掺氢天然气环境CH4对管线钢氢脆的抑制行为

H₂在管线钢表面吸附并解离是H原子在钢基体中渗透扩散的前提条件,掺氢天然气管道内H₂的存在增加了管道氢脆风险。基于分子动力学模拟与第一性原理计算方法,开展了管线钢表面H₂吸附行为研究,得到不同掺氢比例下CH₄与H₂混合气的竞争吸附规律,明确了管线钢近壁面CH₄的存在对H₂解离行为的影响机制。研究发现：对于纯气体组分,CH₄与H₂均具有近壁吸附特性;对于CH₄/H₂混合组分,CH₄具有优先吸附性,显著降低了管线钢表面H₂的吸附浓度;通过第一性原理计算方法,发现CH₄与H₂在管线钢表面的吸附类型不同,CH₄的存在不能阻止H₂在管线钢表面的化学分解吸附行为,但可以有效降低H₂分子出现在管线钢近壁面的概率...     

天然气掺氢输送系统氢脆研究进展北大核心

天然气掺氢输送不仅能够有效解决弃风弃光、减少温室气体排放问题,还能够实现大规模、低成本的氢气输送,也是实现“双碳”目标的重要方式,但掺入氢气会对现有天然气管道系统及相关输送设备带来氢脆危险。基于天然气掺氢输送系统的结构组成,归纳了氢脆发生的机理,调研了天然气掺氢输送系统的管道及焊缝、阀门、压缩装置、存储装置、终端装置等发生氢脆的研究现状,概述了防止氢脆发生的应对措施,并对天然气掺氢输送系统的发展前景进行了展望。研究结果可为中国天然气掺氢输送的规模化与市场化发展、提高管道输氢技术与装备的研发水平提供参考,促进氢经济的安全发展。     

临氢X80管线钢量化氢压作用的疲劳裂纹扩展模型

随着中国对能源转型及氢能利用发展需求的日渐迫切,X80高强管线钢将面临在氢气环境中运行的风险。对管道而言,其在服役过程中同时存在静载荷和循环载荷,并且循环载荷与氢的交互作用更为复杂,因此评估管线钢临氢性能时要同时考虑拉伸性能和疲劳性能。通过高压氢气环境中的拉伸实验及疲劳裂纹扩展实验,分析了氢对X80钢拉伸及疲劳性能的影响,获得了量化氢压作用的X80管线钢疲劳裂纹扩展模型。结果表明：氢对X80管线钢的拉伸性能无明显影响;氢压越高,疲劳裂纹扩展速率越高,氢压3 MPa时的疲劳裂纹扩展速率为氮气环境中的10倍,氢对X80管线钢的疲劳裂纹扩展影响显著;当X80管线钢处于氢气环境中时,钢材的疲劳性能将成为管道安全设计和完整性评价的关键指标。（图8,表3,参27）     

氢气管道发展与管线钢氢脆挑战

作为一种绿色、清洁的燃料(或能源载体),氢在实现净零排放目标上将发挥重要作用.在建设以氢能为基础的规模经济中,氢的高效、安全运输是关键的一环.氢的管道运输具有运载量大、效率高、经济实惠等优势,如果能够利用现有天然气管网实现氢的运输,则可以进一步降低成本,促进氢的规模经济的发展,但高压氢气管道或天然气/氢气混输管道存在氢脆失效的风险.阐述了氢能与氢经济发展的背景以及管道运输的巨大意义,讨论了氢气管道发生氢脆的热力学条件、氢的渗透与扩散行为、氢致失效的机理和失效形式等,证明了管线钢在管输条件下氢分子发生解离吸附的热力学可行性,分析了氢气管道存在发生氢脆或其他氢致失效形式的风险.当前,氢气管道发生氢致失效的研究具有相当大的发展空间,进一步的研究将主要集中在原子尺度测量与计算模拟方面.     

