展望未來，深入的技術研發(fā)、制氫技術的創(chuàng)新、完善的法規(guī)標準建設，對于推動加氫天然氣運輸技術在能源領域發(fā)揮更大作用、促進能源可持續(xù)發(fā)展至關重要。此外，隨著技術的不斷創(chuàng)新突破，預計加氫比例可進一步提高，如到2030年部分地區(qū)加氫比例可提升至30%左右，從而進一步減少碳排放，加速能源結構向清潔低碳轉型。

關鍵字：

摻氫天然氣管道輸送氫脆氫滲透

簡介

隨著全球能源消費不斷攀升，傳統(tǒng)化石能源的有限性日益顯現(xiàn)，環(huán)境問題日益嚴峻突出。在這樣的形勢下，能源轉型已成為刻不容緩的緊迫任務。尋找清潔、高效、可持續(xù)的能源替代品成為全球能源發(fā)展的重要趨勢。溫室氣體排放引發(fā)的氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)和人類社會構成了極其嚴重的威脅。在諸多領域中，能源領域的碳減排尤為重要，對有效應對氣候變化起著關鍵作用。

在能源轉型和應對氣候變化的大背景下，氫能作為清潔、零碳、環(huán)境友好、高能量密度的能源受到廣泛關注。然而氫氣的大規(guī)模運輸極具挑戰(zhàn)性，而摻氫天然氣運輸技術為解決這一難題提供了可能。摻氫天然氣運輸技術充分利用了現(xiàn)有的天然氣基礎設施，大大降低了氫氣應用成本和難度，顯著降低了天然氣燃燒過程中的碳排放。該技術為能源結構優(yōu)化升級提供了新途徑，也為綠色可持續(xù)發(fā)展提供了新途徑。

中國加快發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)。2022年3月23日，國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》，提出建立“1+n”政策體系，明確氫能戰(zhàn)略定位，部署產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點任務。近年來，天然氣摻氫技術研發(fā)受到廣泛關注。在Web of Science上對“摻氫天然氣”或“天然氣摻氫”主題進行近5年的文獻檢索，共檢索到相關論文59篇，且論文數(shù)量逐年增加，研發(fā)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。同時，在國家知識產(chǎn)權局對近5年同主題進行專利檢索，共檢索到相關專利195件，數(shù)量也在不斷增加。這表明加氫天然氣技術的理論研究和實際應用探索都處于快速發(fā)展階段，具有廣闊的發(fā)展前景。然而，盡管能源轉型的迫切需求和氫能應用技術的不斷進步，使得加氫天然氣技術研究受到越來越廣泛的關注并快速推進，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)主要涉及技術標準的制定、規(guī)模化應用的成本控制、公眾對其安全性的接受等

未來隨著研究的深入和技術的不斷創(chuàng)新，天然氣摻氫技術有望在能源領域發(fā)揮更加重要的作用。

國內(nèi)外加氫天然氣輸送技術發(fā)展歷程

在國外，天然氣摻氫輸送技術發(fā)展迅速，許多國家都啟動了相關項目并取得了一定成果，西班牙、英國、美國、德國、比利時、意大利等國均已采取行動。西班牙Nortegas公司啟動了首個天然氣摻氫試點項目，德國公用事業(yè)項目氫摻雜率達到20%[ 5 ]。國際能源署估計，這些在建項目若得以實施，規(guī)模將是現(xiàn)有項目的700倍以上，總摻氫能力將超過200萬t。但該模式存在技術和成本挑戰(zhàn)，且各國管道容納不同比例氫氣的能力也存在差異，歐盟、荷蘭、法國、英國等國際項目均已試驗了不同的氫摻雜比例。

為評估氫氣摻混對現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)的影響，歐盟39個合作伙伴于2004年啟動了NaturalHy項目，提出“綠色氫能”和“氫氣運輸”兩大戰(zhàn)略，加速氫經(jīng)濟轉型，如圖1所示。

（FC，燃料電池）的概念圖。

項目針對加氫天然氣的燃燒特性、管道耐久性、管道能量容量、氣體泄漏造成的能量損失等進行了研究，開發(fā)了管道失效概率評估綜合管理軟件，針對加氫天然氣100%、70%、50%~20%進行了管道斷裂韌性和安全風險相關試驗研究，得出在現(xiàn)有條件下，無需增加測控設備，管道可以安全輸送20%的加氫天然氣，爆炸風險極低。

