董紹華 李鳳

中國石油大學(xué)（北京）

摘要：氫能源被認為是來(lái)源廣、清潔高效的綠色能源載體，是提高能源保障水平、提升能源使用效率、優(yōu)化能源系統、促進(jìn)能源轉型的理想互聯(lián)媒介。碳達峰、碳中和背景下，氫作為一種清潔可再生能源正在被逐步推廣使用。目前，國內已逐步形成涵蓋氫制備、氫儲存運輸和氫利用的完整氫能產(chǎn)業(yè)鏈，利用天然氣管輸系統混輸氫氣，能實(shí)現氫氣大規模、低成本、長(cháng)距離輸送，但摻氫混輸帶來(lái)了更嚴峻的安全、技術(shù)挑戰。本文圍繞氫能發(fā)展關(guān)鍵環(huán)節與關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題展開(kāi)討論，旨在為我國摻氫管輸工藝及摻氫天然氣管道完整性評價(jià)提供研究思路。

關(guān)鍵詞：氫能；產(chǎn)業(yè)鏈；完整性技術(shù)

氫能零碳，無(wú)二次污染，是當今世界公認的清潔能源，被認為是21世紀最有前途的二次能源，世界發(fā)達國家都在為搶占先機而積極謀劃，大力發(fā)展氫能對保障我國能源供應安全、應對全球氣候變化具有重要意義。

目前，國內的氫能源技術(shù)已有了長(cháng)足的進(jìn)步，但氫能行業(yè)仍處于試驗示范和市場(chǎng)推廣階段，預計到2030年，氫氣產(chǎn)量將達到1000億立方米/年，是國家新一輪新的經(jīng)濟增長(cháng)和新能源發(fā)展戰略的重點(diǎn)。到2050年將實(shí)現10%左右的能源體系占比，市場(chǎng)需求將達到6000×104噸/年，產(chǎn)值將達到10萬(wàn)億元以上，預計將建成1000多個(gè)加氫站，3000公里的氫氣長(cháng)輸管線(xiàn)，實(shí)現交通和工業(yè)領(lǐng)域氫能的推廣，形成涵蓋氫制備、氫儲存運輸和氫利用的完整氫能產(chǎn)業(yè)鏈。

摻氫天然氣管道輸送對促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的意義，但也同時(shí)帶來(lái)了更現實(shí)和嚴峻的安全挑戰。摻氫天然氣泄漏、燃燒和爆炸過(guò)程的機理更為復雜，演化過(guò)程多變，影響因素眾多，相應的缺陷檢測和安全評價(jià)方法不完善，限制了摻氫燃氣輸送技術(shù)的工程應用。本文就氫能發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節與技術(shù)問(wèn)題展開(kāi)討論。

1  氫能產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節

1.1  氫能資源開(kāi)發(fā)環(huán)節

氫氣的制取技術(shù)多種多樣，較為普遍的有煤制氫、天然氣制氫、甲醇裂解制氫和電解水制氫等技術(shù)。煤制氫、天然氣制氫不利于實(shí)現化石能源替代、減少溫室氣體排放，違背了發(fā)展氫能的初衷。而電解水制氫技術(shù)使用安全、易獲取，可再生的水作為原材料，制取副產(chǎn)品僅有純氧，制取的氫氣可達到 99.999%，是氫燃料電池最理想的氫源。如果使用清潔能源所產(chǎn)生的電量進(jìn)行水電解制氫，即可實(shí)現氫能制造環(huán)節的零排放，但該技術(shù)推廣受制于高耗能和高成本問(wèn)題。中國工程院謝和平院士團隊提出海水無(wú)淡化原位直接電解制氫技術(shù)，從原理上跳出了傳統化學(xué)的范疇，通過(guò)蒸汽壓差的物理力學(xué)驅動(dòng)，來(lái)全部隔開(kāi)海水中的90多種復雜元素及微生物對電解水制氫的影響，打破了世界上原本需要依靠純水制氫的傳統模式。通過(guò)取之不盡的海水資源直接制氫，結合海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，未來(lái)將會(huì )改變全球的能源開(kāi)發(fā)的路徑。

