張小強(qiáng)，蔣慶梅（中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

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在已建天然氣管道中添加氫氣管材適應(yīng)性分析

張小強(qiáng)，蔣慶梅
（中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

摘 要：隨著氫能源的發(fā)展，在已建天然氣管道中添加氫氣進(jìn)行混合輸送成為未來發(fā)展的趨勢(shì)。由于氫氣的特殊性會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生損傷，因此對(duì)已建天然氣管道進(jìn)行混氫輸送前，應(yīng)對(duì)管材進(jìn)行適應(yīng)性分析。結(jié)合ASME B31.12和一些研究成果，制定了天然氣管道加氫輸送管材適應(yīng)性分析的流程，并且結(jié)合某天然氣管道工程進(jìn)行了實(shí)例分析與計(jì)算。該分析流程系統(tǒng)全面，可為以后工程實(shí)際應(yīng)用提供一定的借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：天然氣管道；添加氫氣；適應(yīng)性分析

0　引言

已建天然氣管道加氫輸送概念在1972年提出，隨著氫能源利用的不斷發(fā)展，進(jìn)一步促使了該技術(shù)的進(jìn)步。截至2013年底，我國(guó)的已建天然氣管道超過6.3萬km，覆蓋面廣的天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)已初步形成。同時(shí)，我國(guó)鋼鐵、燒堿等行業(yè)每年將放掉超過500億m3的副產(chǎn)氫氣。因此，應(yīng)用現(xiàn)有的天然氣管道進(jìn)行天然氣和氫氣的混合輸送，將是未來天然氣管道發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。但是，由于氫氣特殊的物理、化學(xué)性質(zhì)，相較于天然氣，氫氣會(huì)對(duì)管道管材產(chǎn)生一定程度的損傷，進(jìn)而加速管道的失效破壞。所以，對(duì)已建天然氣管道添加氫氣進(jìn)行混合輸送之前，需對(duì)管道的管材進(jìn)行適應(yīng)性分析，以確保管道在服役期間的安全可靠性。

本文通過總結(jié)國(guó)內(nèi)外關(guān)于管道氫損傷的最新研究成果，形成了針對(duì)已建天然氣加氫輸送管道管材的適應(yīng)性分析流程及方法，可以為以后的工程應(yīng)用提供參考與借鑒。

1　氫氣對(duì)管材的影響

氫氣和?天然氣的主要組分——甲烷的物理、化學(xué)性質(zhì)有很大差別，具體見表1［1］。由表1可以看出，氫氣加入后會(huì)改變管道內(nèi)氣體的性質(zhì)，從而引發(fā)管材方面的風(fēng)險(xiǎn)。因此，天然氣管道不能直接用來輸送氫氣，即使是在天然氣中添加一定比例的氫氣，在其輸運(yùn)以及使用過程中與其相接觸的金屬材料都有可能發(fā)生氫損傷進(jìn)而失效。

表1　氫氣與甲烷性質(zhì)對(duì)比

氫損傷是指在金屬中由于含有氫或金屬中的某些成分與氫發(fā)生反應(yīng)而造成金屬的力學(xué)性能發(fā)生改變的現(xiàn)象，氫損傷會(huì)導(dǎo)致金屬材料的韌性或塑性降低，易使材料發(fā)生開裂或脆斷。一般來說，氫氣對(duì)金屬的損傷主要包括氫脆和氫致開裂等［2－3］。