2023年11月10日，國家管網(wǎng)集團成功組織開展了首次全長摻氫天然氣管道釋放噴射火焰試驗及密閉空間泄漏燃燒試驗。管道采用X65鋼級，直徑為323.9 mm，釋放立管高度為5 m，試驗壓力為12 MPa，最大摻氫比例為30%。這填補了我國長輸天然氣管道摻氫泄放燃燒試驗驗證試驗的空白。同時，該試驗為長輸天然氣管道自主可控摻氫輸送技術奠定了重要基礎。同時，在銀川寧東摻氫天然氣管道示范平臺，397 km長的管道中氫氣比例達到24%，安全穩(wěn)定運行。截至2022年底，全國油氣管道總里程已達18.5萬km。實踐證明，氫氣摻混比例為20%時，可輸送1000多萬噸氫氣，相當于5600多億千瓦時的綠色電力，大大降低了氫氣的成本。2024年，首個城鎮(zhèn)燃氣摻氫綜合實驗平臺在深圳投入運行，標志著氫能應用進入新階段。

中國是全球可再生能源裝機容量最大的國家，預計到2030年，可再生能源制氫裝機規(guī)模將達到1億千瓦，產(chǎn)量接近1億噸；2030年，中國氫能需求量將達到3715萬噸，約占終端能源消費的5%；預計到2050年，氫能將占中國終端能源消費的10%。

摻氫天然氣對管道管材的影響

3.1 氫脆

氫脆是指氫滲入金屬與金屬基體相互作用，導致管道材料韌性降低，甚至發(fā)生脆性斷裂或開裂現(xiàn)象。氫脆的發(fā)生受多種因素影響，包括輸送壓力的高低、氫摻雜比例的大小、管道本身的強度以及管道的運行時間等。

周德等利用氮氣和氫氣模擬氫氣混合氣體，研究了天然氣/氫氣混合氣體對X80管線鋼在12 MPa氫壓下（氫氣體積分數(shù)為1.0、2.2、5.0%）拉伸性能的影響。結果表明，氫摻雜天然氣對合金的拉伸強度和屈服強度影響不大；隨著氫體積分數(shù)的增加，合金的收縮率和斷裂伸長率明顯降低，氫脆敏感性上升。董景南等評價了室溫下L80鋼在不同氫壓下的氫脆敏感性，通過缺口慢應變速率拉伸試驗和斷口形貌分析，研究了3～12 MPa氫壓下L80鋼的氫脆敏感性。結果表明：當氫壓低于5 MPa時，L80鋼在室溫下無明顯脆性，當氫壓高于8 MPa時，出現(xiàn)明顯脆性；在3~12 MPa氫壓下，L80鋼拉伸試樣主截面中心處組織形貌由韌窩形貌轉變?yōu)轫g窩與解理形貌并存，同時邊緣處組織形貌逐漸由韌窩形貌轉變?yōu)榻饫硇蚊玻孛媸湛s率變化率由16.19%逐漸增大至46.79%；隨著氫壓的增加，L80鋼塑性損失增大，斷口表現(xiàn)出明顯的脆性特征，氫脆敏感性逐漸增大。

許多學者研究發(fā)現(xiàn)，隨著氫分壓的升高，斷裂韌性比逐漸降低，這意味著氫引發(fā)延性裂紋所需的能量明顯降低，較高的氫分壓導致更多的氫原子進入材料中，使材料在加載過程中更容易開裂。

目前氫脆的發(fā)生機理尚不明確，但可以采取一系列措施減少其帶來的危害，如降低運行壓力或氫氣摻入比例、新管道設計時留有足夠的安全裕度、定期檢測、及時更換關鍵部件等。在摻氫天然氣輸送過程中，需嚴格控制氫摻雜比例、優(yōu)化處理工藝，確保管道設施安全運行。值得注意的是，隨著管線等級的提高，發(fā)生氫脆的可能性不斷增大，X80和X70比X60更容易發(fā)生氫致開裂。且多數(shù)研究者認為，高強度鋼比低強度鋼更容易發(fā)生氫致失效。

