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掺氢管道泄漏特性与应对策略研究进展

范开峰 ,  罗文雅 ,  孙雨欣 ,  李思 ,  苏怀

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (10) : 21 -27.

PDF (2199KB)
现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (10) : 21-27. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.10.004
技术进展

掺氢管道泄漏特性与应对策略研究进展

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Research progress on leakage characteristics and countermeasures of hydrogen-blending natural gas pipelines

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摘要

系统梳理了掺氢管道泄漏特性的最新研究,探讨了不同泄漏场景与环境因素对泄漏行为的影响,阐述了环境参数对泄漏规律的作用机制。同时,分析了掺氢管道泄漏后的燃烧、爆炸特性及其对管道材料的影响和潜在泄漏风险。针对现有问题,提出了掺氢管道安全输送措施和泄漏后的应急处置流程,以降低事故危害。未来需结合大数据、数值模拟与智能技术,实现管道输送的实时监测与系统优化,提升风险防控与安全保障水平,确保掺氢天然气管道安全高效输送。

Abstract

This review focuses on the latest research regarding the leakage characteristics of hydrogen-blending natural gas pipelines,exploring the impact of different leakage scenarios and environmental factors on leakage behavior,and elaborating on the mechanism through which environmental parameters influence leakage patterns.Furthermore,the combustion and explosion characteristics following a hydrogen-blending natural gas pipeline leak are analyzed,and their impacts on pipeline materials and potential leakage risks are expounded.In response to the current challenges,the safe transportation measures for hydrogen-blending natural gas pipelines and emergency response procedures for leakage are proposed,aiming to reduce the severity of accident.Looking forward,it is essential to integrate big data,numerical simulation,and intelligent technologies to enable real-time monitoring and system optimization of pipeline transportation,enhancing risk prevention and safety assurance,thereby ensuring the safe and efficient transportation of hydrogen-blending natural gas by pipelines.

Graphical abstract

关键词

掺氢管道 / 安全输送 / 优化方案 / 应急措施 / 泄漏特性

Key words

hydrogen-blending natural gas pipelines / safe transportation / optimization scheme / emergency measures / leakage characteristics

Author summay

范开峰(1987-),男,博士,副教授,研究方向为油气安全流动保障技术,.

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范开峰,罗文雅,孙雨欣,李思,苏怀. 掺氢管道泄漏特性与应对策略研究进展[J]. , 2025, 45(10): 21-27 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.10.004

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近年,随着“双碳”政策的实施,各种碳减排措施不断推出,如何加快推动新型清洁能源的发展已成为研究热点。氢气因在利用过程中不产生CO2、SO2以及烟尘等污染物,被视为目前最有发展潜力的清洁燃料[1]。在运输过程中,由于氢气固有的物化特性,如低密度、高反应活性,极易引发泄漏、燃烧乃至爆炸等事故,其推广和应用受到严重限制[2],安全评估是氢能技术商业化进程中亟待突破的关键问题。因此,深入研究氢气的泄漏机理与影响因素,对于制定有效的安全预防措施和应急响应策略具有重要意义。同时,开发新型材料和阻氢技术,以提高氢气运输系统的安全性和可靠性,是当前研究的热点和挑战。
1970年,美国率先提出了“氢经济”的概念。此后的几十年里,全球曾多次出现氢能技术突破的意外事件,制约了氢能产业的发展。直至21世纪,随着气候变化的负面影响日益显现,各国开始重新关注氢能转型,纷纷推出切实可行的氢能战略,推动了氢能的发展。2017年,日本发布以实现碳中和为主旨的氢能源发展计划(《氢基本战略》),并将构建以氢为基础的社会纳入国家战略的核心内容。2019年,韩国推出了《韩国氢经济路线图》,并成立了专门的氢经济促进委员会。此外,多个欧洲国家也将氢能写入了国家发展战略[3]。中国发布的多项关键政策文件,如《“十四五”新型储能发展实施方案》、《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》、《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》,为氢能产业发展提供了明确的政策支持和标准框架。
在氢能产业发展过程中,将氢气按一定比例掺入天然气,通过现有天然气管网进行输送,正成为未来极具发展前景的氢能运输方案。国内学者在掺氢天然气管道输送的安全性领域进行了广泛研究,如李天娇等[4]对掺氢天然气输送系统中的关键组件进行了研究,包括管道、调压设备、储存设备、计量设备及终端应用,并探讨了掺氢对压缩机、储氢瓶、流量计、燃具及燃气轮机等设备性能的影响,对分析和处理掺氢管道泄漏特性及事故后果具有重要意义。本文中对掺氢管道气体泄漏特性与应对措施研究的相关成果进行了系统归纳和总结,同时指出存在的不足和缺陷,为今后的氢能发展提供参考依据。

