董绍华 李凤

中国石油大学（北京）

摘要：氢能源被认为是来源广、清洁高效的绿色能源载体，是提高能源保障水平、提升能源使用效率、优化能源系统、促进能源转型的理想互联媒介。碳达峰、碳中和背景下，氢作为一种清洁可再生能源正在被逐步推广使用。目前，国内已逐步形成涵盖氢制备、氢储存运输和氢利用的完整氢能产业链，利用天然气管输系统混输氢气，能实现氢气大规模、低成本、长距离输送，但掺氢混输带来了更严峻的安全、技术挑战。本文围绕氢能发展关键环节与关键技术问题展开讨论，旨在为我国掺氢管输工艺及掺氢天然气管道完整性评价提供研究思路。

关键词：氢能；产业链；完整性技术

氢能零碳，无二次污染，是当今世界公认的清洁能源，被认为是21世纪最有前途的二次能源，世界发达国家都在为抢占先机而积极谋划，大力发展氢能对保障我国能源供应安全、应对全球气候变化具有重要意义。

目前，国内的氢能源技术已有了长足的进步，但氢能行业仍处于试验示范和市场推广阶段，预计到2030年，氢气产量将达到1000亿立方米/年，是国家新一轮新的经济增长和新能源发展战略的重点。到2050年将实现10%左右的能源体系占比，市场需求将达到6000×104吨/年，产值将达到10万亿元以上，预计将建成1000多个加氢站，3000公里的氢气长输管线，实现交通和工业领域氢能的推广，形成涵盖氢制备、氢储存运输和氢利用的完整氢能产业链。

掺氢天然气管道输送对促进氢能产业发展具有重要的意义，但也同时带来了更现实和严峻的安全挑战。掺氢天然气泄漏、燃烧和爆炸过程的机理更为复杂，演化过程多变，影响因素众多，相应的缺陷检测和安全评价方法不完善，限制了掺氢燃气输送技术的工程应用。本文就氢能发展的关键环节与技术问题展开讨论。

1  氢能产业链关键环节

1.1  氢能资源开发环节

氢气的制取技术多种多样，较为普遍的有煤制氢、天然气制氢、甲醇裂解制氢和电解水制氢等技术。煤制氢、天然气制氢不利于实现化石能源替代、减少温室气体排放，违背了发展氢能的初衷。而电解水制氢技术使用安全、易获取，可再生的水作为原材料，制取副产品仅有纯氧，制取的氢气可达到 99.999%，是氢燃料电池最理想的氢源。如果使用清洁能源所产生的电量进行水电解制氢，即可实现氢能制造环节的零排放，但该技术推广受制于高耗能和高成本问题。中国工程院谢和平院士团队提出海水无淡化原位直接电解制氢技术，从原理上跳出了传统化学的范畴，通过蒸汽压差的物理力学驱动，来全部隔开海水中的90多种复杂元素及微生物对电解水制氢的影响，打破了世界上原本需要依靠纯水制氢的传统模式。通过取之不尽的海水资源直接制氢，结合海上风力发电技术，未来将会改变全球的能源开发的路径。

1.2  氢能生产环节

氢能生产环节包括氢气提纯和氢气纯化技术，确保氢气的质量和纯度达到应用要求。国家在2018年发布了GB/T 37244―2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》标准，明确了工业氢与燃料氢区别，为降低燃料氢价格提供了标准依据。燃料氢的重点是关注氢气杂质，只要将有害杂质定向脱除即可，不用追求工业氢气的纯度，可以极大地提高效率，降低氢气成本。传统工业行业中氢气一般都经过了变压吸附（PSA）方式净化，得到了所谓的工业氢，但一方面，工业氢以满足工业生产的要求为目标，吸附剂种类及用量的选择和变压吸附净化系统的设计要综合考虑工艺需求指标、投资运行成本，对于杂质的脱除不够全面，对惰性杂质N2、O2、CH4限制不严格，脱除深度不能满足燃料电池汽车用氢的要求。另一方面，工业行业中氢气所含杂质种类复杂，根据原料气源的不同，杂质含量也有很大区别，特别对于一些弱吸附杂质（如N2、Ar、O2、CO），常规变压吸附无法很好地脱除。目前最大难点在于如何将工业氢经济纯化，以满足燃料电池汽车用氢品质的要求。

