氢气管道与天然气管道的对比分析
摘要:利用氢气管道是长距离氢能输运最为高效的方式之一，但相较于成熟的天然气管网体系，氢气管道建设量相对较少，近年来将天然气管道改造成氢气管道的方式受到研究人员的广泛关注。从建设现状、规范标准、材料选择、设计制造、事故后果和安全间距等方面，对氢气管道和天然气管道进行了系统的对比分析，为氢气管道的建设和天然气管道改造技术的应用提供一定的参考。
0引言
氢能具有储运便捷、来源多样、洁净环保的突出优点，是21世纪新能源结构中的重要组成部分，许多国家均把发展氢能作为重要的能源战略。氢的输送是氢能利用的重要环节，安全高效的输氢技术是氢能大规模商业化发展的前提。依据氢在输送时所处状态的不同，可分为气态输氢、液态输氢和固态输氢，其中高压气态输氢是现阶段最为成熟的输氢方式。根据氢的输送距离、用氢要求以及用户的分布情况，高压氢气可以通过氢气管道和长管拖车进行输送，对于输送量大且距离较远的场合，利用管道输送是最为高效的方式。
氢气管道可分为长距离输送管道和短距离配送管道。长输管道输氢压力较高，管道直径较大，主要用于制氢单元与氢气站之间的高压氢气的长距离、大规模输送;配送管道输氢压力较低，管道直径较小，主要用于氢气站与各个用户之间的中低压氢气的配送。氢气配送管道建设成本较低，但氢气长输管道建设难度大、成本高，目前氢气长输管道的造价约为63万美元/公里，天然气管道的造价仅为25万美元/公里左右，氢气管道的造价约为天然气管道的2．5倍。
由于氢气长输管道昂贵的建设成本，利用现存天然气管道输送氢气与天然气混合气或将天然气管道改造为氢气管道的技术受到了研究人员广泛的关注。2019年，世界上第一条由天然气管道改造而成的氢气管道已在DowBenelux和Yara之间投入使用。但由于氢气易燃易爆且易造成金属材料脆化的性质，氢气管道与天然气管道存在着一定的差异，掺氢天然气输送技术和天然气管道改造技术的可行性仍需进一步的评估。
本文从建设现状、规范标准、材料选择、设计制造、事故后果和安全间距6个方面，系统介绍氢气管道和天然气管道的区别，为氢气管道的建设、掺氢天然气的输送以及天然气管道的改造提供一定的参考。
1建设现状
截至2017年，欧洲大约有1598公里氢气管道，输氢压力一般为2～10MPa，多采用无缝钢管，管道直径为0．3～1．0m，管道材料主要为X42，X52，X56等低强度管线钢;美国氢气管道总长度约为2575km，多采用埋地布置，输氢压力一般不超过7MPa，管道材料主要采用X52～X80范围内的管线钢，预期使用寿命15～30年。为降低氢气管道的材料成本，美国橡树岭国家实验室(OakＲidgeNationalLaboratory，OＲNL)和萨凡纳河国家实验室(SavannahＲiverNationalLaboratory，SＲNL)开展了高压氢环境下纤维增强聚合物(FＲP)材料的力学性能研究，美国能源部燃料电池技术工作组(FuelCellTechnologiesOffice，FCTO)开展了FＲP材料的标准化工作。2016年，ASMEB31．12将FＲP材料纳入标准，规定其最大服役压力不超过17MPa。
我国氢气管道总里程约400km，主要分布在环渤海湾、长三角等地，位于河南省的济源与洛阳之间的氢气管道是我国目前里程最长、管径最大、压力最高、输送量最大的氢气管道，其管道里程为25km，管道直径508mm，输氢压力4MPa，年输氢量达到10．04万吨。按照《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》预计，到2030年，我国氢气管道将达到3000km。
截至2016年，全球天然气管道总里程约127万公里，主要集中于北美、俄罗斯及中亚、欧洲、亚太地区，其中我国天然气管道总长约为6．7万公里，基本已经形成了贯穿全国、联通海外的天然气输送系统。天然气管道输气压力较高，一般为6～12MPa，近年来随着高强度管线钢的应用，设计压力可达到20MPa，管道直径一般为1．0～1．5m。