1 掺氢管道泄漏特性

天然气主要成分为CH4,与H2的物理化学性质相差较大,如表1所示。氢气掺入天然气管道后,在一定程度上会导致管道系统的压力、温度等参数发生变化,间接对管道的泄漏造成影响。
掺氢天然气泄漏特性受多种因素影响,包括障碍物、通风条件、氢气混合比例以及管道压力等。了解不同因素对气体泄漏扩散特性的影响,对有关应急响应计划的制定和潜在危害的评估至关重要。

1.1 掺氢管道泄漏扩散特性

1.1.1 障碍物的影响

掺氢天然气在泄漏过程中,遇障碍物后扩散行为差异显著。研究表明,障碍物的几何特征会影响泄漏气体的流动特性和扩散路径。由于储氢罐内氢气压力高且泄漏处传输速度较大易形成射流,郑津洋等[5]采用Realizable模型模拟发现(图1),障碍物会阻碍氢气水平扩散,缩短传输距离,但增大垂直扩散高度;同时导致氢气在障碍物前积聚,增加爆炸燃烧风险。张文康等[6]通过模拟高压氢气泄漏发现,气体沿障碍物表面向上扩散,部分氢气遇墙反向运动形成涡流。随着泄漏点与障碍物间距增大,涡流区域扩大但氢气浓度降低。Li等[7]发现障碍物的存在对氢气扩散行为有显著影响:车内座椅等长方体障碍物会显著影响氢气扩散,与无障碍情况相比,体积分数4%氢气等值面到达顶棚和侧壁的时间分别延长至1.42倍、1.25倍。障碍物会加剧水平扩散但抑制垂直扩散,改变氢气扩散路径和速度,并形成涡流区。现有模拟虽能直观分析扩散行为,但缺乏实验验证,模型可靠性有待确认。

1.1.2 风速的影响

风速作为关键环境因素之一,对气体扩散特性具有实质性作用,在一定程度上可以调控气体于特定空间内的传输、分散路径以及浓度分布,干预气体扩散的动力学过程及最终稳态结果。彭善碧等[8]通过分析风速对掺氢管道气体泄漏后的影响规律,发现气体的扩散高度随时间的推移先增加,而后逐渐趋于稳定。孙齐等[9]探究了风速对半敞开式厂房内气体扩散特性的影响,如图2所示,发现气体扩散高度随风速增大呈整体下降的趋势。张晓林等[10]在自然通风工况下,设置不同通风口高度,发现氢气的扩散方式不受通风口在侧壁上的高度影响。Jin等[11]通过实验选取不同风速级别进行对比分析,发现增加风速能够减少应对紧急情况所需的时间,但同时也需要扩大顺风方向的防护范围。Li等[12]探究了涵盖恒定风速与可变风速等条件下氢气的扩散情况,指出可变风速可能引发更危险的状况。在安全管理和应急预案中需要充分考虑风速对气体扩散的作用,对风速变化进行监测和预测是氢气泄漏安全管理的关键环节。

