掺氢天然气管道输送安全技术.pdf

第 4 3卷第 1 期 化工机械 掺氢天然气管道输送安全技术 赵永志 张 鑫 郑津洋 。 顾超华 张林 1 ．浙江大学化学工程与生物工程 学院 化工机械研究所 ； 2 ．高压过程装备与安全教育部工程研究 中心； 3 ．流体动力与机电系统国家重点实验室； 4 ．浙江工业大学材料科 学与工程 学院 材料成型及控制工程研究所 摘要介绍 了利 用现有 天然气管道进行掺 氢天然气输送 的安全 问题 ， 总结 了掺 氢 天然气与材 料相容 性 、 泄漏与积聚、 完整性 管理及风 险评估 等方面的研 究现状 ， 讨论 了掺 氢天然 气管道输 送研 究进 一步所 需解决的安全 问题 。 关键词 天 然气管道掺 氢天然气相 容性 泄漏与积聚 完整性管理风 险评估 中图分类号T Q 0 5 5 ． 8 1 文献标识码 A 文章编号0 2 5 4 - 6 0 9 4 2 0 1 6 0 1 - 0 0 0 1 - 0 7 化石能源的枯竭和环境问题的 日益加剧迫使 人们不断加大对新能源的开发和利用。风能因资 源丰富、 清洁无污染而受到青睐， 但 由于其具有波 动性及随机性等特点 ， 大规模风 电利用时存在严 重的弃风限电问题。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 H C N G ， 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 ， 或者将氢与天然气分离后分别单独使用。因此 ， 该方式也被认为是实现氢较低成本远距离输送的 方法。然而由于氢气对金属材料的劣化作用及其 较宽的燃烧极限和更快 的燃烧速率 ， 加之天然气 管道输送本身具有危 险性 ， 利用现有天然气管道 输送掺氢天然气的安全性问题亟待解决。 迄今 为止 ， 欧盟 的 N a t u r a l H y项 目、 荷 兰 的 V G 2项 目、 德国的 D V G W 项 目以及美 国能源部实 施的氢能管道研究发展工程等均研究了掺氢天然 气管道输送的安全问题。研究主要从掺氢天然气 与材料相容性 、 泄漏与积聚、 燃烧与爆炸、 完整性 管理和风险评估 5个方面开展。笔者介绍了天然 气管道输送系统和利用其进行掺氢天然气输送的 安全 性研究 进 展 。 1 掺氢天然气管道输送系统 典型的天然气管道输送系统如图 1 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 。 集气管道 输送管道 配送 配送 干线管道民用管道 图 1 天然 气管道 输送 系统 天然气的主要成分是甲烷 ， 还含有少量乙烷、 丁 烷 、 戊 烷 、 二 氧化 碳 、 一 氧 化 碳及 硫 化 氢 等 。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， 在研究掺人氢气的影响时 ， 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。 } 中央高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 资 助 项 目 2 0 1 5 F Z A 4 0 2 1 ， 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 2 0 1 5 C B 0 5 7 6 0 1 ， 国家 自然科学基金 资助项 目 5 1 2 0 6 1 4 5 。 { } 赵永志， 男， 1 9 7 7年 6月生， 副教授。浙江省杭州市， 3 1 0 0 2 7 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 化工 机 械 2 0 1 6年 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 4～1 2 MP a ， 有些达到 1 4 MP a ， 我国西气东输 三线输送压力达 到 1 2 MP a ， 使用强度等 级较高 的钢材 ， 如 X 5 2 、 X 5 6 、 X 6 0 、 X 6 5 、 X 7 0及 X 8 0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 1 MP a ， 小部分达到 3 MP a 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 。