道的規模相對較小，目前僅在小范圍內實現了氫氣長輸管道的應用。其中，長輸天然氣管網標準體系對管網系統摻氫的限制成為制約管網大規模摻氫的重要因素之一。

1長輸天然氣管網標準體系現狀

我國長輸天然氣管道標準體系主要包括國家標準、行業標準、地方標準和企業標準等。國家標準由國家標準化管理委員會及其下屬各專業技術委員會等制定；行業標準由相關行業協會和行業主管部門制定，主要是為了規范天然氣行業內的技術和天然氣質量標準；地方標準由各省市制定，多用于當地的天然氣管道工程建設，主要針對當地的特點和環境要求。企業標準由國內管道公司制定。為了與天然氣國際貿易接軌，近幾年國際標準也被廣泛應用于中國天然氣管道行業中[2，如ISO 3183《石油天然氣工業管道輸送系統鋼管》等。我國的天然氣管道標準體系框架涉及的專業領域包括線路工程、輸送工藝、管線組件及其焊接、工程管理、站場設備與工藝、腐蝕控制、儀表自控與通信、計量、電氣工程、運行安全與完整性管理、節能與HSE管理體系等。

涉及長輸管道建設的標準約200項，運行管理標準約600項。在這些標準中，大約有 70% 是國家標準和行業標準，超過 50% 是非油氣管道行業標準 C近幾年，我國標準總體的采標率在 44% 左右，低于發達國家的 50%～80% 。我國油氣管道標準中采用的國際標準和國外標準僅占 20% ，而且企業標準所占比例較低。國內油氣管道標準轉化為國際標準的數量也極為有限。

在中國的天然氣管道標準體系中，GB50251—2015《輸氣管道工程設計規范》、GB/T9711—2023《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》、GB/T51455—2023《城鎮燃氣輸配工程施工及驗收標準》和GB/T35068—2018《油氣管道運行規范》是中國天然氣管道設計和運行維護的重要依據。

2 摻氫對天然氣管網系統的影響

2.1天然氣摻氫對物化性質影響

天然氣與氫氣混合后，其物理和化學性質會發生一系列變化。在物理性質層面上，隨著混合氣體中的氫氣含量的升高，熱值隨之降低，混合氣體的密度和黏度會隨著氫氣含量的增加而降低，使得氣體在管道中流動時的阻力減小，輸送效率提高。此外，混合氣體的熱導率隨著氫氣含量的增加而增大。在化學性質方面，混合氣體中的氫氣可能與其他成分發生反應，生成新的化合物，從而改變氣體的燃燒特性和腐蝕性。此外，混合氣體的抗氧化性可能會下降，因此在實際應用過程中，必須重視并采取措施防止氧化腐蝕現象的發生。

2.2天然氣摻氫的輸送特性影響

2.2.1壓縮因子

天然氣摻入氫氣后，由于密度的差異，會對壓縮因子Z產生影響。根據GB/T11062的定義，壓縮因子是指在規定的壓力和溫度條件下，給定質量氣體的真實體積除以在相同條件下按理想氣體定律計算出的該氣體的體積而得到的值。Z代表了實際氣體與理想氣體行為之間的偏離程度。在相同壓力下，壓縮因子Z隨摻氫比例增加而上升，即在相同壓力下，氫含量越高，壓縮因子Z越大[4。

研究表明，在相同的壓力和溫度條件下，氫氣密度低于天然氣。因此，隨著氫氣含量的增加，混合氣體的密度會逐漸降低至接近氫氣的密度，且壓力越高，密度降低的幅度也越大。由于氫氣的壓縮性低于天然氣，可以觀察到，隨著氫氣混合量的增加，壓縮因子Z會變得更接近1.0，而當氫氣含量超過 70% 時，壓縮因子Z會大于10。這一結論在不同壓力值下都適用；在1 5MPa～30MPa 的壓力區間，隨著壓力增加，壓縮因子Z的值上升，這種現象可能是由于分子間作用力的復雜變化或模型的特殊性引起的。理解這種效應對于準確預測和有效控制高壓氣體混合物的行為至關重要。此外，密度和壓縮性的計算采用了來自AGA8和GERG2008的相關方程。