管线钢氢相容性测试方法及氢脆防控研究进展

在研究氢脆发生机理与损伤机制时,常采用慢应变速率拉伸试验、疲劳寿命试验等手段,以力学性能、疲劳寿命等为指标衡量金属的氢脆敏感性。对于典型管线钢材料,其在不足5 MPa的氢气压力下,或在氢气体积分数10%的掺氢天然气环境中,已经在慢应变速率拉伸等试验中表现出明显的韧性下降、裂纹加速扩展等氢损伤特征。为模拟钢在氢气环境中服役,试验中常采用气相充氢与电化学充氢方法,前者能够模拟多种气相对管线钢氢脆的作用,后者能够快速模拟管线钢长时间服役后氢原子的渗透情况。针对氢脆过程及机理总结并分析了3种主要的氢脆防控技术：(1)调控管线钢材料与加工工艺,优化其微观组织,增加扩散速率,减弱氢原子聚集现象;(2)引入气体抑制剂,通过竞争吸附的方法减缓氢分子在材料表面的吸附;(3)增设管道内涂层,使氢气与管线钢基体金属隔离。并基于此提出进一步优化管道氢脆防控技术的建议。（图1,表1,参59）     

天然气管道掺氢输送对离心压缩机气动性能的影响

为研究天然气管道掺氢输送对离心压缩机气动性能和稳定工作范围的影响,以川气东送管道的GE PCL503压缩机为研究对象进行三维几何建模,采用RANS方法对该压缩机进行三维仿真模拟并与文献实验数据进行对比,验证了数值仿真模型的准确性。基于三维仿真模型研究了不同掺氢比、进口温度对离心压缩机气动性能和喘振裕度的影响。结果表明：随着天然气掺氢比的提高,压缩机的总压比和喘振裕度随之下降,当掺氢比达到20%时,喘振裕度降低19.78%,压比下降6.44%。在近喘振工况下,泄漏涡轨迹前移,泄漏涡强度得到增强,进而扩大了压力面低速区域面积,进一步加快了泄漏流与主流、压力面二次流的掺混,加剧了压力面流动分离和下游通道堵塞程度,其是导致掺氢比增加后压缩机稳定工作范围减少的主要原因。在10%掺氢比下,当进口温度由288 K升至323 K时,对于相同的体积流量,离心压缩机的总压比降低4.27%,等熵效率下降0.65%,喘振裕度增加13.03%,能量流量下降17.4%。研究结果可为天然气掺氢输送压缩机的设计及安全运行提供理论基础。（图10,表6,参22）     

高压氢气管道氢脆问题明晰

利用长输管道（尤其是现有的天然气管道）进行氢气输送,是发展规模氢能经济、加速实现能源转型战略的重要一环,但在高压氢气环境中,管道存在发生氢脆的潜在可能,严重影响了管道安全,并制约了氢气管道工业的发展。解释了氢脆现象的科学含义,澄清了诸多关于管道氢脆问题的误解及不明之处,详述了管道氢脆发生的条件、过程及机理,着重阐明了“气态环境氢脆”与“液态环境氢脆”的实质区别,并梳理了管道氢脆的独特特征和技术挑战。根据最新的相关研究成果及亲身的学术交流经验,指出了管道氢脆领域当下迫切需要解决的科学与技术问题,以期为天然气管道掺氢输送的安全运行提供技术发展路径。（图4,表2,参24）     