使 用 的钢通 常是 低强 度 钢⋯ ， 如 A P I 5 L A、 A P I 5 L B、 X 4 2和 X 4 6 ； 使用的非金属材 料有聚 乙烯 P E 6 3 、 P E 8 0 、 P E 1 0 0 、 聚氯 乙烯 P V C 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。 2 掺氢天然气管道输送安全 2 ． 1 相 容性 金属材料在氢环境下有可能发生氢脆 问题 ， 引起系统构件失效 ， 甚至导致重大事故。因此 ， 必 须研究掺氢天然气与管网材料的相容性。 2 ． 1 ． 1 掺氢天然气与配送管道 的相容性 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 1 MP a 。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 ， 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 j 。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 。 2 ． 1 ． 2 掺氢天然气与输送管道的相容性 高压输送管道用钢 ， 因其在操作压 力下会产 生较高的应力 ， 且其钢材强度较高易发生氢脆 的 特点故而成为研究 的重点。总体一 L， 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 A P I 5 L X 5 2和 A S T M A 1 0 6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 氢气对 X 5 2 、 X 6 0、 X 6 5 、 X 7 0 、 X 8 0 、 X 1 0 0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 ． 5 MP a氢气 中进 行 的 试 验表 明 x1 o 0断 面 收 缩率 由 7 5 ％ 降低 到 3 0 ％ 左右 ， 而 X 6 0 、 X 7 0、 X 8 0的断面收缩率 由 7 0 ％ ～9 0 ％下 降到 3 0 ％ ～ 6 0 ％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 X 5 2 、 X 7 0 、 X 1 0 0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 。此外 ， 掺人氢会加速裂纹扩展 ， 降低 门槛 循环应力强度因子 A K ， 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 1 Hz ， 应力 循 环特 性 系数 0 ． 5时 ， 不 同压力 1 ． 7～ 2 1 ． 0 MP a 氢气环境下 ， X1 0 0 、 X 5 2的疲 劳裂纹扩 展速率均提高了一到两个数量级 ； 而在 2 1 MP a 氢气环境下 ， X 8 0 、 X 6 0的疲劳扩展速率提高了约 2 0倍 应 力强 度 因子 A K1 2 MP a m 。 川 。 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 ． 7 MP a 1 0 M P a管网掺入 1 7 ％氢气时， 其分压 达到 1 ． 7 M P a 的氢气也会使 疲劳裂纹扩展 速率 增 加一 到 两 个 数 量 级 ⋯ 。笔 者 所 在 团 队研 究 丫 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 3卷第 1期 化 工 机 械 3 掺氢 比例为 5 ％ 、 1 0 ％ 的氢与 二氧化碳 混合 气体 对 X 8 0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 。 2 ． 1 ． 3掺氢天然气与其他设备的相容性 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 。 2 ． 2泄漏 与 积聚 管道 输 送过 程 中掺氢 天然气 的泄 漏 是一种 连 续泄漏 ， 通常会产生气体积聚的现象 ， 可引起窒息 危险 ， 遇 明火容易发生燃爆。