天然气掺氢20年试验，全球3大权威报告给出了5点结论

2020-06-08 09:53

氢脆与泄露不是拦路虎

许多钢都容易发生氢脆（如图1），即材料接触氢时，在低于屈服强度的持续载荷下发生脆性断裂。氢浓度和操作压力是导致氢脆的最关键因素。而如果是使用低强度钢的管道，其主要的氢损伤是拉伸延性的丧失或起泡，但通常在氢环境下以延性断裂而非灾难性脆性断裂。氢损伤的严重程度在很大程度上取决于氢浓度和操作压力。

在中低压力（290 psig（20 bar））管道系统中，由于管道运行抗拉强度相对于设计强度较低，因此对氢增强裂纹增长的影响要小得多。在全世界范围内，在压力低于290 psig （20 bar）的情况下成功运输纯氢已有很长的历史，在过去的几十年里没有出现操作问题。

资料来源：NREL图1．氢脆过程

对于其他金属管道，包括球墨铸铁、铸铁和锻铁以及铜管道，在天然气运输系统的一般操作条件下，不需要担心氢损伤。关于氢老化对聚乙烯（PE）或聚氯乙烯（PVC）管道材料的影响，也没有大的担忧。大多数用于天然气管道系统的弹性体材料也可与氢相兼容。

安全性综合评估此处根据天然气管道的不同模块，分开讨论HCNG在其中的安全性能。参照美国国家可再生能源实验室技术报告对天然气管道的分类，天然气管道可以分为：收集段线路、主干道传输线路、主支线传输线路和终端服务分配传输线路四大模块（如图2）。各环节所用材料等在不同地区都会有所不同，具体情况还应具体处理。此处给出披露的研究结论作为参考。

资料来源：NREL图2．包含收集线路、输配主干线、分配主线和分配服务线的天然气供应链

在管道的非爆炸安全性质方面，我们引用美国国家实验室披露的关于分配主线和终端分配服务线的结论。此处安全等级被分为“严重”“比较严重”“一般”“较低”“低”“无”六个等级，表3。\

分配系统和输配主干线之间的一个重要区别是相对于人口密集地区的位置。在人口稠密的地区，输气管道中可接受的氢气含量需要来自火灾或爆炸的频率和严重程度更多元的评估。此外，在分配系统中由气体泄漏引起的危害可能比在传输管道中更严重，特别是在封闭的服务区（表4，5）。在氢服务系统下，分配系统的完整性管理可能需要检漏装置或监测装置或传感器。含氢的传输系统的维护费用可能会增加，因为这些系统需要更频繁地检查，可能需要额外的泄漏检测系统。

研究结果表明，随着氢气含量的增加，分配服务线的事故严重程度略高于分配干线。这当中重要的区别来自于：位于应用终端的服务管道通常位于密闭空间中，泄漏气体更容易积聚。

当氢气浓度大于50％时，分配干线和分配服务线的事故总体严重风险都有一个比较大的上升。因此控制氢含量低于50％将有小减小整体风险。

表3．天然气输送系统的危害等级与对应数值