2.2.2密度

摻氫對氣體密度的影響主要表現為在相同壓力下，摻氫比例越高，混合氣體的密度越低，并且隨著壓力的增加，密度之間的差距加大。隨著摻氫比例的增加，混合氣體的密度降低，導致管網壓力相應下降。

然而，來蘭理工大學的研究對此觀點提出了補充和修正。通過實驗測試發現，氫氣的注入對密度分布產生了顯著影響，具體表現為2個方面：（1）在管道總長度約1/3處，密度突然上升，這是由氫氣注入直接引起的；（2）在出口處，密度出現波動，這主要是由壓降變化導致的。由于氫氣密度極低，即使注人少量氫氣，混合氣體的密度也會發生顯著變化。這種影響對管道管理（如壓縮站的控制和能耗）及取氣點的客戶都有重要意義。研究還發現，取氣點的變化會顯著影響密度變化的斜率，不同位置的密度變化速度不同：靠近注入點的地方，密度變化更快；而遠離注入點的地方，密度變化會有一定延遲。此外，研究還指出，即使在停止注入氫氣2h后，在管道的最后一段（ t=48h ），氫氣的存在仍然明顯可見。

2.2.3壓降

在米蘭理工大學的研究測試中，聲速被測定為大約 380m/s 。初步估計表明，壓力變化能夠在約 2min 內穿過整個 50km 的管道，而質量和流量的變化則需要大約 3～4h 才能到達出口。這種時間上的差異證實了不同動態過程的合理性。

在初始時刻，整個管道充滿天然氣，取氣點處于關閉狀態，出口流量約為峰值的 60% 。隨著時間推移至 8h ，2個取氣點均達到峰值，而出口流量保持在峰值的 80% 左右，同時管道中開始出現氫氣。隨著時間達到 |20h ，出口流量與取氣點流量同時達到最大值。最終時間步長（ t=48h ）也需要考慮，因為在沒有注入氫氣的情況下，由于取氣點關閉，流量較低，管道內仍含有氫氣和天然氣的混合物。因此，氫氣-天然氣混合物的分布幾乎與天然氣的分布一致。

綜上所述，摻氫對長輸天然氣管道總體壓降的影響相對有限，具體表現為：在體積流量恒定的情況下，壓降會隨著氫氣濃度的增加而減小；在能量流恒定輸送條件下，壓降會隨著氫含量的增加先上升到峰值，隨后再減小。其中系統調整機制主要體現在以下方面。

（1）摻氫比例與能量容量：當摻氫比例增加時，能量容量會隨之降低，然而其降低幅度小于依據體積能量密度差異所預期的數值。具體的定量關系需借助實驗數據與模擬結果加以確定。

（2）壓力與流量：為維持恒定的能量容量，可能需要提高管道的運行壓力，且壓力提升幅度與流量增加量成正比。

（3）管道存儲能力與摻氫比例：管道的存儲能力會隨著摻氫比例的增大而降低，至于二者間具體的函數關系，同樣需要基于實驗數據和模擬結果來精準推導。

2.2.4流速

米蘭理工大學對氣體速度的測試結果表明，氫氣的注入和取氣點的存在會導致氣體速度發生階躍式變化。氫氣的摻混降低了氣體密度，同時增加了額外的流量，從而使得氣體速度有所提升。然而，最顯著的影響是管道中部的大規模取氣點導致的流量減少。無論管道中是氫氣與天然氣的混合物還是純天然氣，取氣點的存在都會導致類似的速度減小。這主要是因為取氣點導致的流量減少的影響（即流量下降）遠大于氫氣混入對氣體密度和速度的微小影響。換句話說，即便在有氫氣注入的情況下，氣體速度雖因氫氣降低整體氣體密度而略有增加，但這種增加幅度并未顯著改變因取氣點存在而導致的速度下降趨勢。因此，氣體速度的變化在2種情況下表現出一致的模式。由負載（取氣點）引起的速度變化至關重要，因為它會直接影響壓力降。這有助于解釋混合氣體與純天然氣在輸送過程中的行為差異，并為系統的優化和控制提供依據。