纯氢/掺氢天然气管道的减压与调压

【目的】调压系统作为连接长输管道与城镇燃气管网的关键环节之一,在实现“氢进万家”中发挥着重要作用,然而氢气与天然气的物性差异会影响调压的工艺控制效果。【方法】采用纯氢/掺氢天然气减压调压实验与调压动态模拟相结合的方式,以稳压精度、响应时间、适用度函数作为判定减压调压系统稳压效果的依据,对掺氢比、流量波动周期、下游流量变化幅度、管输压力及PID参数进行了敏感性分析。【结果】(1)系统波动越频繁、气体流速越大,导致系统受到扰动后波动幅度越大,减压调压系统越不易实现稳压,需对管输纯氢或者掺氢天然气的高流速运动进行限制。(2)调压系统流量有正弦变化的波动,以稳压精度±1.5%为要求,开展减压调压实验时,PID比例参数、积分参数设定在1～2范围时,可基本实现纯氢/掺氢天然气在城镇燃气管道压力范围内的调压。(3)当管输气体流速相同时,纯氢的瞬时波动较天然气更为明显,控制系统的响应时间、适应度函数均随掺氢比的增大而逐渐增加;纯氢的压力瞬时波动可达到纯甲烷的1.15倍,控制系统的响应时间、适应度函数也分别增大为纯甲烷的1.13倍、2.68倍,当氢气与甲烷为相同比例参数、积分参数时,含氢气体更难实现稳压...     

管线钢应力诱导型氢致开裂分形试验

以酸性气田集输管网中16MnR 和20 号钢为研究对象,开展应力诱导型氢致开裂分形试验,以验证相关理论模型的正确性。试验制备了两种管线钢的双悬臂梁试件,并将其浸入不同H2S 体积摩尔浓度的腐蚀溶液环境中,通过断口数据取样分析及计算,验证了管线钢氢致开裂的断口形貌具有分形特征,以及应力强度因子与分形维数具有对数正比趋势的关系,同时验证了氢致开裂判据模型、氢致开裂分形扩展速率模型、氢致开裂分形物理机制模型的正确性,可为在役管道氢环境下的裂纹扩展速率的预测提供参考依据。     

在役空冷器换热性能对掺氢天然气的适应性评估

天然气掺氢输送是长距离、大规模输送氢气的有效途径,但氢气换热物性有别于天然气,在役空冷器换热性能对掺氢天然气的适应性尚不明确。为评估天然气掺氢后空冷器的换热性能,建立在役水平鼓风式空冷器仿真模型,基于BWRS方程计算7～10 MPa、60～80℃、0～25%掺氢比下天然气的比热容及导热系数,并采用CFD技术分析不同工况下空冷器前后气体温差。结果表明：(1)掺入氢气将增大天然气的比热容及导热系数;(2)降低管输压力和空冷器日处理量、升高天然气初始温度、掺入氢气都将提高空冷器前后温差;(3)仅掺入氢气,在25%掺氢比以内,现有空冷器不经结构改造即可满足天然气的冷却需求;(4)掺氢输送时,可增大管输压力以稳定空冷器出口温度并提升管道输送能力。（图12,表2,参21）     

混氢天然气管道输送技术研究进展

氢能是公认的清洁能源,将氢气掺入天然气管道进行输送,是大规模输送氢气的有效途径.氢气的物性与天然气差异大,天然气中掺入氢气后天然气气质会发生改变.综述了世界各国在天然气管输系统混氢输送过程中混氢天然气的互换性、天然气管道混氢工艺系统适应性、管道设备安全性等研究进展.结合中国输气管网的实际情况,建议:①研究不同地区、不同...     

高压天然气管道危险区域分析

针对高压天然气管道可能发生的火灾危险性,基于恒定气体释放速率和火灾模型,提出了高压管道危险区域计算模型,并与实际值进行比较,最大偏差只有4m。应用该模型可以通过管道直径、工作压力和管道长度计算全口径断裂事故的影响范围。研究表明,危险影响区域与工作压力的平方根成正比,与管道直径的5/4次幂成正比,与管道长度的1/4次幂成反比。该模型可为天然气管道风险管理提供理论指导。     