故需对气体 的泄漏 与积聚进行研究 。泄漏可 以分两种情况 一种是 渗漏 ， 主要发生在管道壁面和接触密封处 ， 渗漏速 度 较 慢 ； 另 一种 是意 外情 况下 的泄 漏 ， 主要是 由 自 然 灾 害及操 作 问题 等引起 的泄 漏 ， 泄漏 速度 较快 。 2 ． 2 ． 1 渗漏 与积 聚 正常工况下 ， 渗漏主要发生在配送管网， 以从 非金属材料中渗透的渗漏为主。渗漏气体的大部 分是通过管道壁面渗透 。由于氢较天然气中的其 他分子体积更小 ， 所 以对管网中渗漏 问题 的研究 显得非常重要。相对于甲烷 ， 氢在管道 中不存在 扩散潜伏期 。在天然气管道系统使用的典型管道 材料中， 氢气的渗漏速率一般 比甲烷快 45倍 ， 且随着管道压力的增加氢气和甲烷渗漏 的速率都 会增加 。另外 ， 在接触密封处也存在着气体 渗漏问题。天然气配送系统大多使用弹性体材料 密封 ， 相对于天然气 ， 它对氢气的渗漏速率更高 。 管道中绝大多数非金属材料对氢气的渗漏速率可 在美 国燃气 协会 A G A 、 欧 洲工业气 体协会 E I G A 及 国际能源署 I E A 等提供 的文献 中 查询。对比表明， 天然橡胶和丁苯橡胶对氢的密 封能力相对于其他弹性体材料较差 ， 其渗漏速率 分别是在 H D P E中的 2 6 、 2 1倍。在钢和球磨铸铁 中的渗漏主要是通过螺纹或机械接头 。美国燃气 技术研究院 G a s T e c h n o l o g y I n s t i t u t e ， G T I 开展渗 漏测试表明， 接头处氢 的体积渗漏 速率 比天然气 高 3倍 。 理论计算表明， 若有 2 0 ％氢添加到天然气管 道系统中， 气体渗漏损失几乎是系统只输送天然 气时的两倍 ， 但 从 经 济 性 角 度考 虑 ， 其 影 响 较 小” 。一些项 目试 验测量 了一 定掺氢 比例 的混 合气体的泄漏速率 。相比之下 ， 实际测得 的混 合气体渗漏速率较 理论计算速 率更低 。针 对 荷兰供气管网 ， 在掺入 1 7 ％ 的氢气后 ， 其每年渗 漏损 失 的总量 预计 可 达 2 6 O 0 0 m ， 约 占输 送 氢 气 总 量 的 0 ． 0 0 0 5 ％ 。 目前 ， 针对渗漏现象的研究较多， 而对渗漏后 气体积聚行为的研究鲜有成果发表 。而在含有众 多密封接头的狭小空间内， 由于氢渗漏速率较高 ， 随着时间的推移渗漏气体的积累可能会带来安全 问题 。 2 ． 2 ． 2意外泄漏与扩散 意外情况下气体泄漏速度较快 ， 且 由于管道 的操作压力及泄漏 口大小等的不 同， 泄漏情况较 为复杂。 掺氢天然气泄漏后的气体积聚行为在本质上 类似天然气， 它受到泄漏速率、 泄漏位置及泄漏空 间的状况等因素的影响。通过试验研究在民用房 屋内掺氢天然气的泄漏积聚行 为 ， 结果表明 同样 的泄漏压力下 ， 掺氢会增加气体的泄漏速率； 相对于天然气 ， 高达 5 0 ％掺氢 比例的气体只产生 略高的气体 积聚浓度 ， 但 当掺氢 比例 大于 5 0 ％ 时 ， 气体积聚浓度会显著增加 ， 尤其是掺氢 比例增 加超过 7 0 ％时更甚。泄漏存在浓度分层现象 ； 但 在泄漏停止后 ， 随着 时间的延 长， 分层现象会减 弱。针对研究情况均未发现氢气与天然气的分离 现象 。 。 然而， 所研究的情况针对的泄漏速率较低 ， 主 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 化工机械 2 0 1 6钲 要是针对 民居房 内的气体泄漏 ， 对配送干线管道 的泄漏则缺少研究 ， 而该问题亦会导致严重的危 险 。此外 ， 尚缺少对掺氢天然气意外泄漏后障碍 物 、 空间拥堵 程度对气体浓度分布影响 的研究。 该研究对于后期检测及通风操作等安全工作具有 指 导意 义 。 2 ． 3 燃烧与爆炸 掺人的氢气增加了火焰速度 ， 进而可能导致 剧烈的燃烧甚至发生爆炸。危险发生的形式主要 有完全受限空间、 部分受 限空间和开放空间的燃 烧爆炸和管道快速泄漏产生的高速喷射火焰 。 2 ． 3 ． 1 完全受限空间 可燃气体在完全受限空间中积聚后容易发生 爆炸 ， 产生大的超压 ， 带来巨大危险。在完全受限 空间中掺氢天然气 的爆 炸形 态受到诸多 因素影 响 。只有 当掺氢 比例高于 5 0 ％时 ， 掺 入的 氢气对最大升压速率和层流燃烧速率的提高才是 明显的 。