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.     

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。     

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）     

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）     

掺氢天然气管道典型管线钢氢脆行为

目前，在氢能储运技术中，利用现有天然气管网以掺氢天然气的形式输送氢气最为经济，掺氢天然气输送技术受到国内外研究机构的广泛关注。然而，管线钢在输氢过程中因氢与基体接触，可能发生氢脆现象，导致其力学性能发生劣化，威胁管道的安全运行。以天然气管道典型用钢X52、X80钢为研究对象，通过高压气相氢环境下的原位拉伸实验和断口形貌分析研究其在实际掺氢工况下的力学性能变化规律，分析氢分压对材料屈服强度、抗拉强度、断面收缩率及氢脆指数的影响。结果表明：掺氢天然气随氢分压增大，X52、X80钢的塑性逐渐下降，氢脆程度加剧；与X80钢相比，X52钢更适用于掺氢天然气输送。研究成果可为未来掺氢天然气管道的设计选材与安全运行提供参考。（图14，表1，参63）     

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...     

东方1-1气田CO2长距离管道输送参数优化

从相态控制角度,以东方1-1气田在海南岛陆上终端排放的CO2为例,开展了CO2长距离管输压力和管径的优化研究,并对管道入口压力、入口温度及环境温度等因素进行敏感性分析。结果表明：管输压力对CO2的输送相态具有重要影响,且很大程度上决定管径和壁厚,进而影响管道经济性;管输压力应保持在CO2临界压力之上,在无保温措施的情况下,CO2始终呈高压密相状态（超临界状态或液态）,能保持管道的正常运行;对于东方1-1气田伴生CO2长距离输送方案,推荐管输压力为9MPa或16MPa,管材采用X65钢,不必采取保温措施。（图4,参14）     

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）     

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...     

埋地含蜡原油管道流动安全性评价方法

停输时间过长和管道在不稳定工作区内运行是诱发凝管的两个主要原因.针对埋地含蜡原油管道的凝管问题,提出了管道稳定运行安全指数(SOSI)和停输再启动安全指数(PRSI)的概念,根据临界输量及凝管概率确定了两个指数的等级划分,给出了使用这两个指数分别评价管道运行期间和停输再启动的流动安全性的方法.并综合这两个安全指数,提出了定量描述管道流动安全状态的管道流动安全指数(PFSI),对定量评价管道流动安全状态具有重要指导意义.以铁大线铁岭到沈阳段为例,对各月份、不同进站温度条件下的管道流动安全指数(PFSI)进行了计算,并根据管道流动安全指数确定了沈阳站安全、节能的进站温度.     

氢致微裂纹应力腐蚀损伤管道的寿命预测

管道的断裂损坏常常始于微裂纹,研究微裂纹的形成原因、分布情况、扩展规律、扩展速率和影响因素等对于管道的寿命预测有重要的参考价值。基于损伤力学原理分析了管道应力腐蚀损伤演化模型,根据微裂纹扩张的位能和动能计算式以及能量守恒原理,推导得出氢致微裂纹扩展速率与管道剩余寿命的关系:微裂纹扩展速率与氢压有关,随着氢压的增大而增大。结合实例计算了管输介质H2S和CO2含量对管道剩余寿命的影响规律,结果表明:当管道中同时存在CO2和H2S时,管道腐蚀加剧;当输送压力和其他参数不变时,随着H2S和CO2含量增加,管道剩余寿命逐渐减小。     

埋地含蜡原油管道流动安全性评价方法

停输时间过长和管道在不稳定工作区内运行是诱发凝管的两个主要原因。针对埋地含蜡原油管道的凝管问题，提出了管道稳定运行安全指数（SOSI）和停输再启动安全指数（PRSI）的概念，根据临界输量及凝管概率确定了两个指数的等级划分，给出了使用这两个指数分别评价管道运行期间和停输再启动的流动安全性的方法。并综合这两个安全指数，提出了定量描述管道流动安全状态的管道流动安全指数（PFSI），对定量评价管道流动安全状态具有重要指导意义。以铁大线铁岭到沈阳段为例，对各月份、不同进站温度条件下的管道流动安全指数（PFSI）进行了计算，并根据管道流动安全指数确定了沈阳站安全、节能的进站温度。     

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。     

超临界CO2管道输送与安全

通过管道输送超临界CO2是大规模运输CO2最经济、可行的方法,国内目前仅有少量短程气态CO2输送管道,尚无超临界CO2长输管道.介绍了国外超临界CO2管道的发展现状,迄今尚无针对性的管道设计、运行参考标准及管输超临界CO2的质量控制标准.分析了超临界CO2管道腐蚀、橡胶溶胀、泄漏、断裂等影响超临界CO2管道运行安全的因素及控制经验,可为中国未来超临界CO2管道的设计与运行提供参考.国内建设超临界CO2输送管道必然经过人口密集区域,运行风险增大,应予以重视.     