1.1.3 掺氢比的影响

天然气管网掺氢会增加泄漏风险,氢气在土壤中的扩散范围比甲烷更广,且随着掺氢比例的增加,混合气体扩散能力增强,潜在爆炸风险也随之增加。孙齐等[9]经研究发现(风速1 m/s,泄漏速度30 m/s),随着掺氢比例(3%~30%)增加,混合气体扩散高度降低,且模拟时间越长该趋势越明显(图3)。扩散高度增速随时间减缓,而最大水平扩散距离先降低而后呈随机波动。且其数值均大于5 m[图4(a)]。在泄漏后的12 s内,氢气的最大水平扩散宽度随时间推移呈下降趋势,12 s过后则呈现出随机性变化[图4(b)]。

1.2 燃烧爆炸特性

掺氢管道泄漏易引发燃烧爆炸,且危害性大于纯甲烷(氢的热值、点火能和火焰温度更高)。爆炸风险受掺氢比、障碍物等因素影响,但氢气扩散快不易聚集,大型爆炸风险较低。深入研究泄漏燃烧特性可为制定安全策略提供依据,降低掺氢管道系统风险。

1.2.1 掺氢比的影响

研究表明,在不同掺氢比条件下,天然气的燃烧进程存在显著差异。孔莹莹等[13]对燃烧喷射火焰的尺寸进行了详细分析,发现在掺氢比例较高条件下,由于水平喷射火焰的初始动量直径较小,火焰尺寸受掺氢比影响较大,其长度和高度都随着掺氢比的增加而减小,如图5所示。
袁巧玲等[14]研究表明,掺氢比从5%增至20%过程中,爆炸危险区域扩大了3.18%,混合气体达到爆炸极限的时间缩短3.7%。同时,泄漏孔径增大导致泄漏量增加,进一步扩大爆炸危险区域并加速达到爆炸极限。根据氢气的爆炸极限,将氢气体积分数≥0.04部分设为可爆云团,氢气体积分数 ≥0.01的部分为警戒区域[15]。

1.2.2 障碍物的影响

障碍物通过对泄漏后的气体压力作用从而对气体燃烧和爆炸产生影响。温小健等[16]通过数值模拟发现,半开口管道内障碍物会加速氢气火焰传播。随着阻塞率和障碍物数量增加,燃烧压力峰值显著上升:阻塞率0.3时压力约50 kPa,0.8时增至 220 kPa。障碍物数量增至2个时压力变化明显,但增至3个及以上后压力曲线趋于重合。研究表明,泄漏压力升高会增强激波强度,提高空气温度,加速自燃现象。此时若存在点火源极易引发爆炸,且压力越大燃爆风险越高。障碍物特性(形状、大小、位置、排列方式)对氢气燃爆具有显著影响,尤其在半开口管道中表现突出。具体为:①障碍物阻塞率和数量直接影响火焰传播速度及燃烧压力峰值。②泄漏压力增加会改变燃爆特性,进一步提高风险。因此,氢气设施设计需重点考虑障碍物影响并采取针对性安全措施。

1.3 腐蚀泄漏特性

在研究掺氢管道气体泄漏过程中,气体的腐蚀特性也应当予以重视,氢引起的金属腐蚀包括氢的吸附、扩散、聚集与金属反应等多个步骤。图6为氢原子在金属材料内部所经历的渗透与扩散过程的示意情形[17]。表2为常见的3种氢腐蚀类型。

1.3.1 氢气压力与温度对脱碳反应及氢腐蚀的影响

氢气压力与温度对材料脱碳和氢腐蚀的影响可分为3类。①高温高压:显著加速脱碳反应,导致碳钢脱碳层增厚并缩短氢腐蚀时间[19]。在高温高压的条件下,氢气能更容易地破坏多种金属材质,加速钢材腐蚀,如果钢材质中的裂纹扩展导致强度降低到临界水平以下,可能会导致突发的破裂和泄漏现象,应尽量避免此类工况。②高温低压(如520℃、2.5 MPa):引发表面脱碳,形成氢致鼓包,破裂后产生裂纹或凹坑。③低温高压(≥22℃):同时引发表面和内部脱碳,降低材料韧性和塑性,促进裂纹生成。