Haeseldonckx等［4］分析了利用現(xiàn)有天然氣管道輸送氫氣時(shí)存在的問題，指出管道線路主要問題是氫脆。氫脆問題不僅取決于管道材料本身，同時(shí)也和管道以前的服役狀況有關(guān)。如果在之前管道內(nèi)壓力起伏波動(dòng)較大，管道會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷甚至疲勞微裂紋，為氫原子的聚集提供了場(chǎng)所，進(jìn)而管道發(fā)生氫脆的概率就會(huì)增大。Melaina等［5］認(rèn)為氫對(duì)管道的損傷程度受氫氣壓力、純凈度、環(huán)境溫度、管道強(qiáng)度水平、變形速率、微觀組織等因素影響。一般來說，低強(qiáng)鋼（例如API 5L A，B，X42，X46）適合加氫天然氣的輸送，氫氣濃度低于50%時(shí)管道不易發(fā)生災(zāi)難性的斷裂，輸送壓力低于290 psi（2 MPa）時(shí)管道不易在缺陷處發(fā)生氫致裂紋擴(kuò)展。Leroy H Remp［6］總結(jié)了氫氣輸送管道的經(jīng)驗(yàn)，其公認(rèn)的結(jié)論是管材的硬度不宜超過22 HRC，拉伸強(qiáng)度不宜超過115 ksi（793 MPa）。

李正峰等［7］指出，在室溫以及1個(gè)大氣壓條件下鐵中氫含量約為7×10－10，如此低的氫含量理論上不會(huì)對(duì)材料的性能產(chǎn)生明顯的影響。然而試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，材料在外應(yīng)力作用下，即使在低壓氫氣中（外氫壓小于1個(gè)大氣壓）也能產(chǎn)生氫致滯后斷裂。這就說明，即使天然氣中氫氣的分壓小于1個(gè)大氣壓，在輸運(yùn)壓力以及其他外應(yīng)力作用下，天然氣管道也有可能遭受氫致破壞。

黃明等［8－9］認(rèn)為，氫脆現(xiàn)象的存在使得輸送氫氣和天然氣的混合物對(duì)管材及其處理的要求特別高。因此，在管材上加強(qiáng)對(duì)管道損傷、裂縫的探查和處理，一旦將來要用現(xiàn)有管道輸送氫氣和天然氣的混合物，就必須對(duì)管道重新進(jìn)行缺陷檢測(cè)、修復(fù)和更新。

綜上所述，氫氣對(duì)管道會(huì)產(chǎn)生氫損傷，并且氫損傷的程度與氫氣濃度、輸送壓力、管道材料性能等存在一定的聯(lián)系。因此，在已建天然氣管道中添加氫氣進(jìn)行混合輸送時(shí)，需針對(duì)管材情況進(jìn)行適應(yīng)性分析。

2　管材適應(yīng)性分析

對(duì)已建天然氣管道加氫輸送進(jìn)行管材適應(yīng)性分析，主要就是針對(duì)目前的管道狀態(tài)，確定出管材與氫氣濃度、輸送壓力等之間的相互關(guān)系，進(jìn)而分析得到，當(dāng)添加不同濃度的氫氣時(shí)，管材是否能夠適應(yīng)或需要采取的相應(yīng)措施。結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新研究成果及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，本文制定的具體分析步驟如下。

根據(jù)混合加入的氫氣濃度進(jìn)行分類，當(dāng)氫氣濃度大于等于10%時(shí)，可依據(jù)ASME B31.12—2014［10］進(jìn)行分析；當(dāng)氫氣濃度小于10%時(shí)，ASME B31.12不再適用，主要參照歐洲的CGA－5.6 《Hydrogen Pipeline System》［11］和現(xiàn)有研究結(jié)論進(jìn)行分析，具體分析流程見圖1。

圖1　分析流程圖

2.1 氫氣濃度大于等于10%

當(dāng)氫氣濃度大于等于10%時(shí)，按照ASME B31.12—2014［10］中的相關(guān)要求進(jìn)行分析論證，具體分析步驟如下。

（1）根據(jù)ASME B31.12—2014表GR－2.1.1 －2中的要求對(duì)管道最大操作壓力進(jìn)行分析，其中要求X60（不含X60）以上鋼級(jí)最大操作壓力不應(yīng)超過10 MPa，如果滿足要求，則進(jìn)行第2步分析驗(yàn)證；如果不滿足，則此管道工程加氫混合輸送時(shí)最大操作壓力需降到10 MPa以下。