2.3天然氣摻氫對計量的影響

為評估摻氫對計量誤差的影響，本研究針對甲烷含量約 99% （體積分數）的天然氣混合物，在摻人 5% （體積分數）氫氣的條件下，對比了5MPa和2.4MPa壓力下的理論計算體積與實際測量體積。結果顯示，在5MPa下，偏差為 1.3% ；在 2.4MP_ε 下，偏差為 0.5% 。對于低甲烷含量（約 85% 體積）的天然氣混合物，在5MPa時的誤差增至 1.7% ；在 2.4MPa 時增至 0.7% 。當允許的氫含量提高至 10% 體積時，在最不利的情況下（即5MPa下的低甲烷混合物），流量評估誤差超過 3% 。由于氫氣的體積特性，誤差隨著壓力的增加而增加，因此，對工業客戶（如大型公用事業、能源密集型工業、發電廠）的影響比對家庭用戶的影響更為顯著。此外，隨著允許的氫含量的增加，誤差也會增加。然而，只有在氫氣以接近允許的最大數量連續輸人管網時，這些最大誤差才代表實際流量評估中的誤差，而在其他情況下出現的誤差較小。受制氫技術發展的影響，在全球范圍內，長期注入氫氣的波動甚至可能不存[8]在，平均誤差將小于上述最大值。

在評估摻氫對天然氣計量誤差的影響時，發現對于富含甲烷（約 99% 體積）的天然氣混合物，在含有約 5% 體積的氫氣條件下，計算得到的體積在5MPa 壓力下比實際體積高出 1.3% ，在 2.4MPa 壓力下高出 0.5% 。而對于低甲烷含量（約 85% 體積）的天然氣混合物，在 5MPa 壓力下誤差增至 1.7% ，在

2.4MPa壓力下增至 0.7% 。

氫氣的體積特性導致的誤差隨著壓力的升高而增大，這使得工業客戶（如大型公用事業、能源密集型工業和發電廠）相比家庭用戶，更易受到管網中氫氣混合影響。此外，隨著允許氫含量的提高，誤差也隨之增大。

綜合分析表明，向天然氣管道系統中注入氫氣所產生的影響是復雜的，因為氣體混合物的熱力學特性和傳輸特性的顯著改變可能對現有網絡基礎設施和末端使用設備構成挑戰。美國國家可再生能源實驗室（NREL）通過研究，歸納了這些挑戰及其在天然氣管道系統中的具體位置。如果這些問題無法得到解決，注入氫氣可能會對天然氣管道的經濟性、安全性和可靠性產生負面影響。在考慮注入氫氣的潛在機遇時，必須考慮到設備所需的調整和網絡操作程序的變化，以確保系統的安全性、可靠性和經濟可行性。

2.4天然氣摻氫對材料的影響

2.4.1金屬材料

氫氣與金屬材料（如鋼）相互作用，通過多種機制在不同的尺寸和時間范圍內促使氫原子更容易進入并擴散到通常用于天然氣管道的鋼（低合金碳鋼）的結晶網中，這一現象稱為“氫脆”。氫脆會導致鋼的延展性降低和缺陷擴展速度增加。管網中鋼材的氫脆敏感性存在差異，這種敏感性受多種因素影響，包括管徑、硫和磷化合物含量、管道的制造年份和方法、焊接技術、混合介質組分及管網運行參數（如壓力、應變幅度和壓力變化頻率）。對于鋼管的直徑，初步檢查表明，較小管徑和低屈服強度的地區管網對氫脆的敏感性較低，而采用高鋼級的大型傳輸主干可能更容易受到氫脆影響。

由于氫原子的體積相對于金屬原子很小但并非可忽略，滲透到金屬內部的氫原子會引起局部機械應變，并受到金屬中晶體缺陷引起的局部機械應力的影響。因此，擴散的氫原子會被吸引到原子缺陷（如晶格中的空位或外來原子）、線性缺陷（如邊緣或螺旋位錯）和面缺陷（如晶粒或異相界面）中，并在這些位置被保留，這個過程稱為捕集。到達這些缺陷的氫原子，如果停留足夠長的時間，可能會改變該區域金屬的內聚、彈性或塑性性質，從而引發微觀損傷過程，可能導致宏觀材料缺陷的形成。