1.3.2 合金元素高温氢腐蚀裂纹扩展情况

合金元素高温氢腐蚀裂纹扩展情况主要分为以下2点。①高温条件:氢致裂纹通常优先萌生于焊接区域,随后在应力作用下逐渐向基体扩展,且在应力集中部位呈现加速扩展趋势。②常温条件:裂纹扩展速度相对缓慢,掺氢管道中气体因氢腐蚀而泄漏的几率会随裂纹扩展速度降低而减小。
充氢条件下高强度铝合金的氢致裂纹行为受温度和极化电压影响显著。温度效应:①应力腐蚀裂纹扩展速率随温度升高急剧下降,而裂纹扩展速率升高。②在pH≤3.5的HCl溶液中,高温促进氢释放。极化影响:阴极/阳极极化均加速裂纹扩展速率,且阳极极化的促进作用更显著。

2 预防及应对管道泄漏的措施

2.1 预防措施

因氢气的易燃易爆特性,实验研究安全风险极高,制约着相关研究的开展。而数值模拟方法得到了广泛应用,在气体泄漏、燃烧和爆炸领域取得了众多进展。国内外常用的软件诸多,包括Isograph、freeFTA、AutoFTA、OpenFTA、Fluent和FLACS等,如表3所示。

2.2 应对措施

氢气管道泄漏后的应急措施与装备对于确保人员安全和减少环境影响至关重要。氢气的存在可能对钢制管道材料的抗疲劳性能、拉伸强度、延展性和塑性等力学性能产生显著影响。所以预防输氢过程中的泄漏问题,需从管道材料入手,避免氢脆现象。管道的设计方案和掺氢天然气输送的设备亦是避免气体泄漏的着手点。

2.2.1 材料优化

掺氢管道涉及的材料种类繁多,在甄选材料过程中要综合考虑气体介质的物化特性,从材料选择、焊接工艺、失效后果等多个维度进行风险评估。临氢环境下非金属材料性能受多种因素影响,氢气的存在、温度的变化均会降低材料的寿命期限。故在材料优化方面,应加强材料的抗老化性能以增加材料使用年限。此外,掺氢比越大,造成气体泄漏的概率更大。因此,需严格控制掺氢比例,并根据不同设备和系统特点进行调整。为了适应输氢需求并在微观层面上减少氢脆现象,超纯净钢成为了优异的材料选项[26]。目前国内钢厂已研发出了X52纯净钢,可以有效避免氢捕获陷阱。因此,选择适合掺氢环境的特殊管道材料,并定期进行管道完整性和缺陷检测至关重要。
涂层阻氢技术也可在一定程度上减少氢损失,阻氢材料能够在金属表面形成一层致密的、能够阻止氢气渗透的涂层,进而延长金属的使用寿命。目前,阻氢涂层的研究已取得了较大进展,但涂层与基材之间的附着力、涂层的制备工艺等方面仍需加强。

2.2.2 系统优化

掺氢管网包括天然气掺氢安全控制系统、泄漏监测系统和紧急切断系统。
(1)天然气掺氢安全控制系统
掺氢过程的安全控制:在对现场设备进行集中监控和自动控制的基础上,设置可燃气体泄漏检测、火焰风险检测以及紧急切断系统,该系统通过检测现场设备及仪表,显示数据、调节运行参数并记录报警信息,确保掺氢管道的安全运行,防止过量泄漏及不当处理。当管道超压时,该系统可以适当排气减压,防止气体堆积。当设备检修时,系统可释放可燃气体,并通过氮气吹扫置换,确保停机检修的安全性。
(2)泄漏监测系统
当前,监测领域常用的设备有气体检测器、光纤传感器等。其中,气体检测器能够准确、迅速地监测环境中的氢气浓度,实现高精度、低功耗、本质安全的设计要求,并具有便携、易用的特点[27];光纤传感器是通过光信号传导对氢气泄漏进行长距离、实时监测,适合管道铺设较长的场景,相较于其他类型氢气传感器其拥有更高的精度和更强的安全性,光学型氢气传感器在氢气监测的行业领域中受到广泛关注[28]。结合多种监测手段,利于提高氢气泄漏的监测效率,以保障输运系统的安全性。
(3)紧急切断系统
紧急切断系统主要由紧急停止按钮和紧急断流阀构成。发生紧急情况时,紧急停车装置会切断动力电源,确保第一时间停止操作。若氢气中混合气体超过一定浓度,该系统具备自动关闭氢气供应管路的气动切断阀功能,以维护系统的安全运行。此外,我国天然气管道系统沿线安装的截断阀配备了气液联动执行机构。当检测到管道内压力下降速率超过预定安全阈值时,该执行机构将触发截断阀的自动关闭动作,从而有效预防潜在的安全事故。
总体而言,掺氢管道泄漏的应对策略需要综合考虑多个因素,包括材料、设备、工艺和管理体系等,以确保掺氢输送安全和可靠。