3.2 氫滲透

氫滲透行為是指特定條件下氫氣滲透材料整個過程及其呈現(xiàn)的具體表現(xiàn)形式。目前，氫氣管道運行中氫滲透行為的機理及其環(huán)境條件的影響尚未明確，滲透行為對管道材料力學性能的影響機理尚不清楚。氫滲透行為是當代氫氣儲運等關鍵領域的研究熱點，因為其可能造成氫氣泄漏，進而影響系統(tǒng)的安全性和運行效率。氫滲透行為受多種因素的影響，包括材料本身的性質(zhì)（如晶體結構、化學成分和微觀結構）、環(huán)境條件（如溫度、壓力和氫濃度）以及材料表面的狀態(tài)（如粗糙度、氧化和涂層），這些都對氫滲透行為有顯著的影響。

李等通過慢應變速率拉伸試驗、氫滲透試驗和表面形貌分析研究了X100管線鋼的應力腐蝕開裂行為，發(fā)現(xiàn)隨著陰極電位的下降，試樣的氫滲透電流和應力腐蝕敏感性上升，陰極電位的降低有利于氫析出反應的進行。姚等開展氫滲透試驗，研究了電化學環(huán)境下氫的擴散參數(shù)，并通過氫氣微打印試驗明確了不同冷變形程度下X65管線鋼中氫的分布情況，發(fā)現(xiàn)氫滲透電流密度和有效氫擴散系數(shù)隨冷變形量的增加而下降，而氫在試樣表面的聚集程度隨冷變形量的增加而增加。深入研究氫滲透行為，有助于開發(fā)抗氫滲透性能更優(yōu)異的材料，優(yōu)化設備和系統(tǒng)的設計，促進氫能產(chǎn)業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展。

3.3 含氫天然氣管道泄漏擴散

在摻氫天然氣管道系統(tǒng)中，由于管道破裂、接口失效、設備故障等原因，氫氣和天然氣混合氣體從管道中異常逸出，并在周圍環(huán)境中傳播擴散，該過程涉及氣體的流動、與環(huán)境空氣的混合、濃度的變化等復雜的物理和化學變化，對周圍環(huán)境、人員安全和設施造成潛在威脅。

朱建錄等通過SPS (管道仿真平臺)軟件模擬發(fā)現(xiàn)，氫摻雜比例對水平燃氣管道壓力變化影響較小，且與純天然氣相比，氫摻雜比例為30%可使管道泄漏后修復時間縮短93%。賈文龍等對西氣東輸管道典型閥室內(nèi)摻氫天然氣泄漏擴散情況進行模擬分析，發(fā)現(xiàn)泄漏口方向?qū)淄楹蜌錃庠陂y室頂部聚集影響較大，泄漏口向下不利于甲烷和氫氣在閥室頂部聚集。王等建立了障礙物影響下?lián)綒涮烊粴夤艿佬孤U散仿真模型。研究發(fā)現(xiàn)，氫氣摻混比例的增加擴大了氫氣的水平和垂直擴散范圍，減小了甲烷的擴散范圍。

為確保加氫天然氣管道安全，需進一步開展長期試驗，更加精準地評估與現(xiàn)有燃氣基礎設施的適應性，建立標準體系；加快研發(fā)成本低、效率高的綠色制氫技術，為城鎮(zhèn)燃氣加氫提供充足的氫源；深入驗證“混-輸-用”環(huán)節(jié)的關鍵技術；制定加氫天然氣相關標準規(guī)范；加強法規(guī)監(jiān)管；加強“政產(chǎn)學研用”協(xié)作，促進全產(chǎn)業(yè)鏈合作，建立有效的共享平臺和合作機制。

3.4 摻氫天然氣管道火炬

含氫天然氣管道爆炸是指由于泄漏，管道內(nèi)氫氣和天然氣混合物在一定條件下迅速燃燒，產(chǎn)生強烈的沖擊波，對管道及其周圍環(huán)境造成嚴重破壞，對人民生命財產(chǎn)造成威脅。