采空区悬空天然气管道应力与应变模拟

采空区有可能造成地表沉降变形、碎裂甚至塌陷等次生地质灾害,易造成埋地管道的大范围变形甚至悬空。基于理想弹塑性模型,以某X70管道为例,考虑管道与土体的非线性、管道的几何非线性、土壤的物理非线性等因素,利用有限元软件ABAQUS建立采空区悬空天然气管道的有限元仿真计算模型。在内压、轴向力、外部载荷等共同作用下,分析X70悬空管道在不同悬空长度、不同内压、不同埋深条件下的应力应变变化,并采用双失效判别准则对其进行安全评估。结果表明:在充分考虑应力应变的变化趋势和变化速率基础上,通过双失效判据确定不同悬空长度管道所处的风险等级,可为采空区管道的完整性管理提供依据;内压对管道失效影响较大,当存在采空区塌陷时,需要临时降低管道内压以提高管道安全性能。     

保障中俄东线天然气管道长期安全运行的若干技术思考

针对中俄东线天然气管道的实际服役状况,分析了土壤运动(冻胀与解冻沉降)对管道结构完整性的影响以及基于管体结构-土壤弹簧模型在确定管-土交互作用方面的局限性,即非线性、大应变与多轴加载评估的保守性、土壤本构模拟与真实状况的偏离,建议发展新型多模块耦合集成技术确定土壤运动产生的机械效应。明确了X80高强管线钢在服役条件下发生应变时效及其导致管线钢(尤其是焊缝区)材料韧性和止裂能力的降低,建议使用时效活化能与等效时效时间模拟、评估管线钢在漫长服役过程中发生应变时效的敏感性,并建立相应的理论基础。此外,详细分析3种常见的管道缺陷(机械损伤、腐蚀缺陷、裂纹)对管道完整性影响的评估技术现状。针对高压、大口径、高强钢天然气管道(特别是焊接金属与热影响区)在地质不稳定地区的材料韧性、裂纹扩展以及止裂能力开展实验与评价技术,建立精确的多物理场协同作用下的管道缺陷评估模型,是当前的国际性技术难题,这些问题的解决将有力保障中俄东线天然气管道以及相关油气管道的长期安全运行。(参29)     

高含硫管道氢致开裂的分形效应及扩展速率计算

氢致开裂是高含硫气田集输管网、长输管网管线钢失效的主要模式之一,为明确管道氢致开裂的机理与过程,对其开裂模式进行了研究。对氢质量浓度在金属裂尖扩展过程中的变化规律进行分析,考虑分形效应的影响,对氢致裂纹的动力学模型进行修正,提出了氢致裂纹扩展的直裂纹-剪切带分形模型:在Gerberich对氢致开裂研究的基础上,基于裂尖的氢化作用与裂纹扩展过程中存在的耦合因素,将断裂过程区的形状与裂纹的扩展长度进行结合,构建了氢致开裂裂纹扩展各阶段分形速率的表达式,得到了更为合理的基于分形效应的氢致开裂数学模型。以材质为16Mn和20钢的天然气管道为例,分别计算了母材与焊缝处的氢致裂纹扩展速率,对比得出两种材料抗H2S的性能,研究结果对于高含硫管道材料的选择具有一定指导意义。     

基于Niche GA的灰色模型预测天然气管道腐蚀速率

建立了管道腐蚀预测的基于小生境遗传算法灰色模型,将此预测模型应用于四川气田某输气管道的腐蚀速率和腐蚀深度的预测。预测结果表明,该模型的预测结果误差小,可以用于现场管道的腐蚀预测,是管道腐蚀预测的一种新方法。     

天然气长输管道爆管时线路截断阀关断压降速率的选取

针对国内天然气长输管道工程线路截断阀压降速率设定值主要借鉴国内外的经验值,缺乏针对性且存在较大误差的问题,利用SPS软件建立了天然气长输管道模型,对管道爆管这一典型泄漏工况进行案例仿真模拟,定性和定量分析管道内压力波的变化及传动规律,分析线路截断阀关断压降速率设定值的选取依据和注意事项。模拟结果表明:需要了解并收集管道运行中各种需关断的事故工况,然后选取恰当的泄漏点一一进行分析,最终得出较为合理的截断阀关断压降速率参考阈值。