（2）第1步分析后可以選取以下兩種方案中的任意一種進(jìn)行分析論證，具體如下。

1）方案Ⅰ。

（a）按照ASME B31.12—2014表PL－3.7.1 －1中的設(shè)計(jì)系數(shù)（Option A）和表IX－5A中的材料性能參數(shù)重新計(jì)算管道允許的最大操作壓力。

（b）按照ASME B31.12—2014中PL－

3.7.1（b）的要求對(duì)材料性能進(jìn)行分析驗(yàn)證，如果不滿足相關(guān)要求，則執(zhí)行方案Ⅰ（c）項(xiàng)。

（c）如果材料性能不滿足方案Ⅰ（b）項(xiàng)的性能要求時(shí)，需要將材料屈服強(qiáng)度降低40%后再按照方案Ⅰ（a）項(xiàng)的要求重新計(jì)算管道允許的最大操作壓力。

2）方案Ⅱ。

（a）管道材料中的P含量不能大于0.015%，滿足要求可執(zhí)行方案Ⅱ（b）項(xiàng)分析，不滿足時(shí)直接執(zhí)行方案Ⅰ。

（b）將滿足第2步方案Ⅱ（a）項(xiàng)要求的鋼管母材和焊縫金屬材料分別置于不同氫氣濃度中，按照ASME BPV Code Section第Ⅷ部分第3分冊(cè)第KD－10章的規(guī)定準(zhǔn)則［12］，對(duì)鋼管母材和焊縫金屬材料的斷裂韌性進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證完成后，將得到一個(gè)氫氣濃度值（假設(shè)為N%），當(dāng)材料所處的氫氣濃度大于N%時(shí)，材料的韌性不滿足KD－10的要求；當(dāng)材料所處的氫氣濃度小于N%時(shí)，材料的韌性滿足KD－10的要求。將滿足KD－10準(zhǔn)則要求的管道材料進(jìn)行方案Ⅱ（c）項(xiàng)驗(yàn)證，不滿足KD－10準(zhǔn)則要求的管道材料則需按方案Ⅰ執(zhí)行。

（c）將滿足第2步方案Ⅱ（b）項(xiàng)條件下（假設(shè)氫氣濃度小于等于N%）的鋼管母材和焊縫金屬材料分別置于不同氫氣濃度（暫時(shí)設(shè)置為10%，11%，12%，……，29%，N%）中，按照ASME BPV Code Section第Ⅷ部分第3分冊(cè)第KD－1040中的要求測(cè)定不同氫氣濃度下材料的KIH值（應(yīng)力強(qiáng)度極限因子）。同時(shí)按照KD－10中的疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，計(jì)算相同壓力及氫氣濃度條件下材料的KIA值（應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)用因子）。假設(shè)氫氣濃度在M%及其以下時(shí)（M≤N），KIH≥KIA，則可得出此管道可直接用于輸送氫氣濃度為10%～M%的混合天然氣；當(dāng)氫氣濃度為M%～N%時(shí)，則需按方案Ⅰ執(zhí)行。

2.2 氫氣濃度小于10%

當(dāng)添加的氫氣濃度小于10%時(shí)，ASME B31.12不再適用，本文主要參照歐洲的研究成果CGA－5.6《Hydrogen Pipeline System》［11］進(jìn)行分析。根據(jù)CGA－5.6《Hydrogen Pipeline System》的相關(guān)要求，如果管道鋼級(jí)低于X52（包含X52），則該天然氣管道可用于輸送氫氣濃度小于10%的混合天然氣。這主要是因?yàn)樽詮?990年以來，X52鋼級(jí)的管道就被用來輸送壓力高達(dá)7 MPa的氫氣，并且管道狀況一直良好，因此歐洲研究成果判定X52鋼級(jí)及以下用于輸送混合天然氣是安全的［11］。同時(shí)，Kunihiro［13］等通過研究也證實(shí)在溫度373 K以下，壓力為幾個(gè)MPa的條件下，氫氣并未對(duì)管材產(chǎn)生明顯的影響。因此，如果管道鋼級(jí)為X52及以下，可直接用于輸送氫氣濃度小于10%的混合天然氣。

