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氢气管道与天然气管道的对比分析

RonWang3个月前 (01-07)科学研究84

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。

Abstract

Use of hydrogen pipeline is one of the most efficient ways to transport hydrogen in a long distance. However,compared with the mature natural gas pipeline network,the construction of hydrogen pipelines is still relatively small. In recent years,the technology of converting natural gas pipeline into hydrogen pipeline has attracted extensive concern of researchers. The comparative analysis of hydrogen pipeline and natural gas pipeline was conducted in terms of construction status,specifications and standards, material selection,design and manufacture,accident consequences and safety distances,which can provide some references for the construction of hydrogen pipelines and the application of natural gas pipeline transformation technology.

关键词

氢气管道 / 天然气管道 / 规范标准 / 材料选择 / 失效后果

Key words

hydrogen pipeline / natural gas pipeline / regulation and standards / material selection / failure consequences

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［1-2］。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［3-4］。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［4-5］。

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［6-8］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［９-１０］。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Dow Benelux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。

Hydrogen Pipeline

建设现状

截至2017年，欧洲大约有1598公里氢气管道［11］，输氢压力一般为２～１０ＭＰａ，多采用无缝钢管［12］，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［５］，多采用埋地布置，输氢压力一般不超过7Mpa［13］，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（OakRidge National Laboratory ,ORNL）和萨凡纳河国家实验室（SavannahRiver National Laboratory ,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（Fuel Cell Technologyies Office ,FCTO ）开展了ＦＲＰ材料的标准化工作［5,14］。

２０１６年，ASME B31.12[15]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［４］。按照《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》[16]预计，到2030年，我国氢气管道将达到3000ｋｍ。

截至2016年[17]，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[17]。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。

　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［18］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。

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【19-21】，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/Technical Committees 197,ISO/TC197）、欧洲工业气体协会 (Eruopean Industrial Gases Association,EIGA)和美国机械工程师学会(American Socitety of Mechanical Engieers 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［22］。 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ASME B31.12-2014《Hydrogen Piping and Pipelines》［15］、CGSG-5.6-2005(2013年修订）《Hydrogen Pipeline Systems》［23］和我国国家标准 GB50177-2005《氢气站设计规范》［24］、GB4962-2008《氢气使用安全技术规程》［25］。 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》［26］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ASME 31.8-2018《Gas Trasnmission and Distribution Pipeling Systems》［27］、CSAZ662-2011《Oilland Gas Pipe line Systems》［28］和ASCEALA-2001《Guidelines for the Design of Buried SteelPipe》［29］。我国相应的标准规范主要为GB50521-2015《输气管道工程设计规范》［30］，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。

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［31］，也可以依据ASTMG 142-98（Reapproved 2011）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［32］。

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［33］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［34］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［35］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［36-37］，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［３８］，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［39］。

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。ASME31.8-2018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（SAEL）、螺旋缝埋弧焊管（SAWH）、高频电阻焊管（HFW）及无缝钢管（SMLS）［40］。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［41-42］，所以ASMEB31.12-2014在API SPEC5L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。

合金元素如C,Mn，S，P，Cr等会增强低合金钢的氢脆敏感性［４３］。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［37,44］，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［６］。

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