天然气掺氢输送与应用安全性研究综述
1 概述
氢气是清洁、高效、零碳的能源载体，具有清洁、高效、可持续的优点，可在供热、交通、工业以及发电等多领域发挥燃料、原料用途。为消纳可再生能源发电过程中产生的剩余电力，可将其用于制氢，并通过现有天然气管网混合输送到下游市场。这是应对目前化石能源危机，作为过渡阶段向氢转型的有效途径。由于氢气与天然气性质差别大，利用现有的天然气输配设施及终端应用设施输送、利用含较高比例氢气的天然气，会带来一系列的适应性问题，增加运输过程的风险，天然气管网掺氢输送的安全性问题有待解决。本文概述了天然气输配系统和终端应用掺氢的安全性，以及目前的相关研究进展。
2 对既有输配系统的影响
2.1 掺氢对管道材料性能的影响
2.1.1 nylon footjob掺氢对钢质管道氢脆的影响长喜英语
氢脆是指溶于钢中的氢聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小裂纹的现象。氢脆是一种长期效应，金属材料长期处于氢环境下，材料的机械性能会下降，从而对氢气储存和输送系统的性能产生巨大影响。影响氢脆的因素有很多，包括氢气浓度、环境压力和温度、暴露时间、应力状态、机械性能、微观结构、表面条件和材料裂纹性质等。向天然气管道中掺入氢气的情况比较复杂，输送管道输气压力较高（约4~12 MPa，有些达到14 MPa），使用的钢材强度等级也较高（boobyX52、X56、stingingX60、X65、X70、X80等）。输配管道运行压力通常小于1 MPa，少部分也高达4 MPa，使用的钢通常以低强度钢（API 5LA、API 5LB、X42和X46）为主，非金属材料以聚乙烯（PE80、PE100）为主，因此需分别进行研究。 氢气对管线力学性能和断裂性能的影响可以通过各种力学实验，即拉伸实验、断裂韧度和疲劳裂纹扩展来定量测量，也可建立模型进行数值模拟，把模拟数据与实验结果相比较，通过相关风险评估图像进行定性分析。对于临氢管材失效问题的研究有很多。 Hafsi等人基于COMSOL多物理软件，研究了在单管中流动的纯天然气和运输氢气天然气混合物的单环网络中的材料性能，对X52管材的许用应力进行了比较，表明氢气体积分数接近30%依然是可接受的，不会使管道遭受失效风险。Nguyen如何保养眼部肌肤等人在10 MPa、氢气体积分数100%和氢气体积分数1%环境中对X70管线钢进行力学性能实验，实
验表明10 MPa、氢气体积分数100%环境中，X70管线钢的力学性能显著降低。长期暴露于10 MPa、氢气体积分数1%环境中X70管线钢的力学性能没有受到影响。Meng海上钢琴师高清下载等人根据美国材料与试验协会标准，对X80管线钢在氢气体积分数为0、5.0%、10.0%、20.0%和50.0%的混合气体中的力学性能进行了试验，试验表明X80管线钢在天然气/氢气混合物中易发生氢脆，氢脆敏感性随氢气体积分数的增大而增大，氢脆敏感性还取决于热轧引起的织构组织，加氢使X80钢管的疲劳寿命显著降低。 Witkowski等人研究了内径分别为0.15 m和1 m的管道在ivy是什么意思H2与CH4体积分数比分别为：10/90、25/75、50/50的情况下，管道的最大安全运输距离，研究表明内径为0.15 m雪绒花英文歌词、工作输送距离为10 000 m管道的最大安全传输距离为15 320 mnorthkorea，内径为1.0 m、工作输送距离为100 000 m管道的最大安全传输距离为130 146 m。 Liu等人提出一种CFD模型，评价PR、AGA8、GERG-2008共3种状态方程对天然气掺氢管道减压波速预测的可靠性。3种状态方程的热力学轨迹（减压路径）基本一致，其中基于GERG-2008状态方程的预测结果与实验数据吻合得最好。这将有助于管道的材料设计，以确保裂缝一旦扩展就会被发现。Haeldonckx等人在10 MPa管网中掺入体积分数17%的氢气，发现钢管疲劳裂纹扩展速率会增加1~2个数量级。 诸多研究表明，对于所处压力较低、具有较低应力的天然气配送管道，发生氢损伤的风险较低，Castagnet等人研究