在 5 L 、 6 4 m 空 间中的模拟结果表明 爆炸产生的最高压力随着氢的加入出现略微的减 少 ， 升压速率、 燃烧火焰速度均随着氢在燃料中的 比例的增加而不断提高 。在 9 0 。 弯管中试验表 明弯管位置是管道风险最大的部分 ， 氢 的加入使 气体具有更高的爆炸可能性 。 2 ． 3 ． 2部分受限空间 一 些爆燃 发生在开有通风 口的部分受 限空 间。为此 ， Ma Q等数值模拟了部分受限空间内不 同比例掺氢天然气爆 炸问题 。相 比于完全 受 限空间， 爆燃 的压力会有很大降低 ， 升压速率会小 很多 ， 而火焰速度则会有所提高。随着氢的加入 ， 最高压力 、 升压速率与燃烧速率均会提高。通 风 增加了危险距离 ， 诱发二次火伤害， 但减低了冲击 波的危险。L o w e s mi t h B J 等研究表 明 掺入 2 0 ％ 氢未显著增加爆炸危险， 掺入 5 0 ％氢会导致超压 增加， 从而导致风险和损伤的程度加大 ， 而增加空 间拥堵程度会增加最高压力和升压速率 ， 增加危 险程度 。模拟研究表明当掺氢浓度超 过 4 5 ％ 时 ， 存在爆燃转变为爆轰的危险 。 2 ． 3 ． 3开放 空 间 在开放空间的燃烧爆炸试验研究表 明 低 于 2 5 ％ 比例氢的混合气体对最大超压的影 响很小 ， 甚至会低 于 甲烷 单独 所 产生 的超压 。L o w e - s m i t h B J 等研究表明 当初始火焰速度较低时 ， 掺 氢小于 3 0 ％时的行 为类似于 甲烷 。当氢的 比 例超过 4 0 ％或更高时， 会产生较大超压和爆燃爆 轰转变 D D T 风险； 而在初始火焰速度较高的情 况下 ， 当含有 2 0 ％ 的氢就会产生 明显的超压 ， 并 在 2 0 ％以上时， 存在 D D T风险。可见， 增加初始 火焰速度会增加掺氢带来的危险。 2 ． 3 ． g高速喷射火焰 针对掺氢天然气泄漏发生高速喷射火焰 的试 验研究表明 掺氢天然气 掺氢 比例 2 4 ％ ， 6 MP a 高速燃烧的辐射场与天然气总体上 区别较小 ， 相 比于天然气 ， 掺氢天然气的火焰较短 ， 对于被吞没 物体的热载荷较高 。而掺氢天然气降压更快 ， 总体能量也较少 ， 因而 ， 当操作在同一压力 ， 与天 然气相比， 风险降低。L o w e s m i t h B J和 Ha n k i n s o n G试验研究了地下管道断裂的掺氢天然气 掺氢 比例 2 2 ％， 7 MP a 喷射火焰特性 ， 结果 表明掺入 氢气并未导致危 险增 加[ 3 2 J 。S t u d e r E等进 行 了 试验和数值研究 ， 验证了建立 的模型预测掺氢天 然气喷射火焰的可行性 ， 通过此模型可预测管道 喷射火的火焰长度 、 爆燃速度和辐射通量 。 以上对于泄爆的研究均是通过预先混合气体 进行 ， 不能完全反映真实气体的泄漏 、 扩散及混合 等行为。而氢气的掺入会使点火能量 降低 、 泄漏 速率加快 、 可燃范围增大 ， 增加危险。在高速喷射 火研究方面， 对于障碍物与喷射火焰的相互作用 尚未被研究。开展这些研究对安全距离 的确认和 危险预防控制极为重要。 2 ． 4完整性管理 管道的安全运行离不开完整性管理 。现有的 完整性管理基于输送天然气管道的操作条件。加 入氢气改变管道的使用环境、 影响裂纹扩展速率 和现有缺陷引起 的失效模式。因此 ， 完整性管理 准则也将发生变化。 2 ． 4 ． 1 临界 裂纹尺 寸 初始允许 裂纹尺寸可 以通 过给定 的设 计寿 命 ， 基 于相 应 环境 下裂 纹 扩 展 速率 进 行 计 算。 N a t u r a l H y 研究表 明 氢会对初试允许裂纹尺寸产 生 明显 影 响 。而 该 影 响 与 掺 氢 比例 及 管 道 压 力等有关 ， 尚需基础的相容性数据。 2 ． 4 ． 2检测 方式 N a t u r a l H y 研 究 了现 有 的检 测 工 具 用 于 掺 氢 天然气输送管道中的缺陷检测 的能力。改善后的 管道检测工具可以用来检测输送掺氢天然气 的管 道缺陷。而检测的时间间隔由不 同的掺氢浓度 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 3卷第 1 期 化工机械 5 载荷 、 管道的几何结构 、 基于中期检测的缺陷和失 效可能性的计算结果确定。研究表明掺人 的氢气 使检测间隔缩短， 特别是对于高浓度的氢气 。 2． 4 ． 