2.3 应急处置措施

在事故发生后,应首先关闭管道阀门,暂停运输工艺。其次,确保现场人员迅速、有序地撤离到安全地带,避免与氢气接触,及时通知消防、环保等部门,请求支援。在下风口楼房建筑处合理加强防护措施,及时启用作业区喷淋冷却系统,以防止火热辐射引发管道设备的高温蠕变,降低发生二次事故的风险。在确保现场安全的前提下,使用检测仪器进行检测,确认氢气浓度已经降低到安全范围。确保所有安全问题得到妥善处理后,开始对损坏的设备和管道进行修复,其中,应当设计并建造专用的管道抢维修设备,组建专业的抢维修队伍,同时对掺氢天然气管道输运网络以及掺混工艺进行统筹规划。在事故结束后,还应组织专家对事故原因进行深入分析,总结经验教训,并根据评估结果完善应急预案。
总之,掺氢管道泄漏是一个严重的安全问题,必须对掺氢输送过程中的各种潜在风险进行全面评估,增强管材氢相容性技术研究,实施有效的监测与检测机制,搭建应急与智慧决策大数据平台,加快制定规范标准,逐步开展技术应用示范[29]。

3 结论与展望

通过综述国内外掺氢管道泄漏研究现状,分析了不同因素对掺氢管道泄漏扩散特性、燃烧爆炸特性、腐蚀泄漏特性的影响及其预防措施,得出以下结论与建议。
(1)障碍物的几何特征、风速、掺氢比例等都会对泄漏气体的扩散特性产生显著影响,应科学设计输氢系统的工艺参数,规避建筑物、人群密集区等潜在高风险区域,评估管网系统及外在环境参数的影响,完善风险监测与控制系统,提高掺氢输送的安全性与可靠性。
(2)氢组分会导致脱碳反应、氢腐蚀、裂纹加速开裂等问题,应加强材料相容性及阻氢材料等的研发,增加输氢设备及管道材料的安全性。
(3)定期对管道进行检修和维护,以确保设备始终处于良好的运行状态。加强输氢系统的数据采集与在线监测能力,实现对氢气泄漏的及时检测与评估,为管道运行提供动态监控,提升安全管理水平。
(4)发生泄漏事故时,应迅速启动应急预案,切断气源,疏散人员,使用专业装备进行现场处置,确保人员安全和环境稳定。
(5)结合智慧决策大数据技术,未来的研究应着重探索输氢管道安全的政策制定和实施。此外,加强对氢气泄漏特性的研究将为掺氢天然气的安全输送提供理论支持,促进氢能源的可持续发展。
(6)在探究气体泄漏扩散特性时,模拟计算虽然可以提供直观的扩散行为分析,但缺少实验验证,应加强模型可靠性和准确性的研究。掺氢管道泄漏监测技术亟需深入,目前缺乏典型用氢环境的模拟研究。此外,国内外对于掺氢天然气大规模应用的经验尚不足,缺乏各类管网设备系统相对应的掺氢比例上限标准,难以在可接受风险范围内进行掺氢,建议开展更多的全尺寸实验,以模拟实际工况下的掺氢管道泄漏情况,包括水下、高压等特殊场景下的泄漏扩散规律探究。

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基金资助

国家自然科学基金青年基金项目(51904316)

国家自然科学基金面上基金项目(52174064)

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