氫脆與泄露不是攔路虎

許多鋼都容易發(fā)生氫脆（如圖1），即材料接觸氫時(shí)，在低于屈服強(qiáng)度的持續(xù)載荷下發(fā)生脆性斷裂。氫濃度和操作壓力是導(dǎo)致氫脆的最關(guān)鍵因素。而如果是使用低強(qiáng)度鋼的管道，其主要的氫損傷是拉伸延性的喪失或起泡，但通常在氫環(huán)境下以延性斷裂而非災(zāi)難性脆性斷裂。氫損傷的嚴(yán)重程度在很大程度上取決于氫濃度和操作壓力。

在中低壓力（290 psig（20 bar））管道系統(tǒng)中，由于管道運(yùn)行抗拉強(qiáng)度相對(duì)于設(shè)計(jì)強(qiáng)度較低，因此對(duì)氫增強(qiáng)裂紋增長的影響要小得多。在全世界范圍內(nèi)，在壓力低于290 psig （20 bar）的情況下成功運(yùn)輸純氫已有很長的歷史，在過去的幾十年里沒有出現(xiàn)操作問題。

資料來源：NREL圖1． 氫脆過程

對(duì)于其他金屬管道，包括球墨鑄鐵、鑄鐵和鍛鐵以及銅管道，在天然氣運(yùn)輸系統(tǒng)的一般操作條件下，不需要擔(dān)心氫損傷。關(guān)于氫老化對(duì)聚乙烯（PE）或聚氯乙烯（PVC）管道材料的影響，也沒有大的擔(dān)憂。大多數(shù)用于天然氣管道系統(tǒng)的彈性體材料也可與氫相兼容。

安全性綜合評(píng)估此處根據(jù)天然氣管道的不同模塊，分開討論HCNG在其中的安全性能。參照美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室技術(shù)報(bào)告對(duì)天然氣管道的分類，天然氣管道可以分為：收集段線路、主干道傳輸線路、主支線傳輸線路和終端服務(wù)分配傳輸線路四大模塊（如圖2）。各環(huán)節(jié)所用材料等在不同地區(qū)都會(huì)有所不同，具體情況還應(yīng)具體處理。此處給出披露的研究結(jié)論作為參考。

資料來源：NREL圖2． 包含收集線路、輸配主干線、分配主線和分配服務(wù)線的天然氣供應(yīng)鏈

在管道的非爆炸安全性質(zhì)方面，我們引用美國國家實(shí)驗(yàn)室披露的關(guān)于分配主線和終端分配服務(wù)線的結(jié)論。此處安全等級(jí)被分為“嚴(yán)重”“比較嚴(yán)重”“一般”“較低”“低”“無”六個(gè)等級(jí)，表3。\

分配系統(tǒng)和輸配主干線之間的一個(gè)重要區(qū)別是相對(duì)于人口密集地區(qū)的位置。在人口稠密的地區(qū)，輸氣管道中可接受的氫氣含量需要來自火災(zāi)或爆炸的頻率和嚴(yán)重程度更多元的評(píng)估。此外，在分配系統(tǒng)中由氣體泄漏引起的危害可能比在傳輸管道中更嚴(yán)重，特別是在封閉的服務(wù)區(qū)（表4，5）。在氫服務(wù)系統(tǒng)下，分配系統(tǒng)的完整性管理可能需要檢漏裝置或監(jiān)測裝置或傳感器。含氫的傳輸系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用可能會(huì)增加，因?yàn)檫@些系統(tǒng)需要更頻繁地檢查，可能需要額外的泄漏檢測系統(tǒng)。

研究結(jié)果表明，隨著氫氣含量的增加，分配服務(wù)線的事故嚴(yán)重程度略高于分配干線。這當(dāng)中重要的區(qū)別來自于：位于應(yīng)用終端的服務(wù)管道通常位于密閉空間中，泄漏氣體更容易積聚。

當(dāng)氫氣濃度大于50％時(shí)，分配干線和分配服務(wù)線的事故總體嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)都有一個(gè)比較大的上升。因此控制氫含量低于50％將有小減小整體風(fēng)險(xiǎn)。

表3． 天然氣輸送系統(tǒng)的危害等級(jí)與對(duì)應(yīng)數(shù)值

表4． 天然氣管道分配主線中各類事故對(duì)應(yīng)的發(fā)生概率以及含不同比例氫氣時(shí)的嚴(yán)重情況

資料來源：NREL