氫氣對金屬材料的影響涵蓋了陰極保護過度導致的氫裂、相互作用和誘導損傷、微觀結構作用和機械性能等方面。

2.4.2非金屬材料

（1）滲透問題

相較于金屬系統，氫氣在塑料材料中的擴散速度通常被認為過快，這在HDPE、MDPE、PE100、PEX、PVC及DuctilePVC等材料中尤為顯著。表1展示了測得的滲透系數及文獻中的數值，測量結果與文獻數據基本相符。鑒于本次實驗研究采用的是荷蘭網格中具有代表性的材料，因此，這些實驗得到的滲透系數被選作進一步計算的基準。據估算，在荷蘭的配氣管網中，由于添加了 17% 的氫氣，每年造成的總滲透損失約為 26×10³m³ 。這一損失占氫氣運輸總量的 0.0005% ，因此被認為損失非常小。

表1氫氣在非金屬材料中測得的滲透系數和文獻值

總的來看，盡管氫氣的擴散速度遠超甲烷，但其總體滲透水平仍可被忽略。更為關鍵的是，氫氣在塑料材料中的滲透問題并不被視為一個重大問題。

（2）對非金屬聚合物影響

迄今為止，現有文獻普遍認為，在氣態氫中，聚合物材料的主要問題是滲透性增加，這可能導致泄漏，而非對材料完整性的直接威脅。例如，Melaina等的研究指出，氫氣的泄漏率約為天然氣泄漏率的3倍。不同類型的聚合物材料之間存在顯著的性能差異，這些材料包括半結晶熱塑性塑料、無定形熱塑性塑料、彈性體和環氧樹脂。這些聚合物的性能不僅取決于其化學結構，還受到分子量和加工歷史等因素的影響。加工技術，如擠壓，也會影響聚合物的性能。通過添加填料、增塑劑和交聯劑可以改變或增強特定的性能。與金屬不同，聚合物受靜水壓力的影響，且對測試條件（如溫度和測試速率）非常敏感。

研究表明，在高壓氫氣應用場景中，聚合物材料易受多種失效和降解機制的共同影響。主要失效機制可分為3類：（1）由快速減壓引發的起泡現象，（2）由長期暴露導致的材料老化，（3）微觀結構破壞。其中，老化特指材料在預定工作溫度和壓力范圍內持續接觸氣態氫時發生的微觀結構演變過程。起泡現象則源于高壓環境下材料吸氫飽和后，在快速減壓階段形成氣體過飽和狀態，導致溶解氫氣從材料基體中析出。這些析出的氣體會聚集于材料內部的微孔缺陷或聚合物-填料界面處，隨著壓力循環次數的增加，最終引發不可逆的結構損傷。需要特別說明的是，雖然聚合物材料已廣泛應用于常規天然氣輸送管網（工作壓力相對較低），但在高壓氫環境下的長期可靠性仍需系統驗證。

3摻氫對天然氣管網標準體系的影響分析

總體上看，摻氫管道在線路、管道施工、公用工程及安全環保等方面與天然氣管道標準差別不大，其對于天然氣管道系統的影響主要體現在管道設計、焊接、計量、設備選型及完整性管理等方面。在部分領域，相關標準是需要在原天然氣管道標準基礎上進行修訂的，甚至需要針對摻氫管道進行新制定工作。在對比國內外相關標準內容后，分析出在標準體系方面需要進行補充和完善的部分主要有以下幾方面。

3.1管道設計與施工領域

3.1.1摻氫比例

國內天然氣摻氫需符合天然氣氣質和互換性指標的要求。目前，主要參考的標準包括GB/T11062、GB/T33440、GB/T37124和GB/T33445。在天然氣的長輸管道終端，如果氫氣不進行分離，可以依據GB/T11062標準來計算相對密度和沃泊指數。根據中國石油天然氣管道工程有限公司的訪談，目前國內主要參考的標準是GB/T37124和GB/T33445中關于氣質的相關要求。GB/T37124規定，進入天然氣長輸管道的氣體中氫氣的含量不應超過 3% ；GB/T33445規定了煤制合成天然氣的技術要求，其中一類要求氫氣含量不超過 3.0% ，二類要求則由供需雙方商定。而GB/T17820標準未對氫氣的氣質要求進行規定。摻氫后的天然氣應滿足GB/T33440給出的天然氣指標要求。