1.2  氫能生產(chǎn)環(huán)節

氫能生產(chǎn)環(huán)節包括氫氣提純和氫氣純化技術(shù)，確保氫氣的質(zhì)量和純度達到應用要求。國家在2018年發(fā)布了GB/T 37244―2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車(chē)用燃料氫氣》標準，明確了工業(yè)氫與燃料氫區別，為降低燃料氫價(jià)格提供了標準依據。燃料氫的重點(diǎn)是關(guān)注氫氣雜質(zhì)，只要將有害雜質(zhì)定向脫除即可，不用追求工業(yè)氫氣的純度，可以極大地提高效率，降低氫氣成本。傳統工業(yè)行業(yè)中氫氣一般都經(jīng)過(guò)了變壓吸附（PSA）方式凈化，得到了所謂的工業(yè)氫，但一方面，工業(yè)氫以滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的要求為目標，吸附劑種類(lèi)及用量的選擇和變壓吸附凈化系統的設計要綜合考慮工藝需求指標、投資運行成本，對于雜質(zhì)的脫除不夠全面，對惰性雜質(zhì)N2、O2、CH4限制不嚴格，脫除深度不能滿(mǎn)足燃料電池汽車(chē)用氫的要求。另一方面，工業(yè)行業(yè)中氫氣所含雜質(zhì)種類(lèi)復雜，根據原料氣源的不同，雜質(zhì)含量也有很大區別，特別對于一些弱吸附雜質(zhì)（如N2、Ar、O2、CO），常規變壓吸附無(wú)法很好地脫除。目前最大難點(diǎn)在于如何將工業(yè)氫經(jīng)濟純化，以滿(mǎn)足燃料電池汽車(chē)用氫品質(zhì)的要求。

1.3  氫能儲存與運輸環(huán)節

氫能儲存和運輸包括氫氣儲罐、壓縮、液化和氫氣管道運輸等技術(shù)。通過(guò)建設安全便捷高效的氫氣儲存和運輸系統，滿(mǎn)足氫能的供需需求。高壓氣瓶輸氫、低溫液氫等無(wú)法滿(mǎn)足大規模、低成本輸送的需要，管道輸送是氫能源規�；�利用的必然方向。利用已有的天然氣管道和相應的設施，進(jìn)行摻氫輸送可能是一種理想的方法。研究結果顯示，在氫氣含量較低的條件下，無(wú)需進(jìn)行技術(shù)上的重大調整即可實(shí)現摻氫10%到20%的天然氣輸送。因此，在我國氫氣儲運基礎不完善的情況下，利用天然氣管線(xiàn)摻混氫氣是實(shí)現氫氣高效輸送的有效途徑。

2  摻氫天然氣管道完整性評價(jià)技術(shù)

2.1  氫與材料的相容性

氫與金屬材料方面，天然氣管道摻氫后，在一定條件下氫分子會(huì )解離成氫原子，通過(guò)吸附和滲透進(jìn)入鋼中，一旦天然氣管道中實(shí)施氫氣混合輸送，在壓力和流量的作用下，管道中的氫分子會(huì )解離成氫原子進(jìn)入管道本體及焊縫內部，造成氫致開(kāi)裂、氫鼓泡等問(wèn)題，進(jìn)而降低管材及焊縫的力學(xué)性能。氫與非金屬材料方面，氫氣會(huì )滲透進(jìn)入非金屬材料內部，增加管道泄漏量，且非金屬密封材料在氫環(huán)境中還存在氫鼓泡和吸氫膨脹的問(wèn)題，導致密封材料性能的劣化。氫與管材相容性的試驗研究中，氫環(huán)境模擬方法包括預充氫環(huán)境和臨氫環(huán)境兩大類(lèi)，氣相充氫、電化學(xué)預充氫是實(shí)驗室管道材料力學(xué)性能測試的常用辦法，國內外頒布了多個(gè)基于氣相充氫的氫環(huán)境下材料相容性試驗標準，包括ASTM G142、GB/T 34542.2等。研究結果表明充氫后金屬管材斷裂韌性與氫氣濃度呈線(xiàn)性關(guān)系降低，焊縫熱影響區表現出較低的沖擊性能。氫顯著(zhù)加速了裂紋的擴展速率，使疲勞壽命明顯降低，隨著(zhù)氫分壓的增大，影響程度越顯著(zhù)，且相較于母材對焊縫的影響程度更大。目前，對于氫與金屬材料相容性研究，不同充氫方法模擬得到的試驗結果呈現不同形式的分散性和不重復性，急需開(kāi)展大量相容性試驗，獲得氫損傷力學(xué)性能數據庫，并制定國內外統一的金屬材料摻氫相容性試驗標準。對于氫與非金屬材料相容性研究，缺乏完整的評價(jià)體系，亟待建立非金屬材料與流量因子、滲漏強度的定量關(guān)系。