如果管道鋼級(jí)高于X52，由于目前還沒有具體應(yīng)用的實(shí)例，CGA－5.6《Hydrogen Pipeline System》對(duì)管材性能提出了一系列的要求，具體如下：

（1）管材的屈服強(qiáng)度不能比X52的屈服強(qiáng)度高165 MPa及以上；

（2）S含量小于0.01%；

（3）P含量小于0.015%；

（4）碳當(dāng)量（CE）小于0.35%；

（5）晶粒度為ASTM 8級(jí)或更細(xì)；

（6）焊縫和熱影響區(qū)的硬度小于95 HRB；

（7）橫向和縱向全尺寸試樣沖擊功的最小平均值為94 J和118 J。

如果管材滿足上述要求，則可用于輸送氫氣濃度小于10%的混合天然氣。如果上述要求無法滿足，需要將屈服強(qiáng)度降低30%后重新計(jì)算最大操作壓力，然后才能用于此氫氣濃度的混合天然氣輸送［11］。

3　工程實(shí)例分析

以某天然氣管道工程為例，對(duì)其加氫輸送管材適應(yīng)性進(jìn)行分析計(jì)算。該天然氣管道工程線路用管基本設(shè)計(jì)參數(shù)見表2，鋼管性能指標(biāo)按照API 5L執(zhí)行，具體分析過程如下。

表2　管道基本參數(shù)

3.1 氫氣濃度大于等于10%

當(dāng)氫氣濃度大于等于10%時(shí)，根據(jù)ASME B31.12—2014中的相關(guān)要求對(duì)管材的適用性進(jìn)行分析驗(yàn)證。

（1）由表2可知，該天然氣管道鋼級(jí)為X70，最大操作壓力為10 MPa，滿足要求，進(jìn)行下一步。

（2）選擇按照方案Ⅱ進(jìn)行分析。

1）該天然氣管道的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為API Spec 5L，不能完全滿足P≤1.5%的要求，則直接進(jìn)入方案Ⅰ進(jìn)行分析，為了對(duì)方案Ⅱ的分析流程進(jìn)行詳細(xì)說明，本方案以下步驟分析是假設(shè)值。

2）假設(shè)該天然氣管道管材P含量滿足要求，則按照現(xiàn)行ASME BPV第Ⅷ部分第3節(jié)第KD－10章的規(guī)定準(zhǔn)則，在大于等于設(shè)計(jì)壓力和環(huán)境溫度條件下，對(duì)鋼管母材和焊縫金屬材料的斷裂韌性進(jìn)行驗(yàn)證，假設(shè)材料性能滿足此步驟要求的氫氣濃度為X%，則進(jìn)入下一步。

3）按照KD－10中的疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，計(jì)算設(shè)計(jì)壓力下的最大KIA值，按照KD－1040測(cè)定不同氫氣濃度（10%～X%）條件下的KIH。假設(shè)當(dāng)氫氣濃度為Y%時(shí)材料的KIH≥KIA，則該天然氣管道可直接輸送氫氣濃度為10%～Y%范圍內(nèi)的混合氣體；氫氣濃度為Y%以上時(shí)，需按照方案Ⅰ分析論證。

（3）方案Ⅰ分析論證如下。

1）按照ASME B31.12—2014表PL－3.7.1 －1中的設(shè)計(jì)系數(shù)（Option A）和表IX－5A中的材料性能參數(shù)重新計(jì)算最大操作壓力。按照ASME B31.12—2014的要求，設(shè)計(jì)系數(shù)和材料性能系數(shù)需要分別由原來的0.72和1.0改為0.5 和0.776，經(jīng)過計(jì)算，最大操作壓力應(yīng)降到5.38 MPa。

