李可夫，劉 淼，耿曉梅，張文偉，周建華，謝 浪，于 薇

(1.北華航天工業(yè)學(xué)院，河北 廊坊 065000;2.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

0 引言

2022年夏天極度炎熱，歐洲經(jīng)歷了500年來(lái)最為干旱的夏季，人類社會(huì)大量使用化石燃料產(chǎn)生的“CO2排放”被公認(rèn)為是造成這一現(xiàn)象的最主要原因。

氫元素在自然界有廣泛的分布，其燃燒或其他利用過(guò)程中只產(chǎn)生H2O，是一種非常理想的清潔能源。如果用“氫”來(lái)大規(guī)模替代傳統(tǒng)的化石能源，長(zhǎng)距離儲(chǔ)運(yùn)是必須要攻克的難題。目前，純氫管道仍然造價(jià)很高，難以大規(guī)模推廣，而我國(guó)也建成了10萬(wàn)km左右的天然氣管道，將H2以一定比例摻入到天然氣中，通過(guò)現(xiàn)有天然氣管道進(jìn)行運(yùn)輸，可能是解決當(dāng)下H2長(zhǎng)距離、大規(guī)模運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)行之有效的技術(shù)手段[1]。很多歐美國(guó)家在積極開(kāi)展已有天然氣管道摻H2輸送的相關(guān)試驗(yàn)和理論研究，很多國(guó)家和地區(qū)聯(lián)盟將H2加入到長(zhǎng)輸管道中進(jìn)行輸送，并研究其對(duì)管道系統(tǒng)的影響，給出了合理的標(biāo)準(zhǔn)和摻H2比例[2-6]。還有學(xué)者對(duì)摻氫后管材管件安全、氣體泄漏擴(kuò)散、火災(zāi)爆炸、氫能承壓設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究[7-16]。

1 摻氫管道主要失效原因及概率分析

管道在運(yùn)行過(guò)程中面臨眾多風(fēng)險(xiǎn)從而導(dǎo)致其失效，油氣管道主要面臨腐蝕、第三方破壞、地質(zhì)災(zāi)害、誤操作等方面引起的失效?？梢灶惐确治觯瑩綒涔艿赖氖问脚c油氣管道類似，其原因也無(wú)外乎以上幾種。從理論分析，對(duì)于第三方破壞、地質(zhì)災(zāi)害、誤操作等原因造成摻氫管道的失效概率應(yīng)該與油氣管道基本相同。由于氫是世界上最小的原子，在天然氣管道加氫輸送過(guò)程中容易出現(xiàn)氫脆、氫腐蝕等問(wèn)題[17]，這使得管道失效的可能增加，這就需要探討天然氣管道加氫輸送過(guò)程中管材的適應(yīng)性問(wèn)題。歐洲曾在低鋼級(jí)的管道進(jìn)行H2的輸送，沒(méi)有發(fā)生相關(guān)安全問(wèn)題，根據(jù)CGA-5.6《Hydrogen Pipeline System》進(jìn)行分析，當(dāng)鋼級(jí)低于或等于X52，輸送氫氣濃度10%則是安全的，如果不能滿足鋼級(jí)和輸送濃度的要求則要從運(yùn)行壓力、化學(xué)元素、韌性、強(qiáng)度、硬度等多個(gè)方面進(jìn)行分析[18-19]。

由此可見(jiàn)，天然氣管道摻氫輸送，只要滿足一定條件，如鋼級(jí)低于等于X52，摻氫比例小于10%或采取其他措施，是能保證其管道進(jìn)行安全輸送的，其材料和腐蝕問(wèn)題導(dǎo)致的失效概率也不會(huì)增加，天然氣摻氫管道的失效概率可以與油氣管道的失效概率取相同的值。

我國(guó)某大型管道運(yùn)營(yíng)商其管道總里程5.3×104km，失效概率約為1.7×10-4/km·a，其中第三方破壞占主要因素，腐蝕、缺陷等引起管道失效的概率較小，具體見(jiàn)圖1、圖2[20]。

圖1 中國(guó)油氣管道里程及失效數(shù)量

圖2 中國(guó)油氣管道失效原因

如圖2所示，我國(guó)油氣管道失效的主要原因是打孔盜油、第三方施工等原因，這與管道輸送介質(zhì)關(guān)系不大；腐蝕失效占比為9%，但如前所述如果鋼級(jí)低于X52，摻氫比例低于10%則可認(rèn)為是安全的，本文管道摻氫輸送則只考慮鋼級(jí)低于X52，摻氫比例低于10%，則摻氫管道是失效概率為1.7×10-4km/a。

2 摻氫管道主要失效后果分析

氫氣屬于低密度氣體，相比于甲烷更容易燃燒和擴(kuò)散，表1為天然氣主要成分甲烷與氫氣一些物理性質(zhì)的對(duì)比。

表1 甲烷與甲烷主要性質(zhì)對(duì)比

天然氣管道泄漏后如果點(diǎn)燃主要有噴射火、閃火、蒸氣云爆炸等后果，后果的嚴(yán)重程度與泄漏量相關(guān)，泄漏量主要取決于管道內(nèi)壓力。我國(guó)長(zhǎng)輸天然氣管道最大設(shè)計(jì)壓力不超過(guò)12 MPa，僅有西氣東輸二線、三線、中俄東線等幾條管道，這些管道均采用X80鋼級(jí)。本文后果模擬的管道壓力為10 MPa，摻氫體積濃度10%，由于可燃?xì)怏w蒸氣云爆炸必須有受限空間，而受限空間都是特定的，因此本文不分析蒸氣云爆炸的后果情況。模擬軟件為DNV的Phast Risk。根據(jù)SY/T 6714-2008基于風(fēng)險(xiǎn)檢驗(yàn)的基礎(chǔ)方法，管道泄漏可選取0.635 cm、2.54 cm、10.16 cm、40.64 cm等典型孔徑，由于規(guī)律相同本文主要分析0.635 cm和40.64 cm典型孔徑泄漏的情況。