Shchelkin、Lee 等和Shepherd 等研究了天然氣—氫氣混合氣體的爆燃轉爆轟特性，Urtiew 等率先指出了爆炸向爆轟的轉變。倪菁等在圓形半封閉燃燒室內(nèi)對3 種不同氫摻雜率的預混氣體進行了實驗測試，發(fā)現(xiàn)氫氣促進爆轟的傳播速率，且氫摻雜率與傳播速率呈正相關。余進等分析了不同風速、不同氫摻雜率條件下障礙物存在下?lián)綒涮烊粴獾男孤U散規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著氫摻雜率的提高，甲烷爆炸下限擴散半徑逐漸減小，爆炸危險性相應增大。萬小剛等[36]對摻氫天然氣的泄漏擴散規(guī)律進行了研究。在氫氣中添加少量甲烷，發(fā)現(xiàn)碳氫化合物的存在會降低氫氣的可燃性。張更新等利用紋影技術，獲得了特定條件下氫氣-空氣預混球形火焰圖像，獲得了平均精度值、臨界火焰半徑、裂紋長度、平均胞腔面積等結果，并提出了適用的胞腔分割模型，為氫氣燃燒爆炸數(shù)值模擬的發(fā)展做出了貢獻。

未來隨著相關研究的深入和技術的發(fā)展，摻氫天然氣管道安全標準體系將進一步完善，保障其安全運行。同時，我國正在加快布局氫能產(chǎn)業(yè)，在氫能制備、儲運、基礎設施建設等方面不斷取得突破，一批集中企業(yè)布局氫氣生產(chǎn)、儲存、加氫、用氫全產(chǎn)業(yè)鏈。

加氫天然氣輸送技術的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

4.1 加氫天然氣輸送技術優(yōu)勢

加氫天然氣在交通運輸技術中的應用，大幅降低了能源消費中的碳排放。氫氣在燃燒過程中產(chǎn)生的二氧化碳遠低于傳統(tǒng)化石燃料，對減緩全球氣候變化、實現(xiàn)碳中和目標具有重大積極意義。通過合理配置天然氣與氫氣的比例，有助于加速氫氣生產(chǎn)、儲存、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的技術創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級，推動氫能從生產(chǎn)到應用的發(fā)展。

天然氣摻氫輸送技術具有諸多突出優(yōu)勢。在能源轉型方面，將氫氣摻入天然氣這種清潔能源載體中，有助于減少對傳統(tǒng)化石燃料的依賴，促進能源結構向低碳、清潔方向轉變。從環(huán)境效益來看，氫氣燃燒的產(chǎn)物主要是水，大大減少了二氧化碳、氮氧化物、顆粒物等污染物的排放，對于減緩氣候變化、改善空氣質(zhì)量具有重要意義。在能源儲運方面，天然氣管道基礎設施已經(jīng)比較完善，利用已有天然氣管道進行摻氫輸送，大大降低了新建專用氫氣輸送管道的高昂成本，提高了基礎設施利用效率，促進了氫氣的大規(guī)模推廣應用[ 39 ]。研究表明，天然氣管道摻氫成本低于1000km以上距離的電力輸送成本[ 40 ]。此外，天然氣摻氫改善了燃燒特性，氫氣燃燒迅速，提高了混合氣的燃燒速度和燃燒效率。從經(jīng)濟角度看，天然氣摻氫運輸技術有利于推動氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，帶動相關技術研發(fā)、裝備制造的投資和就業(yè)，催生新的經(jīng)濟增長點。

4.2 加氫天然氣輸送技術面臨的挑戰(zhàn)

氫氣極易燃燒、爆炸，擴散速度快，燃燒范圍廣，加氫天然氣管道在運輸過程中發(fā)生泄漏，往往造成氣體積聚，造成窒息甚至爆炸危險。目前制氫技術尚不成熟，主要依賴化石能源重整、水電解等方法，存在效率低、能耗高、生產(chǎn)成本高等問題，嚴重制約了加氫天然氣的規(guī)模化應用，有必要研發(fā)更高效、低成本的制氫技術，提升其經(jīng)濟性。

此外，摻氫天然氣輸送技術在材料兼容性方面也遭遇嚴峻挑戰(zhàn)。由于氫氣的特殊性，現(xiàn)有的天然氣管道材料并不能完全適應摻氫后的工況，如氫氣可能引起管道材料脆化、氫氣滲透等問題，從而縮短管道使用壽命、增加維護成本、帶來安全隱患。而且在檢測監(jiān)測環(huán)節(jié)，目前還缺乏精準有效的技術手段實時監(jiān)測天然氣中氫含量和管道運行狀況，面對摻氫天然氣，傳統(tǒng)檢測設備和方法的準確性和可靠性大大降低，難以滿足實際需要，給管道安全運行帶來隱患，出現(xiàn)問題時難以準確判斷、及時處理。