相较于天然气管道，目前氢气管道的建设量仍然较少，管道直径和设计压力也均小于天然气管道。世界范围内氢气管道与天然气管道建设现状对比见表1。
表1氢气管道与天然气管道建设现状对比
随着氢能的发展，输氢管道的需求量预计会在未来几十年出现大幅增长。Tzimas等针对氢能未来可能出现的3种不同的发展模式(快速发展、中速发展和慢速发展)，对世界范围内氢气长距离输送管道和短距离配送管道的需求量进行了预估，如表2所示。
表2 2050年世界范围内输氢管道需求量km
2规范标准
随着经济全球化和一体化进程的加快，标准化成为氢能技术实施产业化的重要环节，也成为企业及其相关技术和产品占领全球市场的重要基础性工作，诸多国际标准化组织和国家标准化机构都成立了专门负责氢能领域有关标准化工作的部门，并持续对相关标准的研制进行资助。相关部门主要包括国际氢能技术委员会(International Organization for Standardization/Technica lCommittees197，ISO/TC197)、欧洲工业气体协会(European Industrial GasesAssociation，EIGA)和美国机械工程师学会(AmericanSociety of Mechanical Engineers，ASME)。国际氢能技术委员会ISO/TC197主要负责与氢能有关的生产、储存、运输、检测和使用等方面的标准化工作。我国与ISO/TC197对口的专业标准化技术委员会是全国氢能标准化技术委员会(SAC/TC309)，于2008年6月成立，秘书处承担单位为中国标准化研究院。SAC/TC309主要负责我国氢能生产、储运、应用等领域的标准化工作。
世界范围内氢气管道的相关设计标准主要包括ASMEB31．12—2014《Hydrogen Piping and Pipelines》、CGAG－5．6—2005(2013年修订)《Hydrogen Pipeline Systems》和我国国家标准GB50177—2005《氢气站设计规范》、GB4962—2008《氢气使用安全技术规程》。ASME标准和IGC标准均适用于长距离氢气输送管道和短距离氢气配送管道的设计，但我国已发布的两个标准仅适用于供氢站、车间内氢气短距离配送管道，而可用于氢气长输管道的标准GB/T34542．5《氢气储存输送系统第5部分:氢气输送系统技术要求》正在编制过程中。
现阶段天然气管道输送技术已经形成了较为完善的标准体系。国外天然气管道相关设计标准主要包括ASMEB31．8—2018《Gas Transmissionand Distribution Piping Systems》、CSAZ662—2011《Oiland Gas Pipeline Systems》和ASCEALA—2001《Guidelines for the Design of Buried Steel Pipe》。我国相应的标准规范主要为GB50251—2015《输气管道工程设计规范》，该标准从输气工艺、输气线路、结构设计、加工制造、安全检测、辅助设施等方面对天然气管道建设作出了系统全面的要求。
3材料选择
与天然气环境相比，金属材料长期工作在氢环境下会造成力学性能的劣化，称为环境氢脆。金属材料的高压氢脆性能的主要研究方法是进行氢环境原位试验，即将材料直接置于氢环境中进行试验，试验类型主要包括慢应变速率拉伸试验、断裂韧性试验、裂纹扩展速率试验、疲劳寿命试验和圆盘压力试验等。金属材料氢脆的程度可以依据美国No．NASA8－30744提出的判断氢脆程度的标准进行判断，也可以依据ASTMG142—98(Ｒeapproved2011)标准，将氢脆敏感度试验结果与对照性材料进行对比，以评价材料对氢脆的抵抗力。