根據GB/T11062的定義，相對密度是指在規定的相同參比壓力和溫度條件下，氣體的密度除以標準組成的干空氣的密度。而根據GB/T33440的定義，沃泊指數是指在規定參比條件下的高位體積發熱量除以相同參比條件下的相對密度的平方根。沃泊指數越高，表示在給定尺寸的孔和流速下，氣體的發熱值越大。因此，沃泊指數主要用于衡量氣體在特定設備或系統中的替代性和適用性。如果2種氣體具有相似的沃泊指數，那么它們可以在同一設備中互相替代使用，而不會對設備的性能產生負面影響。

根據GB/T11062的方法，對僅含有甲烷和氫氣的摻氫天然氣進行了相對密度和沃泊指數的計算。分析結果顯示，當摻氫比例超過 1.0% 時，相對密度已不符合指標要求；若摻氫比例達到 20.0% ，相對密度將降至0.46。由此可見，該標準的指標范圍需進一步研究。最大允許氫濃度主要受壓力波動、結構和缺陷的影響。

3.1.2管道設計

（1）設計壓力

選擇設計壓力的標準或方法應基于具體的工程需求、地理位置和適用法規，以保證管道系統在設計、建造和運行過程中滿足安全和可靠性的要求。GB50251是我國輸氣管道工程設計規范，規定管道的設計壓力應根據氣源條件、用戶需要、管材質量及管道附近的安全因素，經技術經濟比較后確定。EN14161是歐洲的管道設計標準，它專注于輸氫管道的環向應力分析與壓力評估，并提供了計算最大環向應力和最高操作壓力的方法。而ASMEB31.12則是美國的管道設計標準，通過選項A和選項B提供了不同的設計方法。管道運營商通常更偏好使用選項B來確定壓力，因為該方法更為靈活，允許在特定條件下放寬一些設計和測試要求[]

（2）設計強度

GB50251、ASMEB31.12和EN14161標準在設計氫氣管道時，都采用了特定的系數來提高安全性。GB50251規定的管道強度設計系數主要參考ASMEB31.8制定，這些系數的確定來源于長期的工程實踐。ASMEB31.12標準通過材料性能系數H_f 來直接影響壁厚和設計壓力，而EN14161標準則是通過環向應力設計系數f來直接計算最大環向應力，進而間接計算設計壓力。盡管后兩者在提高安全性這一目標上是一致的，但它們在實現這一目標的方式上各有側重。根據ASMEB31.12的規定，所有結構材料的屈服極限（SMYS）超過358MPa（ 52ksi ）的管道應被視為位于四級地區的管道。同時，根據API5L的規定，X52材料的屈服極限為359MPa ，因此，由X52材料建造的管道也應被視為四級地區的管道[12]。

ASMEB31.12標準對高強度鋼的容許應力限制較為寬松。在室溫條件下，X52材料的基本容許應力為 149.5MPa（22ksi） ，而X80材料的基本容許應力為 206.4MPa（30ksi） 這意味著，盡管X80材料的屈服極限（SMYS）相對于X52材料增加了 54% ，但其容許應力的增加幅度僅為 36% 。

（3）管徑

在輸氫管道的管徑設計中，雖然原則上與天然氣管道的設計相似，但由于氫氣和天然氣的物理性質存在差異，實際計算中需要進行相應的調整以保證安全和有效的氫氣輸送。具體來說，在除了流體質量以外的其他參數保持一致的情況下，純氫管道的管徑一般小于摻氫管道的管徑。隨著流體質量的增加，純氫管道和摻氫管道的管徑相應地逐漸增大。純氫管道和摻氫管道的管徑隨管道入口壓力的提高而呈現下降趨勢。

（4）流速

在設計氫氣管道流速時，應充分考慮沖蝕速度的計算結果，并據此設定具體的流速限制值，以確保管道系統的長期安全運行和運行效率。結合ASMEB31.12、GB50177和CGA標準中的建議，合理控制管道中的流速，避免高流速引發問題，是實現安全高效氫氣輸送的關鍵措施。