3 修复方式 N a t u r a l H y 对 C l o c k S p r i n g修复、 金属套管 和 堆焊 3种 目前应用 的修复程序进行了研究 ， 以确 定其是否可 以用于氢气服务下的管道修复⋯ ， 研 究结果显示可行 。 现有管理措施经过完善后可以用于掺氢天然 气完整性管理 ， 这为掺氢天然气 的管道输送提供 了有力的支撑。N a t u r a l H y项 目研发 了一套工具 用以进行完整性管理 ， 此外 ， 该项 目开发了一套用 于评估不同完整性管理情况下管道失效可能性的 软件 。然而 ， 现有文献 中尚无掺氢比例对缺陷 检测效果 和修复效果 的具 体影响程度 的研究成 果 ， 尚待进一步研究。 2 ． 5风险评估 影响安全的因素多种多样 ， 最终产生危险的 形式亦有多种， 其发生 的可能性和后果 的严重程 度亦会 因输送介质 、 管道类型 、 操作条件 、 所处位 置状况 的不 同而 变 化 ， 故 很 难 给 出统 一 结 论。 G T I 、 N a t u r a l H y 、 I E A采用定量风险评估研究掺氢 对天然气输送系统风险的影响。 N a t u r a l H y 项 目研究表明 掺入高达 5 0 ％的氢 后 ， 在使用适当的完整性管理系统时 ， 管道发生故 障的概率与仅输送天然气时相 比保持不变 ， 然而 点火概率会增高。氢的加入会增加靠近管道处的 危险程度 ， 但会减少危 险区域 的范围 。G T I 基 于 N a t u r a l H y获得的数据等结果 ， 利用美国地区对 配送管道失效的统计数据定量评估 了配送管道输 送不 同比例的掺氢天然 气 的风 险 ， 结果表 明， 掺氢会使天然气配送管网的整体风险增加 。掺入 5 0 ％氢 时， 风险增加 较小 ， 但掺入超过 5 0 ％的氢 就会使风险显著增加。在 I E A报告 中针 对掺氢 天然气进行了风险分析 ， 指出掺入 2 5 ％氢 的混合 气体在 良好 监管情况下不会 增方 Ⅱ 爆炸 引起 的危 险 ”。 必须指出， 各 国管道及其 管理之 间也存在差 异 ， 因此 ， 风险评估需要结合我国管道系统数据进 行具体研究后方能确定。 3总结 与展望 掺氢天然气技术是解决大规模风电消纳问题 的有效途径。笔者 回顾了掺氢天然气管道输送安 全问题 的研究现状 。总结可得以下结论 氢气对 配送管道的影响较小 ， 对输送管道的影响主要是 材料韧性的损失 、 疲劳裂纹扩展速率的增加， 而具 体影响程度需要结合具体状况进行研究 ， 这是影 响掺氢比例的一个重要因素 ； 针对所研究情况 ， 掺 氢会使泄漏、 燃爆的危险增加 ， 且掺氢比例的增加 会增大该影响 ； 经调整后 ， 现有完整性管理工具可 适应氢气引起的临界裂纹尺寸减少及修复工艺要 求高等问题 ； 掺人 的氢气会一定程度上影 响管 网 的总体运行风险 ， 随着掺氢 比例 的增加风 险会不 断增大 ， 而这种影 响随着各 国管 网情况及完整性 管理水平等的不同而存在较大区别 。 现有研究成果尚不能较全面考虑实际情况 。 因此掺氢天然气管道输送的安全掺氢比例尚无法 确定 ， 需继续开展研究。考虑到各国天然气成分、 管道工况、 管道材料存在一定的差别， 需结合我国 实际情况针对掺氢天然气 的安全问题开展研究 ， 如 开展我国管道材料与掺氢 天然气的相 容性试 验 ， 获得特定掺氢 比例下 ， 材料的力学性能 ， 建立 材料力学性能数据库 ； 在借鉴国外泄漏燃烧等研 究成果的基础上 ， 针对我国实际情况 ， 充分考虑掺 氢引起的泄漏速率加快、 可燃范围增大及燃烧速 率加快等影响 ， 全面研究掺氢天然气 的泄漏与燃 烧爆炸问题 ， 弥补现有研究 中的不足 ， 为管道 的安 全管理工作提供依据 ； 依据所建立材料 的性能数 据库 ， 测试现有天然气管道检测工具检测的效果 和修复方式的效果 ， 完善完整性管理工具 ， 建立掺 氢天然气管道输送 的完整性管理 系统 ； 依据材料 性能数据 ， 针对我国具体情况 ， 评估利用现有天然 气管道输送掺氢天然气 的风险， 为掺氢天然气管 道安全输送提供依据。 参 考 文 献 [ 1 ] Me l a i n a M W， A n t o n i a 0， P e n e v M．B l e n d i n g H y d r o g e n i nt o Na t u r a l Ga s Pi p e l i ne Ne t wo r k s A Re v i e w o f K e y I s s u e s T e c h n i c a l R e p o rt[ R] ．