展望未来，深入的技术研发、制氢技术的创新、完善的法规标准建设，对于推动加氢天然气运输技术在能源领域发挥更大作用、促进能源可持续发展至关重要。此外，随着技术的不断创新突破，预计加氢比例可进一步提高，如到2030年部分地区加氢比例可提升至30%左右，从而进一步减少碳排放，加速能源结构向清洁低碳转型。
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掺氢天然气管道输送氢脆氢渗透
简介
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随着全球能源消费不断攀升，传统化石能源的有限性日益显现，环境问题日益严峻突出。在这样的形势下，能源转型已成为刻不容缓的紧迫任务。寻找清洁、高效、可持续的能源替代品成为全球能源发展的重要趋势。温室气体排放引发的气候变化对生态系统和人类社会构成了极其严重的威胁。在诸多领域中，能源领域的碳减排尤为重要，对有效应对气候变化起着关键作用。
在能源转型和应对气候变化的大背景下，氢能作为清洁、零碳、环境友好、高能量密度的能源受到广泛关注。然而氢气的大规模运输极具挑战性，而掺氢天然气运输技术为解决这一难题提供了可能。掺氢天然气运输技术充分利用了现有的天然气基础设施，大大降低了氢气应用成本和难度，显著降低了天然气燃烧过程中的碳排放。该技术为能源结构优化升级提供了新途径，也为绿色可持续发展提供了新途径。
中国加快发展氢能产业。2022年3月23日，国家发展改革委、国家能源局发布《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，提出建立“1+n”政策体系，明确氢能战略定位，部署产业发展重点任务。近年来，天然气掺氢技术研发受到广泛关注。在Web of Science上对“掺氢天然气”或“天然气掺氢”主题进行近5年的文献检索，共检索到相关论文59篇，且论文数量逐年增加，研发呈现蓬勃发展的态势。同时，在国家知识产权局对近5年同主题进行专利检索，共检索到相关专利195件，数量也在不断增加。这表明加氢天然气技术的理论研究和实际应用探索都处于快速发展阶段，具有广阔的发展前景。然而，尽管能源转型的迫切需求和氢能应用技术的不断进步，使得加氢天然气技术研究受到越来越广泛的关注并快速推进，但仍面临诸多挑战。这些挑战主要涉及技术标准的制定、规模化应用的成本控制、公众对其安全性的接受等
未来随着研究的深入和技术的不断创新，天然气掺氢技术有望在能源领域发挥更加重要的作用。
国内外加氢天然气输送技术发展历程
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在国外，天然气掺氢输送技术发展迅速，许多国家都启动了相关项目并取得了一定成果，西班牙、英国、美国、德国、比利时、意大利等国均已采取行动。西班牙Nortegas公司启动了首个天然气掺氢试点项目，德国公用事业项目氢掺杂率达到20%[ 5 ]。国际能源署估计，这些在建项目若得以实施，规模将是现有项目的700倍以上，总掺氢能力将超过200万t。但该模式存在技术和成本挑战，且各国管道容纳不同比例氢气的能力也存在差异，欧盟、荷兰、法国、英国等国际项目均已试验了不同的氢掺杂比例。
为评估氢气掺混对现有天然气管网的影响，欧盟39个合作伙伴于2004年启动了NaturalHy项目，提出“绿色氢能”和“氢气运输”两大战略，加速氢经济转型，如图1所示。
（FC，燃料电池）的概念图。
项目针对加氢天然气的燃烧特性、管道耐久性、管道能量容量、气体泄漏造成的能量损失等进行了研究，开发了管道失效概率评估综合管理软件，针对加氢天然气100%、70%、50%~20%进行了管道断裂韧性和安全风险相关试验研究，得出在现有条件下，无需增加测控设备，管道可以安全输送20%的加氢天然气，爆炸风险极低。