ASMEB31.12建議將氫氣管道的流速控制在峰值條件下的沖蝕速度以下，以防止對管道內壁的磨損，凸顯了沖蝕速度在評估管道安全性中的關鍵作用。

GB50177進一步提出了更為保守的建議，規定實際流速不應超過工作條件下沖蝕速度的 50% ，旨在確保管道長期安全運行。

因此，在設計氫氣管道流速時，建議采用ASMEB31.12或GB50177中的公式計算沖蝕速度，將其作為設計參考基準。遵循GB50177的建議，將實際工作條件下的流速控制在計算得到的沖蝕速度的 50% 以下。對閥門等流速接近聲速的特殊區域進行特別設計和控制，避免流速達到或超過聲速，以減少沖蝕、噪聲和振動等問題

3.1.3氣質要求

對歐美各國天然氣中總硫含量的要求進行比較，結果顯示，德國DVGW的標準最為嚴格，規定總硫含量不超過 6mg/m³ ，硫化氫含量不超過 5mg/m³ 。歐洲標準緊隨其后。我國GB17820標準參考了EN16726-2016，對總硫和硫化氫的要求分別為 20mg/m³ 和 16mg/m³ ，這體現了在控制總量和關鍵組分方面的技術策略。隨著技術進步和經濟的發展，我國計劃進一步降低天然氣中的總硫含量，并設定了中長期目標，即將其控制在 8mg/m³ 以下。

根據國家電投集團氫能科技發展有限公司的訪談，國內在將氫氣和天然氣摻混之前，已經對水含量進行了控制，即摻混前的氫氣已經滿足了水含量要求。然而，目前國內尚缺乏對摻混前氫氣水含量的標準要求，并且在摻混后也缺少對混合物水含量的相關規定。

國內氫氣運輸的氣質要求尚未明確，而國外的DVGWG260標準對輸氫管道的氣質要求最為全面。建議國內參考GB17820標準，對總硫和硫化氫含量分別規定為 20mg/m³ （或更低，中長期目標為 8mg/m³ ）和 16mg/m³ ，對 ?_CO2 含量規定為 3mol% ，這樣的規定較為合理。關于水含量，國外輸氫管道標準要求的范圍較廣，介于 ?20～200ppm ，國內應根據自身管道的實際工作狀況來確定水含量的要求。

3.1.4材料及設備選型

（1）壓縮機選型

壓縮機站是氫運輸面臨的挑戰之一。輸送介質的變化會影響壓縮系統參數，如壓縮機容量及壓縮機站之間的距離。由于氫氣的體積能量密度是天然氣的1/3，為了提供相同的能量含量，輸送的氫氣體積必須增加3倍，從而使壓縮機容量增加3倍。高速旋轉受到材料強度和壓縮機性能的限制，會提高離心式壓縮機的性能要求。而氫氣長輸管道用壓縮機屬于中壓壓縮機，基于輸量、壓比、經濟性等因素考慮，氫氣管道用壓縮機通常采用往復式壓縮機。

（2）管材

氫脆會使金屬材料的力學性能下降，影響管道的使用壽命和安全性。

GB4962規定氫氣管道應采用無縫金屬管道，禁止采用鑄鐵管道。其次，氫氣管道與附件連接的密封墊，應采用不銹鋼、有色金屬、聚四氟乙烯或氟橡膠材料，禁正用生料帶或其他絕緣材料。

GB50177中要求管材應選用無縫鋼管，氫氣壓力小于等于20MPa時，宜采用20鋼或S30408奧氏體不銹鋼；氫氣壓力大于 20MPa 時，應采用S31603奧氏體不銹鋼或經試驗驗證具有良好氫相容性的其他材料。其次，GB50177規定了S31603奧氏體不銹鋼中的鎳含量的范圍是 12%～28.5% 。

GB/T29729中指出氫環境下常用的金屬材料有S31603、S31608、6061、4130X、X42、X52等。其次，為降低金屬材料的氫脆敏感性，金屬材料可使用奧氏體不銹鋼和鋁合金。

ASMEB31.12指出，在選擇管道金屬材質時，應對材質進行評估，且對不同材質給出了評估時應具體考慮的因素。

CGAG-5.6指出碳鋼是氫氣輸送管道中最常用材質，如API5LX52（及較低強度等級）和ASTMA106GradeB已經在輸氫管道中廣泛應用。這主要在于碳鋼相對較低的強度，使其對氫脆和其他脆性斷裂機制具有抵抗力。