2.1 0.635 cm泄漏孔徑

從圖3、圖4可以看出，天然氣與天然氣中摻有10%和15%氫氣的混合氣體的擴(kuò)散特性相差不大，摻有氫氣的混合氣體擴(kuò)散能力稍微強(qiáng)一些。從圖5、圖6、圖7、圖8可以看出，天然氣比天然氣中摻有10% H2的混合氣體的熱輻射能力更高，閃火影響范圍也更大，因?yàn)楸敬文M是10%的體積摻比，根據(jù)表1相同體積下甲烷的燃燒熱要大于H2的燃燒熱，所以其熱輻射能力更高，閃火的影響范圍也更大。

圖3 天然氣泄漏濃度分布(0.635 cm)

圖4 天然氣摻10%H2泄漏濃度分布(0.635 cm)

圖5 天然氣泄漏噴射火(0.635 cm)

圖6 天然氣摻10%H2泄漏噴射火(0.635 cm)

圖7 天然氣泄漏閃火(0.635 cm)

圖8 天然氣摻10%H2泄漏閃火(0.635 cm)

2.2 10.16 cm泄漏孔徑

從圖9～圖14可以看出，與0.635 cm口徑泄漏相似，摻有氫氣的混合氣體擴(kuò)散能力稍強(qiáng)；熱輻射能力則是純天然氣更強(qiáng)，閃火影響范圍也更大，這也是因?yàn)橄嗤w積下天然氣的燃燒熱要大于H2的燃燒熱導(dǎo)致的。

圖9 天然氣泄漏濃度分布(10.16 cm)

圖10 天然氣摻10%H2泄漏濃度分布(10.16 cm)

圖11 天然氣泄漏噴射火(10.16 cm)

圖12 天然氣摻10%H2泄漏噴射火(10.16 cm)

圖13 天然氣泄漏閃火(10.16 cm)

圖14 天然氣摻10%H2泄漏閃火(10.16 cm)

可燃?xì)怏w泄漏后主要是由于氣體擴(kuò)散，之后遇點(diǎn)火源發(fā)生噴射火、閃火等事故引發(fā)災(zāi)害，根據(jù)選取典型泄漏孔徑，進(jìn)行天然氣及摻氫10%天然氣的泄漏擴(kuò)散和噴射火、閃火的后果模擬可見(jiàn)，摻氫天然氣管道泄漏，并不會(huì)在原有的基礎(chǔ)上引發(fā)更大的泄漏擴(kuò)散和火災(zāi)事故。

3 摻氫管道的風(fēng)險(xiǎn)分析

可燃?xì)怏w泄漏后的風(fēng)險(xiǎn)可按如下公式進(jìn)行計(jì)算

R=f·Q

式中R——風(fēng)險(xiǎn)；

f——失效概率；

Q——失效后果。

風(fēng)險(xiǎn)分析是評(píng)判工程安全性的重要依據(jù)，由上式所示，其由失效概率和后果的乘積得出。乘坐飛機(jī)失效后果非常嚴(yán)重，人們往往難以生還，即Q很嚴(yán)重，但其發(fā)生的概率，即f很低，所以其風(fēng)險(xiǎn)是可以接受的。

前文經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為，當(dāng)鋼級(jí)低于或等于X52，輸送氫氣濃度10%則是安全的，各種原因引起的失效概率也不會(huì)增加。前文也對(duì)于天然氣摻10%氫氣管道失效后的擴(kuò)散、噴射火、閃火等的后果進(jìn)行了分析，摻入氫氣并不會(huì)使后果變得更嚴(yán)重。因此，如果鋼級(jí)低于X52天然氣管道摻10%氫氣輸送是安全的，并不會(huì)增加額外的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

(1)摻氫天然氣管道與純天然氣管道的失效原因類似，當(dāng)鋼級(jí)低于X52，摻氫比例低于10%時(shí)，摻氫天然氣管道的失效概率與純天然氣管道基本相同。

(2)天然氣管道摻有體積占比10%氫氣的混合氣體擴(kuò)散能力稍強(qiáng)；熱輻射能力則是純天然氣更強(qiáng)，閃火影響范圍也更大，這也是因?yàn)閱挝惑w積天然氣的燃燒熱要大于H2的燃燒熱導(dǎo)致的，摻10%氫氣的天然氣泄漏后果與純天然氣泄漏后果基本相同。

(3)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式，當(dāng)鋼級(jí)低于X52，摻氫比例低于10%時(shí)，摻氫天然氣管道相比于純天然氣管道是安全的，并不會(huì)增加額外風(fēng)險(xiǎn)；如果提高鋼級(jí)和摻氫比例，則需要從材料、焊接、失效后果等多個(gè)角度分析其風(fēng)險(xiǎn)情況。