2023年11月10日，国家管网集团成功组织开展了首次全长掺氢天然气管道释放喷射火焰试验及密闭空间泄漏燃烧试验。管道采用X65钢级，直径为323.9 mm，释放立管高度为5 m，试验压力为12 MPa，最大掺氢比例为30%。这填补了我国长输天然气管道掺氢泄放燃烧试验验证试验的空白。同时，该试验为长输天然气管道自主可控掺氢输送技术奠定了重要基础。同时，在银川宁东掺氢天然气管道示范平台，397 km长的管道中氢气比例达到24%，安全稳定运行。截至2022年底，全国油气管道总里程已达18.5万km。实践证明，氢气掺混比例为20%时，可输送1000多万吨氢气，相当于5600多亿千瓦时的绿色电力，大大降低了氢气的成本。2024年，首个城镇燃气掺氢综合实验平台在深圳投入运行，标志着氢能应用进入新阶段。
中国是全球可再生能源装机容量最大的国家，预计到2030年，可再生能源制氢装机规模将达到1亿千瓦，产量接近1亿吨；2030年，中国氢能需求量将达到3715万吨，约占终端能源消费的5%；预计到2050年，氢能将占中国终端能源消费的10%。
掺氢天然气对管道管材的影响
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3.1 氢脆
氢脆是指氢渗入金属与金属基体相互作用，导致管道材料韧性降低，甚至发生脆性断裂或开裂现象。氢脆的发生受多种因素影响，包括输送压力的高低、氢掺杂比例的大小、管道本身的强度以及管道的运行时间等。
周德等利用氮气和氢气模拟氢气混合气体，研究了天然气/氢气混合气体对X80管线钢在12 MPa氢压下（氢气体积分数为1.0、2.2、5.0%）拉伸性能的影响。结果表明，氢掺杂天然气对合金的拉伸强度和屈服强度影响不大；随着氢体积分数的增加，合金的收缩率和断裂伸长率明显降低，氢脆敏感性上升。董景南等评价了室温下L80钢在不同氢压下的氢脆敏感性，通过缺口慢应变速率拉伸试验和断口形貌分析，研究了3～12 MPa氢压下L80钢的氢脆敏感性。结果表明：当氢压低于5 MPa时，L80钢在室温下无明显脆性，当氢压高于8 MPa时，出现明显脆性；在3~12 MPa氢压下，L80钢拉伸试样主截面中心处组织形貌由韧窝形貌转变为韧窝与解理形貌并存，同时边缘处组织形貌逐渐由韧窝形貌转变为解理形貌，截面收缩率变化率由16.19%逐渐增大至46.79%；随着氢压的增加，L80钢塑性损失增大，断口表现出明显的脆性特征，氢脆敏感性逐渐增大。
许多学者研究发现，随着氢分压的升高，断裂韧性比逐渐降低，这意味着氢引发延性裂纹所需的能量明显降低，较高的氢分压导致更多的氢原子进入材料中，使材料在加载过程中更容易开裂。
目前氢脆的发生机理尚不明确，但可以采取一系列措施减少其带来的危害，如降低运行压力或氢气掺入比例、新管道设计时留有足够的安全裕度、定期检测、及时更换关键部件等。在掺氢天然气输送过程中，需严格控制氢掺杂比例、优化处理工艺，确保管道设施安全运行。值得注意的是，随着管线等级的提高，发生氢脆的可能性不断增大，X80和X70比X60更容易发生氢致开裂。且多数研究者认为，高强度钢比低强度钢更容易发生氢致失效。
3.2 氢渗透
氢渗透行为是指特定条件下氢气渗透材料整个过程及其呈现的具体表现形式。目前，氢气管道运行中氢渗透行为的机理及其环境条件的影响尚未明确，渗透行为对管道材料力学性能的影响机理尚不清楚。氢渗透行为是当代氢气储运等关键领域的研究热点，因为其可能造成氢气泄漏，进而影响系统的安全性和运行效率。氢渗透行为受多种因素的影响，包括材料本身的性质（如晶体结构、化学成分和微观结构）、环境条件（如温度、压力和氢浓度）以及材料表面的状态（如粗糙度、氧化和涂层），这些都对氢渗透行为有显著的影响。