1.3  氢能储存与运输环节

氢能储存和运输包括氢气储罐、压缩、液化和氢气管道运输等技术。通过建设安全便捷高效的氢气储存和运输系统，满足氢能的供需需求。高压气瓶输氢、低温液氢等无法满足大规模、低成本输送的需要，管道输送是氢能源规模化利用的必然方向。利用已有的天然气管道和相应的设施，进行掺氢输送可能是一种理想的方法。研究结果显示，在氢气含量较低的条件下，无需进行技术上的重大调整即可实现掺氢10%到20%的天然气输送。因此，在我国氢气储运基础不完善的情况下，利用天然气管线掺混氢气是实现氢气高效输送的有效途径。

2  掺氢天然气管道完整性评价技术

2.1  氢与材料的相容性

氢与金属材料方面，天然气管道掺氢后，在一定条件下氢分子会解离成氢原子，通过吸附和渗透进入钢中，一旦天然气管道中实施氢气混合输送，在压力和流量的作用下，管道中的氢分子会解离成氢原子进入管道本体及焊缝内部，造成氢致开裂、氢鼓泡等问题，进而降低管材及焊缝的力学性能。氢与非金属材料方面，氢气会渗透进入非金属材料内部，增加管道泄漏量，且非金属密封材料在氢环境中还存在氢鼓泡和吸氢膨胀的问题，导致密封材料性能的劣化。氢与管材相容性的试验研究中，氢环境模拟方法包括预充氢环境和临氢环境两大类，气相充氢、电化学预充氢是实验室管道材料力学性能测试的常用办法，国内外颁布了多个基于气相充氢的氢环境下材料相容性试验标准，包括ASTM G142、GB/T 34542.2等。研究结果表明充氢后金属管材断裂韧性与氢气浓度呈线性关系降低，焊缝热影响区表现出较低的冲击性能。氢显著加速了裂纹的扩展速率，使疲劳寿命明显降低，随着氢分压的增大，影响程度越显著，且相较于母材对焊缝的影响程度更大。目前，对于氢与金属材料相容性研究，不同充氢方法模拟得到的试验结果呈现不同形式的分散性和不重复性，急需开展大量相容性试验，获得氢损伤力学性能数据库，并制定国内外统一的金属材料掺氢相容性试验标准。对于氢与非金属材料相容性研究，缺乏完整的评价体系，亟待建立非金属材料与流量因子、渗漏强度的定量关系。

2.2  输氢管道的安全问题

氢分子比甲烷要小很多，分子直径是甲烷的75%，容易发生渗漏和泄漏。即使管线状态良好，渗漏仍不可避免，研究表明氢气在管线接头处的渗漏速度是天然气的3倍。对德国天然气管道进行的一项分析表明，掺氢比为17%的天然气管线渗漏率是原管线的2倍，但由于渗漏量仅占输量的0.0005%，所以对操作的安全性和经济性没有太大的影响。在管道完整性缺失或局部密封失效情况下，氢气泄漏速度仍快于天然气，在开阔空间形成的危险气云更集中，上升速度更快，近地面危险后果较小。然而，在民用房屋、管廊等受限空间发生泄漏时，很容易出现氢气积聚并形成爆炸性气体混合物。掺氢天然气的安全定量评价是工程应用的重要前提和保障，亟需建立掺氢天然气管道失效概率和事故后果的定量模型，鉴于事故数据和实验数据的欠缺，未来通过机理仿真模型和数据驱动模型相结合有助于建立更可靠的风险评价方法。