了氢对PE管道的影响，结果表明，氢气对PE管拉伸行为和微观结构变化的影响都不明显。对于球墨铸铁、铜及非金属配送管网，在天然气配送系统的常规工况下不需要关注氢脆问题。对于高压输送管道，钢管在较高操作压力下会产生较大的应力，且钢材强度较高易发生氢脆，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，使钢的断裂韧性减小，加速裂纹扩展，降低疲劳寿命。由于各国天然气管道情况各不相同，安全掺氢浓度并没有统一标准，现在广泛认为掺入体积分数低于20%的氢不会对天然气管道造成显著影响，掺入体积分数超过50%的氢将会在多个方面带来具有挑战性的问题，包括管道材料、安全装置以及终端设备等。
2.1.2 掺氢对管道渗透泄漏（渗漏）的影响
渗漏主要发生在管道壁面和接触密封处，渗漏速度较慢，渗漏气体大部分是通过管道壁面渗透。 氢在钢管或铸铁管中的渗漏主要发生于螺纹或机械接头处，美国燃气技术研究院（GTI）研究表明，氢气的体积渗漏速率约为天然气的3倍［1汉堡包英语单词］78。正常工况下，渗漏主要发生在配气管网，以机械连接接头以及非金属材料中的渗漏为主。
有研究者根据荷兰管网的实验数据，计算了氢渗漏的总损失，结果显示，当配气系统中加入体积分数17%的氢气时，预计每年损失26×103 m3，损失量只占所输送氢气量的0.000 5%［1］42，因此氢渗透造成的气体损失可以忽略不计，不会造成重大问题。
2.2 掺氢对天然气管道泄漏后果的影响
氢气的密度很小，扩散性强，发生泄漏后更易在土壤中扩散。有实验研究了天然气和氢气在沙土中的泄漏扩散速率，结果表明，相比天然气，氢气在距泄漏口较近和较远两处测点的响应时间都明显缩人，说明氢气具有更强的扩散能力。赵博鑫等人基于PHAST软件模拟了氢气、天然气管道泄漏，结果表明，同一泄漏源，氢气更易扩散，影响范围更广，可燃范围增大，但浓度相对较低。达到同样火焰热辐射水平时，氢气的热辐射强度分布距离更近，辐射能量相对较强。 在燃气管道运输过程中最严重的是与燃气喷射火灾或爆炸相关的风险，掺氢增加了火焰速度，进而可能导致剧烈的燃烧甚至发生爆炸。 Witkowski等人提出了一种事件树来确定此类危险事件发生的概率，该危险事件是管道中气体不可控释放情况下的影响，假设系统正确运行和安全阀关闭的概率为0.99，若保护系统发生故障，氢气将从整个管道中流出，事故的几种发展可能包括：释放的气体可能会立即着火并引发喷射火焰；点火也可能延迟并导致爆炸；气体在大气中扩散，不会产生任何危险。 Middha等人使用FLACS软件对掺氢天然气的火焰传播速度和易燃极限进行了预测，并对私人车库、公共停车场和隧道场景下的气体泄漏爆炸进行模拟。FLACS预测氢气体积分数为8%的甲烷氢气混合物层流燃烧速度比纯甲烷增加10%，氢气体积分数为20%的甲烷氢气混合物层流
燃烧速度比纯甲烷增加30%。爆炸模拟结果显示，除隧道场景以外，其他场景的掺氢天然气爆炸都比纯甲烷强烈得多，模拟结果仅基于对最坏情况的预测。Emami等人研究了90°弯管中甲烷、氢、空气混合物在环境压力和温度下的最大压力、升压速率、火焰速度和温度变化，试验表明弯管是管道风险最大的部位，氢气的加入增加了气体爆炸的可能性。Lowesmith等人对住宅场景掺氢天然气泄漏后果进行模拟，结果显示随着氢含量的增加，气体泄漏速率逐渐加快，但由于氢气扩散速度快，掺氢体积分数达50%时，气体积聚浓度只是略有增加。 不同空间内发生的燃烧或爆炸现象造成的影响有很大不同。完全受限空间内可燃气体积聚后容易发生爆炸，产生较大超压，带来巨大危险。部分受限空间爆燃的压力会有很大降低，升压速率会小很多，然而由于通风口的影响，火焰速度会有所提高。开放空间由于氢气扩散速率很快，氢气体积分数低于30%的混合气产生的超压甚至低于甲烷单独产生的超压。因此对掺氢天然气泄漏后果的影响不能一概而论，需要结合实际情况具体分析。