管材力学性能与应力应变内检测技术及应用

附加应力应变的存在降低了环焊缝对缺陷与管材力学性能差异的容许值，并可导致缺陷扩展直至失效。长输油气管道在途经山地、冻土等地质灾害多发区域时，易受外部载荷影响，导致管道本体承受较大的附加应力，亟需可靠的技术手段以排查管体应力风险，确保管道安全运行。基于全尺寸牵拉试验平台，开展了S355、S235、X65共3种不同管材管道全尺寸试验，对管材力学性能与弯曲应变状态内检测技术的综合应用进行研究。结果表明，管材力学性能内检测技术是一种基于预先磁化的电磁涡流检测新型内检测技术，可以有效检测管材的屈服强度，并据此识别不同管节所使用的管道材料。该技术可用于环焊缝与母材强度匹配性预测，为管材力学性能快速在线检测和后期的完整性评价提供了一种较为新颖的方法。此外，该技术是基于惯性导航检测单元的弯曲应变内检测技术的有力补充，可对管道本体应力应变状态开展全面检测，及时发现并有效预防因附加应力较大而发生的管道失效。（图6，表2，参22）     

混氢天然气在终端管网中应用的研究进展

氢能是碳中和目标下新能源重要发展方向之一。中国对于天然气长输管道混氢输送的适应性研究较多，但在终端管网中应用尚缺乏全面系统的分析。调研了国内外混氢天然气在终端应用的互换性、设备材料适配性、安全性等方面的研究现状，结果表明：混氢天然气对民用燃具、终端管道材料有较好的适配性，但面向终端用户使用还需要在互换性、介质分层、泄漏检测、加臭、计量等方面进一步开展研究。根据终端管网特点及供气需求，提出相关建议：(1)结合具体天然气组分、燃具工况，对混氢天然气进行互换性分析；(2)提高输送压力，消除高层建筑物立管附加压力的影响，并开展极限工况下介质分层研究；(3)对连接件密封性能进行全面分析，结合氢气泄漏扩散特性，优化泄漏检测设备及加臭剂的布置；(4)亟待建立终端混氢天然气计量标准体系；(5)加快终端管网氢气分离装置及技术的适应性调整。研究结果可为混氢天然气在终端管网中的应用及氢能产业链的发展提供参考。（参70）     

在HIC环境下管道断裂模式与承压能力评价

研究了管道裂纹尖端过程区氢浓度与裂尖应力、应变场、氢扩散及管道内压力的关系,确定了氢致裂纹过程区的长度;依据微裂纹成核的开裂机理,提出了氢致开裂断裂判据的位错模型,并分析材料-环境体系的影响,在此基础上研究了含裂纹管道极限承压能力和临界J积分JISCC,对含平面型裂纹管道的安全运行具有重要意义.     

走滑断层作用下管道应变解析计算方法的适用性

管道在断层错动作用下容易产生较大的位移,从而导致管道因较大的应变而失效,因此研究断层作用下管道的应变计算方法对穿越断层长输管道的设计与安全评估具有重要意义。理论解析计算方法计算简单、效率高,因而在长输管道的初步设计中应用广泛。简要介绍了Newmark-Hall方法、Kennedy方法及Karamitros方法 3种应用较为广泛的管道应变理论解析计算方法,并与有限元结果进行对比分析,从管道穿越角、管道埋深、土壤类型及管材类型4个方面讨论了3种理论解析方法在走滑断层情况下的适用性。结果表明:Newmark-Hall方法、Kennedy方法适用于分析管道穿越角β45°且断层位错量较大时的断层错动影响;Karamitros方法在各种工况下均具有较好的适用性,尤其是当穿越角β≥45°时,前两种方法的适用性极其有限,应该选择模型相对复杂的Karamitros方法进行计算。     

超临界CO2管道输送参数的敏感性分析

为了确定有利于超临界CO2管道输送的参数范围,保证安全输送,基于超临界CO2流体作为管输介质与天然气和原油的不同之处,分析了超临界CO2管道输送技术的特殊性,进而通过软件模拟计算,分别研究了不同入口温度、管输流量、总传热系数下管输压力、温度、密度、黏度与输送距离的关系,得到了特定条件下的有效输送距离,不同管输流量对压温及物性的影响规律。结果表明：在研究条件范围内,输送距离超过100km后,CO2由超临界态变为密相,若要保持超临界态输送,需要在每100km范围内设置加热站;管输流量介于200-250t／h之间较理想;总传热系数介于0．84～1．3W／（m2 ℃）之间为宜。该研究属于超临界CO2管道输送基础研究,对于我国形成完整的超临界CO2管道输送系统具有参考价值。（图3,表3,参10）     

CO_2管道输送规律及运行参数

液态(或超临界态)CO2输送与其他液体输送不同,由于临界温度和压力较低,其在输送过程中易气化。为此,采用HYSYS软件对CO2的物性进行分析,并在多种工况条件下,对CO2管道进行水力热力计算,根据计算结果绘制沿程压力-温度变化曲线,总结管输CO2在超临界态、密相、一般液相下的变化规律和影响因素。以某管道为例,给出了管道入口压力、温度可行区间的计算方法,可为管道设计提供理论依据。研究结果表明:密度是影响管输压降的根本因素,而黏度对压降的影响可以忽略;避免管输CO2气化的关键在于合理设置管道的入口温度和压力;CO2管道设计应以最高环境温度作为设计参数。