2.2  輸氫管道的安全問(wèn)題

氫分子比甲烷要小很多，分子直徑是甲烷的75%，容易發(fā)生滲漏和泄漏。即使管線(xiàn)狀態(tài)良好，滲漏仍不可避免，研究表明氫氣在管線(xiàn)接頭處的滲漏速度是天然氣的3倍。對德國天然氣管道進(jìn)行的一項分析表明，摻氫比為17%的天然氣管線(xiàn)滲漏率是原管線(xiàn)的2倍，但由于滲漏量?jì)H占輸量的0.0005%，所以對操作的安全性和經(jīng)濟性沒(méi)有太大的影響。在管道完整性缺失或局部密封失效情況下，氫氣泄漏速度仍快于天然氣，在開(kāi)闊空間形成的危險氣云更集中，上升速度更快，近地面危險后果較小。然而，在民用房屋、管廊等受限空間發(fā)生泄漏時(shí)，很容易出現氫氣積聚并形成爆炸性氣體混合物。摻氫天然氣的安全定量評價(jià)是工程應用的重要前提和保障，亟需建立摻氫天然氣管道失效概率和事故后果的定量模型，鑒于事故數據和實(shí)驗數據的欠缺，未來(lái)通過(guò)機理仿真模型和數據驅動(dòng)模型相結合有助于建立更可靠的風(fēng)險評價(jià)方法。

氫氣燃燒范圍寬。氫氣點(diǎn)火能量低，燃燒濃度范圍為4%～75%，爆炸濃度范圍是18.3%～59.0%。氫氣管道建設的周?chē)�環(huán)境必須保持空曠，管道環(huán)境中，氫氣存在高壓射流下自燃的問(wèn)題，可能引起管道回火爆炸，當氫氣爆炸范圍內遇到障礙物時(shí)，會(huì )產(chǎn)生極高威力的爆炸波。摻氫天然氣泄漏后的氣體積聚行為與天然氣相似，泄漏速度、泄漏位置、泄漏空間狀況等都會(huì )對其產(chǎn)生一定的影響。已有研究表明，當泄漏壓力條件相同時(shí)，氫氣摻入會(huì )使泄漏速率提高，同時(shí)由于泄漏后氫氣的快速擴散，導致達到爆炸極限的氫氣云團主要集中在泄漏口，使泄漏口周?chē)�的危險性增大。在摻氫天然氣泄漏擴散方面，由于氫氣對泄漏和擴散的促進(jìn)效應，使得受限空間內安全風(fēng)險加大，典型用氫環(huán)境的泄漏擴散過(guò)程需要進(jìn)一步的研究，以指導氫傳感器布置和通風(fēng)方案設計等，從而降低事故發(fā)生的風(fēng)險。