C o l o r a d o N a t i o n a l Re ne wa b l e En e r g y La b o r a t o r y， 2 01 3． [ 2 ] P o l m a n E A， d e L a a t J C ， C r o w t h e r M， e t a 1 ．R e d u c t i o n o f CO 2 Emi s s i o n s b y Ad d i n g Hy d r o g e n t o Na t u r a l G a s [ R] ．A p e l d o o m I n t e r n a t i o n a l E n e r g y A g e n c y ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] C a s t a g n e t S ， G r a n d i d i e r J ， C o m y n M， e t a 1 ．E f f e c t o f Lo ng - t e r m Hyd r o g e n Ex p o s ur e o n t he Me c ha n i c a l P r o p e r t i e s o f P o l y me r s Us e d f o r P i p e s a n d T e s t e d i n P r e s s u r i z e d H y d r o g e n[ J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 化工 机械 2 0 1 6年 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] Pr e s s u r e Ve s s e l s a nd Pi pi ng， 2 01 2， 8 9 2 03～2 0 9． Ka ne M C． Pe r me a t i on，S o l ub i l i t y a n d I n t e r a c t i o n o f Hy d r o g e n i n P o l y me r s - An As s e s s me n t o f Ma t e r i a l s f o r H y d r o g e n T r a n s p o r t [ R] ． Wa s h i n g t o n S a v a n n a h R i v e r Na t i o n a l La b o r a t o r y， 2 0 08． Pl as t i c s Pi pe I n s t i t u t e ．Ch e mi c a l Re s i s t a n c e o f Th e r mo p l a s t i c s P i p i n g Ma t e r i a l s[ R] ．Wa s h i n g t o n P l a s t i c s P i p e I ns t i t u t e， 2 00 7． 褚武扬 ， 乔利杰 ， 李金许 ， 等． 氢脆和应力 腐蚀 基 础 部分[ M] ． j E 京 科学 出版社 ， 2 0 1 3 2 2 6～ 2 4 3 ． Ha r di e D ， Cha r l e s E A， Lo p e z A H．Hy d r o g e n Embr i t t l e me n t o f H i g h S t r e n g t h P i p e l i n e S t e e l s [ J ] ． C o r r o s i o n S c i e n c e， 2 0 0 6， 4 8 1 2 4 3 7 8～4 3 8 5． Ba e D， S un g C， Ba ng H ， e t a 1 ．