世界范围内已有众多学者针对管线钢与高压氢环境的相容性展开了研究。Moro等针对X80管线钢材料，开展了不同压力、应变速率下的拉伸试验，并通过微观观测结果，推论出材料近表面处扩散氢的存在是氢脆发生的主要原因;Briottet等同样针对X80管线钢，系统开展了材料在高压氢环境下的慢应变速率拉伸试验、断裂韧度试验、圆片试验、疲劳裂纹扩展试验和WOL试验，结果表明，氢环境下材料的弹性模量、屈服强度及抗拉强度均未发生明显变化，但材料塑性、断裂韧性显著降低，疲劳裂纹扩展速率明显加快;Hardie等通过电化学充氢的方法，研究了X60，X80和X100管线钢的氢脆敏感度，结果表明，当充氢电流密度达到某一限度时，随着材料强度的增大，材料氢脆的敏感度显著增大，故对埋地管道采用阴极电保护时，应重点关注电流密度。我国浙江大学利用自主研制的高压氢环境耐久性试验装置，对X70，X80材料在氢环境和掺氢天然气环境下的相容性做了系统的评估，并进一步开发出了国产金属材料在高压氢环境下的材料性能数据库。
由于环境氢脆的影响，氢气管道用材在合金元素、钢级、管型、操作压力等方面与天然气管道相比存在一定的限制范围。ASMEB31．8—2018中规定的天然气管道可用材料包括APISPEC5L中所有钢管，但在实际工程中，为减小管道壁厚，一般优先选择高强度钢管，常用管型有直缝埋弧焊管(SAWL)、螺旋缝埋弧焊管(SAWH)、高频电阻焊管(HFW)及无缝钢管(SMLS)。在氢气管道中，由于氢环境的存在会诱导管道发生氢脆，进而有可能引发管道失效，而钢管成型工艺、焊缝质量、缺陷大小、钢材强度等因素都会影响其失效概率，所以ASMEB31．12—2014在APISPEC5L中限定了几种可用于氢气管道的钢材类型，并指明禁止使用炉焊管，标准中规定可用于氢气管道的管线钢材料及最大许用压力如表3所示。
表3 氢气管道可用材料
合金元素如C，Mn，S，P，Cr等会增强低合金钢的氢脆敏感性。同时，氢气压力越高、材料的强度越高，氢脆和氢致开裂现象就越明显，因此，在实际工程中，氢气管道用钢管优先选择低钢级钢管。ASMEB31．12—2014中推荐采用X42，X52钢管，同时规定必须考虑氢脆、低温性能转变、超低温性能转变等问题，所以在应用现有天然气管网设施输送氢气及天然气管道转变为氢气管道时需要重点考虑。
4设计制造
由于氢气会引起管道的氢致失效，所以氢气管道与天然气管道中钢管设计公式不同。氢气管道设计公式中增加一项“材料性能系数”，材料性能系数反映了氢气对金属管道力学性能的不利影响，增加材料性能系数后，管道计算壁厚会相对增大，设计压力会相对降低，这样更有利于保障氢气长输管道的安全性。氢气管道和天然气管道的设计公式如下：
氢气管道设计公式:
天然气管道设计公式:
式中P———设计压力，MPa，规定设计压力不得超过管道试验压力的85%，一般为最大工作压力的1．05～1．10倍;S———最小屈服强度，MPa;t———公称壁厚，mm;D———公称直径，mm;F———设计系数;E———轴向接头系数;T———温度折减系数;Hf———材料性能系数。
不同材料的材料性能系数如表4所示。
表4材料性能系数Hf
ASMEB31．12—2014中规定输氢管道可采用两种不同的设计方法，分别为规范化设计方法(方法A)和基于材料性能的设计方法(方法B)。方法A与天然气管道设计方法基本相同，但氢气管道设计公式中的设计系数F取值较小，目的是为了增加氢气管道的安全性。设计系数F取值见表5。方法B依据ASMEBPVCodeSectionⅧ，Division3中ArticleKD－10的试验要求，规定材料必须开展室温氢环境下材料应力强度因子门槛值Kth的测试试验，要求试验压力不得小于设计压力，当测得的Kth大于等于临界裂纹尺寸存在时的断裂韧度KIA值，且数值不小于50ksi·in1/2时，材料满足要求。方法B设计公式中的设计系数F与天然气管道设计系数基本相同。
表5 设计系数F