AIGA/EIGA準則提到一些低合金鋼可以焊接到輸氣管道上，并告誡焊接時應格外小心，但沒有具體說明。根據AIGA/EIGA準則，奧氏體不銹鋼適用于氫氣環境，尤其是高壓環境。該指南指出，在氫氣環境下，316L型比304L型更受歡迎，因為316L具有更高的奧氏體穩定性，不易發生氫脆。這種說法似乎是錯誤的，因為316L和304L的主要區別在于316L中含有鉬，而鉬是公認的鐵素體（而非奧氏體）穩定劑。其他不銹鋼（鐵素體鋼、馬氏體鋼、雙相鋼或沉淀硬化鋼）只要是在低應力和低強度范圍內使用，都可以使用。“低應力”和“低強度”沒有量化。

AIGA/EIGA準則還提到了鎳、銅和鉆合金。鎳合金和銅合金被認為容易受到氫氣的損害，因此應該小心謹慎，但除了關于限制外加應力和硬度的一般指導之外，并沒有具體的要求。鈷合金（例如閥門上的Stellite硬面涂層，Stellite是一種高性能的鈷基合金）被認為是可以接受的。

針對AIGA／EIGA準則中“低應力”和“低強度”等未量化的概念，建議組織專業研究團隊進行深人研究，結合實際工程案例和實驗數據，給出明確的量化指標，以便于工程實踐中的應用。

3.2管道運行領域

3.2.1計量

天然氣組成分析的標準主要基于氣相色譜法鑒于高含量氫氣對氣相色譜儀的影響，包括流程改造、色譜柱選用、氣體標準物質研發及在線檢測等方面，建議對GB/T13610等標準進行修訂。

根據DVGWG260標準，并非所有現有的工藝氣相色譜儀均具備分析氫氣的能力。若需進行分析，則必須對這些設備進行更換或改裝。目前市場上已有能夠分析高達 25mol% 氫氣的新型號氣相色譜儀，如MarquisGmbH的工藝氣相色譜儀Complete-Advance和RMGMesstechnikGmbH的工藝氣相色譜儀PGC9304。

在國際領域，建議對摻氫管道和純氫管道均采用科里奧利質量流量計。該流量計以其高精度和直接測量質量流量的能力而受到青睞，且不受流體特性的影響。鑒于氫氣低密度和高聲速的特性，孔板流量計可能會受到不利影響，因此需要更小的直徑比（即較大的面積變化）以保持其有效性。對于超聲波流量計，氫氣對其高硬度材料（如鈦）、潤滑劑和密封劑會產生影響。DNV的研究表明，考慮到不同氣體成分的影響，測量設備可能需要進行特定的調整或更換。

3.2.2完整性管理

（1）腐蝕防護

內涂層在緩解氫脆作用方面尚不清楚，現有腐蝕緩解方法（包括外部腐蝕涂層、陰極保護、覆層）對氫的影響尚未明確，盡管鋼材中擴散的氫含量低，似乎不大可能構成重大風險。然而，這些不確定性應在檢查程序中予以考慮，以確保腐蝕緩解措施的有效性。涂層和覆層在緩解氫脆方面的作用尚存在顯著未知數。氫氣與陰極保護之間可能的相互作用亦是一個尚未解決的問題。

（2）陰極保護

針對輸氫管道，歐洲要求重新評估陰極保護標準（-850至- 1200mV ）以及過保護（比 -1200mV CSE更負的電位水平）對氫致裂紋威脅的可接受性。因為過保護被用作解決長輸管道保護不足問題或應對高壓交流干擾產生的腐蝕問題的一種手段。

IGEMTD1Edition6明確規定“對于輸氫管道，管/地瞬間斷電電位不應負于-1.20Vvs Cu/CuS0₄ 以減輕氫氣通過管道滲透導致的管道防腐層發生陰極剝離的風險。”

（3）缺陷評估

現有的管道評估方法未考慮氫氣對材料性能的影響，特別是在體積腐蝕（如B31G、RSTRENG和LPC）和凹痕等缺陷評估方面。凹痕的風險評估方法要求“管道運行在SMYS達 30% ，超過 6% 標稱管徑的明顯凹痕、機械損傷、帶裂紋的凹痕、深度超過 2% 標稱管徑且影響焊縫的凹痕，需定期檢查維修。”

