3.2.2　掺氢天然气管道安全

我国风力资源规模大，远离负荷中心，大规模风电消纳问题更为突出。通过大规模风电制氢，并将氢以一定比例掺入天然气，组成掺氢天然气（HCNG），然后再利用现有的天然气管网进行输送，被认为是解决大规模风电消纳问题的有效途径。掺氢天然气可被直接利用，也可将氢与天然气分离后分别单独使用，该方式被认为是实现氢较低成本远距离输送的方法。典型的天然气管道输送系统如图3-6所示。通过集气管道汇集的天然气需经处理以达到一定的要求，再提升至一定压力后通入天然气管网进行储运配送，最终输送到天然气的使用终端，如工业涡轮机、民用燃气设备及加气站（作为交通燃料）等。

图3-6　典型的天然气管道输送系统

天然气管网包括输送管道（长输管道）、配送管道以及一些调压设备、储存设备等。输送管道实现城际之间的天然气远距离输送，输送压力较高（约4～12MPa，有些达到14MPa，我国西气东输三线输送压力达到12MPa），使用强度等级较高的钢材，如X52、X56、X60、X65、X70及X80等，一些国家正积极研发使用更高强度等级钢。输送管道中的高压气体经过减压站后进入配送管网，配送管道则将输送管道输送来的天然气以较低压力（通常小于1MPa，小部分达到3MPa）输送到终端使用设备，通常分为配送干线管道和配送民用管道。配送管道使用了多种材料，如铸铁、铜、钢和非金属材料，其中使用的钢通常是低强度钢，如APl5LA、API5LB、X42和X46，使用的非金属材料有聚乙烯（PE63、PE80、PE100）、聚氯乙烯（PVC）及其他弹性体材料等。应当指出，虽然各国使用的钢材牌号大体相同，但由于各国材料的冶炼水平及制造水平等有所不同，即使同牌号钢材在性能上也有一定的差别。

由此可见，现有天然气管网材料类型多，使用环境差异大，操作压力不一，将氢气掺入天然气管网面临着复杂的安全问题，其中最为主要的为掺氢天然气与天然气官网的相容性问题。各国对管网输送的天然气气质要求有所不同，天然气成分的不同和氢的加入对管网材料的影响程度也存在差异。因此，在研究掺入氢气的影响时，应根据管网实际的输送气体成分开展论证，不可盲目照搬其他国家的研究成果。本节分别从掺氢天然气与输送管道、配送管道以及其他设备（调压设备、储存设备等）三个方面的相容性研究展开介绍。

3.2.2.1　输送管道

高压输送管道用钢，因其在操作压力下会产生较高的应力，且钢材强度较高易发生氢脆的特点而成为研究的重点。总体上，氢对钢材的屈服强度和抗拉强度影响较小，而会使材料的塑韧性降低。普通管道等级碳钢API 5L X52和ASTM A106等级钢已经广泛应用于低压氢气的输送，几乎没有出现问题。通过电化学充氢、气相预充氢或者氢气环境下动态气相充氢等方式研究表明[39-42]：氢气对X52、X60、X65、X70、X80、X100的屈服强度和极限抗拉强度的影响较小，而断面收缩率和断后伸长率显著减少。在5.5MPa氢气中进行的试验表明：X100断面收缩率由75%降低到30%左右，而X60、X70、X80的断面收缩率由70%～90%下降到30%～60%之间，随着氢气压力的继续增加，氢气对断面收缩率的影响基本保持不变。

氢气的掺入会对管线钢材的断裂和疲劳性能产生显著的影响，掺入的氢会使钢的断裂韧性减小。通过电化学充氢，针对带缺口试样的管道钢材X52、X70、X100的试验表明：存在氢浓度临界值，当钢中氢浓度小于临界值时，氢对裂纹起裂和完全断裂时的应力强度影响较小；而当氢浓度超过该临界值时，对裂纹产生与扩展的影响增大园。此外，掺入氢会加速裂纹扩展，降低门槛循环应力强度因子ΔK，并降低疲劳寿命。这种影响与氢的分压大小、应力循环特性系数、加载频率及微观组织结构等有关。在加载频率1Hz、应力循环特性系数0.5时，不同压力（1.7～21.0MPa）氢气环境下，X100、X52的疲劳裂纹扩展速率均提高了一到两个数量级，而在21MPa氢气环境下，X80、X60的疲劳扩展速率提高了约20倍（应力强度因子ΔK>12MPa•m0.5）。氢对焊接区域也有一定的影响，焊接区和热影响区的硬度水平必须进行控制，以保证它们在充氢环境下具有足够的韧性。

可见，氢气对天然气管道材料力学性能影响较大，而在掺氢天然气管道输送时，氢的影响程度与管道操作压力及掺氢的比例等有关。有研究表明1.7MPa（10MPa管网掺入17%氢气时，其分压达到1.7MPa）的氢气也会使疲劳裂纹扩展速率增加一到两个数量级。浙江大学研究了掺氢比例为5%、10%的氢与二氧化碳混合气体对X80钢的影响，结果亦表明疲劳裂纹扩展速率显著增大，低周疲劳寿命显著降低。

目前，针对掺氢天然气环境下材料相容性的研究较少，无法考虑氢气与硫化氢、一氧化碳及二氧化碳等气体的综合影响。此外，各国之间天然气成分、管道工况、使用历史存在差别，天然气管道材料性能也存在一定的不同，因此不可盲目照搬国外研究成果。我国尚无相关掺氢比例下管道材料力学性能的劣化规律数据。因此，必须研究一定掺氢比例下的管道材料的力学性能，确定我国天然气管网可接受的安全的掺氢比例。

3.2.2.2　配送管道

对于配送管道中使用的低强度钢，其主要的氢损伤是韧性损减和氢鼓泡。氢损伤的严重程度主要取决于氢浓度和操作压力。因此对于所处压力较低、具有较低应力的配送管道，发生氢损伤的风险较低。球墨铸铁、铸铁、锻造铁及铜等制造的配送管道，在天然气配送系统的常规工况下不需要关注氢损伤问题。

天然气管网中的非金属配送管网，操作压力一般低于1MPa。研究表明，氢对聚乙烯管道的影响较小，材料在氢环境中长期服役性能未出现退化现象，其微观组织结构也未发生显著变化日，很少或没有氢气（或其他任何非极性气体）与聚乙烯管道发生相互作用。此外，大部分的弹性体材料也与氢有良好的相容性。故掺氢天然气与现有天然气管道使用的非金属材料相容性较好。

3.2.2.3　其他设备

此外，尚需研究天然气管网中储存设备及动设备等与掺氢天然气的相容性。储存设备主要是天然气储罐、储气井，目前尚未见这方面的研究成果。考虑的动设备主要是压缩机，用在天然气管网中对气体进行加压调压。活塞式压缩机的动力机构是独立于工作介质工作的，而离心式压缩机的动力机构则与氢气接触。为满足相同能量需求，掺入氢气后离心式压缩机的旋转速度需提高，该旋转速度会受到材料强度的限制，而该强度也会受到掺入气体中的氢的影响。此外，管网中使用的涡轮机也会受到掺入氢气的影响，尚需进一步研究。