氫氣會(huì )更容易發(fā)生積聚，形成一個(gè)大范圍的可燃區域。根據點(diǎn)燃時(shí)間的長(cháng)短，可能發(fā)生射流火、閃火、爆燃爆炸等一系列不同類(lèi)型的事故。目前對純氫泄漏擴散的研究較多，對于摻氫天然氣在受限空間內的泄漏擴散研究仍然不足，由于實(shí)際應用中影響因素復雜，實(shí)驗規模與真實(shí)的事故場(chǎng)景（管廊、隧道、地下停車(chē)庫等）仍存在很大的差距，對大空間內擴散研究缺乏可靠基礎數據。氫氣燃燒和爆炸特性與天然氣也存在明顯不同，更快的燃燒速度和更高的超壓值，可能導致更嚴重的事故后果，目前對摻氫天然氣燃爆特性研究較少，抑爆技術(shù)的研究非常欠缺，摻氫集輸站場(chǎng)的防火堤建設和防火間距設計缺乏依據。

2.3  適用性評價(jià)

天然氣輸送管道閥門(mén)或法蘭連接處的密封結構所采用的非金屬材料一般是天然橡膠、丁苯橡膠等彈性體材料，其主要功能是隔離、阻隔或接通氣流，能有效避免氣體泄漏及其他氣體混合的不安全現象，其實(shí)現密封的關(guān)鍵就是使用了體積不可壓縮的非金屬彈性體材料。然而，氫氣作為分子量最小的氣體，比天然氣更容易滲入非金屬材料，但不同研究結果的滲透速率差異較大，還沒(méi)有統一定量的結論。此外，氫在滲入非金屬密封材料造成泄漏的同時(shí)，還會(huì )使非金屬密封材料性能產(chǎn)生劣化。將現有輸氣管道的密封材料應用到摻氫輸送管道，二者之間的適應性需要進(jìn)一步討論。

輸送氣體壓力的波動(dòng)導致管線(xiàn)鋼承受交變載荷，在氫和交變載荷的共同作用下，裂紋在管線(xiàn)鋼內部萌生并擴展，如不及時(shí)控制將引發(fā)災難性后果。目前關(guān)于摻氫天然氣管道缺陷適用性評價(jià)方法的研究仍處于初級階段，氫氣、環(huán)境及應力耦合作用下的管材微觀(guān)損傷本構研究仍需實(shí)驗數據驗證，摻氫天然氣管道缺陷適用性評價(jià)方法仍需完善。在管道輸氫領(lǐng)域，相比于材料的型號，科學(xué)、合理的測試評價(jià)對于輸氫管材的選擇更加重要。管材研究是現在輸氫管道發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域之一，目前仍在初步階段，有著(zhù)極大的發(fā)展空間，重點(diǎn)有下面8個(gè)方面：①適當的硬度和強度，足夠的斷裂韌性；②嚴格控制管材組織結構，減少夾雜物、偏析等的出現；③合理控制各摻雜元素含量；④降低殘余應力；⑤避免或減少材料冷塑性變形；⑥使用奧氏體不銹鋼、鋁合金等氫脆敏感性低的材料；⑦使用聚乙烯等非金屬材料；⑧使用陶瓷、環(huán)氧樹(shù)脂等管道內涂層。

現在主流的管道無(wú)損檢測技術(shù)器件也會(huì )受到氫脆等的威脅。以?xún)葯z測器件漏磁檢測器為例，T.D.Williamson 公司發(fā)現，向甲烷中僅注入10%氫氣時(shí)，漏磁檢測器的使用就會(huì )產(chǎn)生風(fēng)險；僅僅500 ppm 的氫就會(huì )對磁鐵以及高強度鋼材造成永久性損傷。天然氣管道摻氫后現有的內檢測設備對氫的敏感性狀態(tài)不明，且摻氫后管道所能容許的臨界裂紋尺寸明顯降低，對內檢測器檢測精度和靈敏度提出了更高的要求，目前相關(guān)檢測技術(shù)尤其是裂紋內檢測技術(shù)難以滿(mǎn)足要求，對于其他內檢測器在摻氫天然氣管道中的應用及風(fēng)險也還缺乏研究，專(zhuān)門(mén)應用于輸氫管道的檢測策略及器件值得研究。

作者簡(jiǎn)介：董紹華，1972年生，中國石油大學(xué)（北京）教授，主要從事?lián)綒涔茌敼に�、管道大數據、油氣人工智能與管道完整性方面的研究。聯(lián)系方式：13910929375，shdong@cup.edu.cn。