氢气燃烧范围宽。氢气点火能量低，燃烧浓度范围为4%～75%，爆炸浓度范围是18.3%～59.0%。氢气管道建设的周围环境必须保持空旷，管道环境中，氢气存在高压射流下自燃的问题，可能引起管道回火爆炸，当氢气爆炸范围内遇到障碍物时，会产生极高威力的爆炸波。掺氢天然气泄漏后的气体积聚行为与天然气相似，泄漏速度、泄漏位置、泄漏空间状况等都会对其产生一定的影响。已有研究表明，当泄漏压力条件相同时，氢气掺入会使泄漏速率提高，同时由于泄漏后氢气的快速扩散，导致达到爆炸极限的氢气云团主要集中在泄漏口，使泄漏口周围的危险性增大。在掺氢天然气泄漏扩散方面，由于氢气对泄漏和扩散的促进效应，使得受限空间内安全风险加大，典型用氢环境的泄漏扩散过程需要进一步的研究，以指导氢传感器布置和通风方案设计等，从而降低事故发生的风险。

氢气会更容易发生积聚，形成一个大范围的可燃区域。根据点燃时间的长短，可能发生射流火、闪火、爆燃爆炸等一系列不同类型的事故。目前对纯氢泄漏扩散的研究较多，对于掺氢天然气在受限空间内的泄漏扩散研究仍然不足，由于实际应用中影响因素复杂，实验规模与真实的事故场景（管廊、隧道、地下停车库等）仍存在很大的差距，对大空间内扩散研究缺乏可靠基础数据。氢气燃烧和爆炸特性与天然气也存在明显不同，更快的燃烧速度和更高的超压值，可能导致更严重的事故后果，目前对掺氢天然气燃爆特性研究较少，抑爆技术的研究非常欠缺，掺氢集输站场的防火堤建设和防火间距设计缺乏依据。

2.3  适用性评价

天然气输送管道阀门或法兰连接处的密封结构所采用的非金属材料一般是天然橡胶、丁苯橡胶等弹性体材料，其主要功能是隔离、阻隔或接通气流，能有效避免气体泄漏及其他气体混合的不安全现象，其实现密封的关键就是使用了体积不可压缩的非金属弹性体材料。然而，氢气作为分子量最小的气体，比天然气更容易渗入非金属材料，但不同研究结果的渗透速率差异较大，还没有统一定量的结论。此外，氢在渗入非金属密封材料造成泄漏的同时，还会使非金属密封材料性能产生劣化。将现有输气管道的密封材料应用到掺氢输送管道，二者之间的适应性需要进一步讨论。

输送气体压力的波动导致管线钢承受交变载荷，在氢和交变载荷的共同作用下，裂纹在管线钢内部萌生并扩展，如不及时控制将引发灾难性后果。目前关于掺氢天然气管道缺陷适用性评价方法的研究仍处于初级阶段，氢气、环境及应力耦合作用下的管材微观损伤本构研究仍需实验数据验证，掺氢天然气管道缺陷适用性评价方法仍需完善。在管道输氢领域，相比于材料的型号，科学、合理的测试评价对于输氢管材的选择更加重要。管材研究是现在输氢管道发展的关键领域之一，目前仍在初步阶段，有着极大的发展空间，重点有下面8个方面：①适当的硬度和强度，足够的断裂韧性；②严格控制管材组织结构，减少夹杂物、偏析等的出现；③合理控制各掺杂元素含量；④降低残余应力；⑤避免或减少材料冷塑性变形；⑥使用奥氏体不锈钢、铝合金等氢脆敏感性低的材料；⑦使用聚乙烯等非金属材料；⑧使用陶瓷、环氧树脂等管道内涂层。

现在主流的管道无损检测技术器件也会受到氢脆等的威胁。以内检测器件漏磁检测器为例，T.D.Williamson 公司发现，向甲烷中仅注入10%氢气时，漏磁检测器的使用就会产生风险；仅仅500 ppm 的氢就会对磁铁以及高强度钢材造成永久性损伤。天然气管道掺氢后现有的内检测设备对氢的敏感性状态不明，且掺氢后管道所能容许的临界裂纹尺寸明显降低，对内检测器检测精度和灵敏度提出了更高的要求，目前相关检测技术尤其是裂纹内检测技术难以满足要求，对于其他内检测器在掺氢天然气管道中的应用及风险也还缺乏研究，专门应用于输氢管道的检测策略及器件值得研究。

作者简介：董绍华，1972年生，中国石油大学（北京）教授，主要从事掺氢管输工艺、管道大数据、油气人工智能与管道完整性方面的研究。联系方式：13910929375，shdong@cup.edu.cn。