2）按照ASME B31.12—2014中PL－3.7.1（b）的要求對(duì)材料性能進(jìn)行分析驗(yàn)證，不滿足要求執(zhí)行方案Ⅰ（c）項(xiàng)。該天然氣管道管材性能按照API Spec 5L執(zhí)行，滿足此項(xiàng)要求。此方案分析論證結(jié)束。

3.2 氫氣濃度小于10%

當(dāng)氫氣濃度小于10%時(shí)，因?yàn)樵摴艿拦こ坦艿冷摷?jí)為X70，不滿足X52及以下的要求，并且管材中的P和S的含量也不滿足要求，需要將材料的屈服強(qiáng)度降低30%后重新計(jì)算最大操作壓力。經(jīng)過計(jì)算，最大操作壓力為7 MPa。因此，當(dāng)在該天然氣管道中添加10%以下的氫氣時(shí)，需將最大操作壓力降至7 MPa。

3.3 分析結(jié)果

經(jīng)過上述分析論證計(jì)算，當(dāng)在該天然氣管道工程中添加10%以下的氫氣進(jìn)行混合輸送時(shí)，需將最大操作壓力降至7 MPa；當(dāng)添加10%及以上的氫氣時(shí)，需將最大操作壓力降至5.38 MPa。

4　結(jié)論

（1）當(dāng)天然氣管道添加氫氣濃度大于等于10%時(shí)，可以按照ASME B31.12—2014的相關(guān)要求，從管道鋼級(jí)、運(yùn)行壓力、雜質(zhì)元素、氫氣環(huán)境韌性指標(biāo)等方面進(jìn)行管材適應(yīng)性分析，進(jìn)而得出添加不同氫氣濃度條件下，管道需要采取的相應(yīng)措施。

（2）當(dāng)天然氣管道添加氫氣濃度小于10%時(shí)，可以按照歐洲研究成果進(jìn)行分析。如果管道鋼級(jí)低于X52（包含X52），則可直接用于輸送；如果鋼級(jí)高于X52，則需從管材強(qiáng)度、硬度、化學(xué)元素、韌性等方面進(jìn)行適應(yīng)性分析，進(jìn)而得出此條件下管道需要采取的相應(yīng)措施。

（3）本文的適應(yīng)性分析是針對(duì)管道材料本身性能進(jìn)行的，在管道建設(shè)、服役期間相關(guān)因素以及周邊環(huán)境等，對(duì)管道造成的破壞與損傷可能加速氫氣對(duì)管道的損傷速率，本文暫不考慮上述因素的影響。

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修稿日期：2015－08－21

設(shè) 計(jì) 計(jì) 算

Material Adaptive Analysis of Blending Hydrogen into Existing Nature Gas Pipeline

ZHANG Xiao－qiang，JIANG Qing－mei
（China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang 065000，China）

Abstract：With the development of hydrogen energy，blending hydrogen into natural gas pipeline has be-come the trend of future.Hydrogen can cause damage to pipeline material due to its special characteris-tics，so material adaptive analysis should be done before blending hydrogen into the existing nature gas pipelines.Based on ASME B31.12 and some research results，a material adaptive analysis process about blending hydrogen into existing natural gas pipelines was established，and was used in calculation and analysis of a natural gas pipeline project.The analysis process is systematic and comprehensive，and it can provide a reference for practical application in the project.

Key words：nature gas pipeline；blending hydrogen；adaptive analysis

作者簡(jiǎn)介：張小強(qiáng)（1985－），男，工程師，主要從事油氣長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)及焊接工藝研究工作，

通信地址：065000河北省廊坊市和平路146號(hào)管道設(shè)計(jì)院線路室，E－mail：xqzhangcppe＠cnpc.com.cn或414981210＠qq.com。

收稿日期：2015－07－08

doi：10.3969/j.issn.1001－4837.2015.10.003

文章編號(hào)：1001－4837（2015）10－0017－06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TH49；TQ055.8；TQ050.7