焊接是长输管线的重要连接工艺，其热作用会导致接头部位出现严重的组织不均匀和复杂的残余应力，性能与母材相比发生一定的恶化，可能加剧氢致脆化失效的风险。已有学者研究表明，焊接残余应力和组织不均匀性均会导致管线钢中氢扩散的发生，焊接接头区域的氢致裂纹扩展速度明显快于母材区域。鉴于此，氢气管道对于焊前预热和焊后热处理具有更高的要求。
5事故后果
氢气无色无味，与天然气相比密度小，扩散系数大，泄漏后很难发现。若泄漏后被立即点燃会产生喷射火焰，若在受限或半受限空间内泄漏后易发生可燃氢的积聚，延迟点燃后产生氢气云爆炸，甚至引发爆燃爆轰。氢气与天然气的介质特性对比见表6。
表6 氢气与天然气介质特性
埋地管道内氢气、天然气泄漏事故后果具有显著的差异。刘延雷等基于有限体积法，建立了管道内高压氢气及天然气的泄漏扩散模型，考虑了氢气与天然气的管道泄漏事故的不同危险性，通过数值模拟研究得出了管道泄漏后氢气与天然气的不同泄漏扩散特性，结果表明，高压氢气泄漏扩散形成的危险云团较大且集中，扩散最大高度较天然气增加得快，在近地面区氢气泄漏扩散产生的危险后果较天然气小。Wilkening等对比分析了埋地氢气管线与天然气管线发生泄漏事故后泄漏规律的不同，并结合能量的观点，讨论了氢气与天然气泄漏事故中可燃能量与总体化学能比值的差异，结果表明，甲烷可燃能量在总体化学能所占比例为10%～15%，而氢气可燃能在总体化学能所占比例为60%～80%，但大部分的可燃氢气云是远离地面和建筑物的，发生爆炸情形的概率较低。赵博鑫等利用DNVPHAST软件对不同程度的管道泄漏事故进行模拟分析，确定天然气及氢气管道泄漏后的扩散状态及影响范围，得出了燃烧爆炸事故对周围的热辐射影响距离，结果表明，小孔泄漏(10mm孔径)情况下，可燃氢气、天然气沿风向扩散最远距离分别为7．1m和4．2m，氢气、天然气喷射火焰热辐射影响距离分别为9．8m和36．2m;大孔泄漏(50%孔径)情况下，可燃氢气、天然气沿风向扩散最远距离分别为96．7m和218．1m，氢气、天然气喷射火焰热辐射影响距离分别为140．7m和236．9m。虽然已有学者模拟研究了氢气、天然气埋地管道泄漏事故后果，但由于管道内氢气、天然气泄漏速度很高，近似于当地声速，且土壤模型的建立较为复杂，故研究过程中忽略了管道上方覆土对泄漏过程的影响，易造成模拟结果偏大。
6安全间距
关于埋地管道的最小埋地厚度和安全间距，氢气、天然气相关标准ASMEB31．12—2014，ASMEB31．8—2018和GB50251—2015分别做出了不同的要求，其具体要求如表7所示。由于氢气是分子量最小的元素，比天然气更易于泄漏，适当加大埋地厚度，可以有效避免第三方的破坏。
表7 管道最小埋地厚度和安全间距要求
7结论
在建设现状、规范标准、材料选择、设计制造、事故后果和安全间距等方面，对氢气管道和天然气管道做了系统的对比分析，主要结论如下。
(1)相较于天然气管道，氢气管道建设量较少，管道直径和设计压力较低，相关标准体系仍不完善，目前国内仍没有适用于氢气长输管道的设计标准，应重点加强长距离氢气管道输送技术的标准化工作。
(2)由于环境氢脆的影响，氢气管道选材具有更严格的限制，材料需满足高压氢环境相容性试验要求，ASMEB31．12—2014推荐使用X42，X52等低强度管线钢，且规定必须考虑低温性能转变等问题。
(3)为降低管道发生氢致失效的概率，相较于天然气管道，氢气管道设计公式里增加了“材料性能系数”，提高了管道的整体壁厚水平，同时氢气管道对焊前预热和焊后热处理的要求更为严格。
(4)与天然气泄漏相比，管道内高压氢气泄漏形成的危险云团较大且集中，扩散最大高度增加较快，在近地面区产生的危险后果较小，但氢气影响范围区间更广，更易扩散，且达到同样火焰热辐射水平时，氢气的热辐射距离更近，能量相对更强。
(5)氢气管道最小埋地厚度与天然气管道差异较小，但氢气管道与地下其他管道、建筑物之间的最小间距要求明显高于天然气管道，以避免高压氢气泄漏事故发生后引发多米诺效应。
编辑：陈丹 校对：杨东川 审核：杨东川
来源：《压力容器》，浙江大学化工机械研究所，刘自亮，氢云链整理