目前，加氫天然氣及運輸相關法規(guī)標準尚不完善，在技術推廣和實際應用中缺乏明確、統(tǒng)一的規(guī)范和指導，導致行業(yè)發(fā)展缺乏規(guī)范性和一致性，亟待制定涵蓋技術要求、安全標準、質(zhì)量控制等各方面的完善的法規(guī)標準體系。

摻氫天然氣在爐具中的燃燒應用

隨著能源結構的優(yōu)化和對清潔能源的不懈追求，天然氣摻氫輸送技術成為關注重點。爐灶作為常見的燃氣設備，燃燒性能顯著，氫氣具有燃燒速度快、燃燒極限寬、著火能低等特點，而天然氣的主要成分甲烷燃燒相對穩(wěn)定，二者混合后的燃燒特性取決于氫氣摻混比例，氫氣摻混加快了火焰?zhèn)鞑ニ俣龋线m的氫氣摻混比例可優(yōu)化燃燒反應，提高爐灶熱效率，減少不完全燃燒產(chǎn)物和能量損失。氫氣摻混比例較低一般對火焰穩(wěn)定性影響不大，比例較高時需警惕回火、熄火。此外，天然氣燃燒摻氫降低了氮氧化物、二氧化碳等污染物的排放，增加了少量氮氫化合物的排放。馬向陽等[42]研究了摻氫天然氣燃燒過程中燃燒產(chǎn)物中氮氧化物、二氧化碳等污染物的排放。研究發(fā)現(xiàn)，在滿足天然氣燃燒潛力與沃坡指數(shù)要求的情況下，甲烷中氫氣混合比例最高可達23%。羅子宣等通過燃燒試驗發(fā)現(xiàn)，當天然氣氫氣混合比例為5%、10%、15%、20%時，火焰穩(wěn)定性以及燃燒過程中產(chǎn)生的一氧化碳和氮氧化物含量均滿足國家標準。另外，隨著氫氣混合比例的增加，煙氣中一氧化碳含量降低，爐膛熱效率提高。

鑒于此，爐具需要改進。一方面需要調(diào)整燃燒器結構，如優(yōu)化燃氣噴嘴和空氣通道，確保混合均勻、燃燒充分。另一方面需要改進控制系統(tǒng)，精確調(diào)節(jié)燃氣和空氣流量，實時監(jiān)測燃燒狀態(tài)，自動調(diào)整參數(shù)。在實際應用中，無論是家庭還是商業(yè)廚房都有成功的例子。但仍存在許多挑戰(zhàn)，如氫氣供應和儲存基礎設施不足、與爐具的兼容性和標準化問題、公眾對新技術的接受程度有限等。為了解決這些問題，需要采取一系列措施，如加大基礎設施建設投入、建立統(tǒng)一標準、加強宣傳教育等。

結論

天然氣摻氫及輸送技術是能源領域的重要技術，國內(nèi)外均在探索中，國外進展較快，但面臨技術和成本的挑戰(zhàn)。技術上，天然氣摻氫對管道有氫脆、氫滲透作用，可能造成氫氣泄漏，影響安全效率。該技術優(yōu)勢明顯，減少碳排放，為氫氣應用開辟道路，促進產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。但也面臨嚴峻挑戰(zhàn)，如氫氣效率低、易燃易爆增加安全風險、生產(chǎn)工藝依賴傳統(tǒng)方法，相關法規(guī)標準不完善，影響行業(yè)規(guī)范化。

在不進行抗氫改造的前提下，認為我國一般長輸天然氣管道能夠耐受氫摻混比例在10%～20%以下的HCNG（富氫壓縮天然氣），假設長輸天然氣管道按設計輸氣能力運行，2030年我國約有14.98%～29.96%的氫能消費需求可以通過HCNG形式進行長距離輸送。

氫脆、氫滲透預測模型及防護策略的開發(fā)、氫氣摻混比例的優(yōu)化、低成本制氫技術的開發(fā)等，將加速該技術的產(chǎn)業(yè)化應用。在標準規(guī)范方面，相關部門及組織建立健全完善的法規(guī)標準體系。未來，隨著技術進步、成本降低及政策扶持，加氫天然氣運輸技術構建清潔、低碳、高效的能源體系，有望成為全球能源轉型可持續(xù)發(fā)展的有力支撐，推動能源綠色化未來。