Ef f e c t o f Hi g hl y Pr e s s ur i z e d Hy dr o g e n Ga s Ch a r g i ng o n t he Hy d r o g e n Embr i t t l e me n t o f AP I X7 0 S t e e l 『 J ] ． Me t a l s a n d Ma t e r i a l s I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 1 4 ， 2 0 4 6 5 3 6 5 8 ． Na n ni n g a N E， Le v y Y S， Dr e x hr E S， e t a 1 ． Co mp a r i s o n o f Hy dr o g e n Emb r i t t l e me n t i n Thr e e Pi p e l i ne S t e e l s i n Hi g h Pr e s s ur e Ga s e o us Hy d r o g e n En v i r o n m e n t s [ J ] ． C o r r o s i o n S c i e n c e ， 2 0 1 2 ， 5 9 1 ～ 9 ． Br i o t t e t L， Ba t i s s e R，d e Di ne c hi n G， e t a 1 ．Re c o m me nd a t i o ns o n X8 0 S t e e l for t he De s i gn o f Hy d r o g en G a s T r a n s m i s s i o n P i p e l i n e s [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f H y d r o g e n E n e r g y ， 2 0 1 2 ， 3 7 1 1 9 4 2 3～9 4 3 0 ． S t a l h e i m D， Bo g g e s s T， Ma r c h i C S， e t a 1 ．Mi c r o s t r uc t ur e a n d Me c ha n i c a l Pr o p e r t y P e r f o r ma n c e o f Co m me r c i a l Gr a d e Ap i Pi pe l i ne S t e e l s i n Hi g h Pr e s s u r e G a s e o u s H y d r o g e n [ C] ． 2 0 1 0 8 t h I n t e r n a t i o n a l P i p e l i n e Co nf e r e n c e Vo l ume 2．Ca l g a ry I nt e r n a t i o na l Pe t r o l e um Te c h n o l o g y I n s t i t ut e a nd t h e Pi pe l i n e Di v i s i o n， 2 01 0 5 2953 7． Wa ng R．Ef f e c t s o f Hy d r o g e n o n t h e F r a c t ur e To u g h n e s s o f a X 7 0 P i p e l i n e S t e e l [ J ] ． C o r r o s i o n S c i e n c e ， 2 0 0 9， 5 1 1 2 2 8 0 3～2 8 1 0 ． C a p e l l e J ， Gi l g e rt J ， D my t r a k h I ， e t a 1 ． T h e E f f e c t o f Hy d r o g e n Co nc e nt r a t i o n o n Fr a c t u r e o f Pi pe l i ne S t e e l s i n P r e s e n c e o f a N o t c h [ J ] ． E n g i n e e r i n g F r a c t u r e Me c h a n i c s ， 2 0 1 1 ， 7 8 2 3 6 4～ 3 7 3 ． S l i f k a A J ， Dr e x l e r E S， Na n n i n g a N E， e t a 1 ． F a t i g u e Cr a c k Gr o wt h o f T wo Pi p e l i ne St e e l s i n a Pr es s ur i z e d H y d r o g e n E n v i r o n m e n t [ J ] ． C o r r o s i o n S c i e n c e ， 2 0 1 4 ， 7 8 3 1 3 3 2 1 ． Na nn i ng a N