（4）風險評價

根據荷蘭國家公共衛生與環境研究所（RIVM）的規定，個體風險（LR）通過一個人在管道附近因失效而死亡的概率來確定。傳統方法計算摻氫管道失效頻率的局限性包括Carola確定的失效頻率方法，這是一種基于天然氣傳輸的經驗，但忽略了氫氣傳輸中的特殊情況，因此不完全適用。還有另一種方法是Bevb中的失效頻率方法，是為化學品運輸設定的，也不適合氫氣傳輸。

由于氫氣將在現有的天然氣管道中運輸，因此現有的失效頻率并不準確，需要重新評估。貝葉斯網絡的優勢是能夠根據管道參數和其他相關事件，靈活地調整失效概率，從而更好地適應不同情境。

在失效后果方面，氫氣管道失效后的影響范圍總體小于天然氣管道，這是由于氫氣釋放持續時間短、釋放功率低、擴散快。但氫氣泄漏的點火概率始終為 100% ，而天然氣的點火概率則取決于管道直徑和壓力。盡管氫氣管道通常直徑較小，但其點火概率可能高于天然氣管道。因此，雖然氫氣泄漏的影響較小，但由于其高點火概率，需更謹慎管理和評估氫氣泄漏的安全性。

3.2.3缺陷修復

IGEMTD1條款S12.10.5不建議在氫氣管道上進行帶壓開孔操作，除非證明該操作切實可行。針對有害凹痕的永久性現場修復要求、管道在發現機械損傷或焊接缺陷時的永久性修復標準和要求、管道在泄漏和非泄漏腐蝕區域的永久性現場修復標準和要求、硬點氫脆和應力腐蝕開裂的永久性現場修復，建議參考ASMEB31.12條款GR-5.6.1至GR-5.9條款。

與國內管道修復作業方面的標準GB/T28055、SY/T7033規定補板修復不同，ASMEB31.12禁止使用補板修復，主要因為其安全風險高、長期可靠性差、維護和檢測難度大。ASMEB31.12標準規定的修復方式更加可靠和安全，如全包圍套筒、打磨修復等。

需要注意的是，天然氣管網的維護程序不適用于摻氫管道，原因在于摻氫管道無法實現雙關雙泄放。若采用其他替代技術，不僅需要配備不同的設備，其實際應用效果也有待進一步研究。

4結語

本文綜合分析了摻氫對長輸天然氣管網標準體系的廣泛影響，研究了氫氣摻入天然氣后，在物理化學性質、輸送特性、計量準確性、材料兼容性及管道運行安全等多個方面帶來的顯著變化。這些變化不僅要求我們對現有的管道設計和施工標準進行重新審視，還促使我們在管道運行、維護及安全管理方面采取新的策略和措施。

（1）總體上看，摻氫天然氣在長輸管道標準體系方面存在標準不完善、技術儲備欠缺及管理經驗匱乏等問題。對此，需要通過加強國際合作、加大研發投入力度及完善相關法規和政策等措施來逐步解決。

（2）在管道設計與施工領域，摻氫比例的科學確定、管道設計參數的合理調整、氣質要求的嚴格把控及材料及設備選型的重新考量，都是確保摻氫天然氣安全高效輸送的關鍵。特別是氫脆現象對金屬材料的影響，以及氫氣在非金屬材料中的滲透問題，需要采用更加嚴格的標準和更加先進的材料來解決。

（3）在管道運行領域，摻氫對計量系統的準確性提出了更高要求，需要研發更加精準、可靠的計量設備和技術。同時，摻氫也增加了管道完整性管理的難度，特別是在缺陷評估和風險評價方面，需要采用更加科學、全面的方法來確保管道的安全運行。

隨著氫能技術的不斷進步和全球能源結構的深刻調整，摻氫天然氣在長輸管道中的應用將會越來越廣泛。因此，需要持續關注摻氫對長輸天然氣管網標準體系的影響，不斷優化和完善相關技術標準和管理規范，以確保摻氫天然氣的安全、高效、經濟輸送，為全球能源轉型和可持續發展作出更大的貢獻。

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