李等通过慢应变速率拉伸试验、氢渗透试验和表面形貌分析研究了X100管线钢的应力腐蚀开裂行为，发现随着阴极电位的下降，试样的氢渗透电流和应力腐蚀敏感性上升，阴极电位的降低有利于氢析出反应的进行。姚等开展氢渗透试验，研究了电化学环境下氢的扩散参数，并通过氢气微打印试验明确了不同冷变形程度下X65管线钢中氢的分布情况，发现氢渗透电流密度和有效氢扩散系数随冷变形量的增加而下降，而氢在试样表面的聚集程度随冷变形量的增加而增加。深入研究氢渗透行为，有助于开发抗氢渗透性能更优异的材料，优化设备和系统的设计，促进氢能产业健康稳定发展。
3.3 含氢天然气管道泄漏扩散
在掺氢天然气管道系统中，由于管道破裂、接口失效、设备故障等原因，氢气和天然气混合气体从管道中异常逸出，并在周围环境中传播扩散，该过程涉及气体的流动、与环境空气的混合、浓度的变化等复杂的物理和化学变化，对周围环境、人员安全和设施造成潜在威胁。
朱建录等通过SPS (管道仿真平台)软件模拟发现，氢掺杂比例对水平燃气管道压力变化影响较小，且与纯天然气相比，氢掺杂比例为30%可使管道泄漏后修复时间缩短93%。贾文龙等对西气东输管道典型阀室内掺氢天然气泄漏扩散情况进行模拟分析，发现泄漏口方向对甲烷和氢气在阀室顶部聚集影响较大，泄漏口向下不利于甲烷和氢气在阀室顶部聚集。王等建立了障碍物影响下掺氢天然气管道泄漏扩散仿真模型。研究发现，氢气掺混比例的增加扩大了氢气的水平和垂直扩散范围，减小了甲烷的扩散范围。
为确保加氢天然气管道安全，需进一步开展长期试验，更加精准地评估与现有燃气基础设施的适应性，建立标准体系；加快研发成本低、效率高的绿色制氢技术，为城镇燃气加氢提供充足的氢源；深入验证“混-输-用”环节的关键技术；制定加氢天然气相关标准规范；加强法规监管；加强“政产学研用”协作，促进全产业链合作，建立有效的共享平台和合作机制。
3.4 掺氢天然气管道火炬
含氢天然气管道爆炸是指由于泄漏，管道内氢气和天然气混合物在一定条件下迅速燃烧，产生强烈的冲击波，对管道及其周围环境造成严重破坏，对人民生命财产造成威胁。
Shchelkin、Lee 等和Shepherd 等研究了天然气—氢气混合气体的爆燃转爆轰特性，Urtiew 等率先指出了爆炸向爆轰的转变。倪菁等在圆形半封闭燃烧室内对3 种不同氢掺杂率的预混气体进行了实验测试，发现氢气促进爆轰的传播速率，且氢掺杂率与传播速率呈正相关。余进等分析了不同风速、不同氢掺杂率条件下障碍物存在下掺氢天然气的泄漏扩散规律，发现随着氢掺杂率的提高，甲烷爆炸下限扩散半径逐渐减小，爆炸危险性相应增大。万小刚等[36]对掺氢天然气的泄漏扩散规律进行了研究。在氢气中添加少量甲烷，发现碳氢化合物的存在会降低氢气的可燃性。张更新等利用纹影技术，获得了特定条件下氢气-空气预混球形火焰图像，获得了平均精度值、临界火焰半径、裂纹长度、平均胞腔面积等结果，并提出了适用的胞腔分割模型，为氢气燃烧爆炸数值模拟的发展做出了贡献。
未来随着相关研究的深入和技术的发展，掺氢天然气管道安全标准体系将进一步完善，保障其安全运行。同时，我国正在加快布局氢能产业，在氢能制备、储运、基础设施建设等方面不断取得突破，一批集中企业布局氢气生产、储存、加氢、用氢全产业链。
加氢天然气输送技术的优势与挑战
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4.1 加氢天然气输送技术优势
加氢天然气在交通运输技术中的应用，大幅降低了能源消费中的碳排放。氢气在燃烧过程中产生的二氧化碳远低于传统化石燃料，对减缓全球气候变化、实现碳中和目标具有重大积极意义。通过合理配置天然气与氢气的比例，有助于加速氢气生产、储存、运输等环节的技术创新和产业升级，推动氢能从生产到应用的发展。
天然气掺氢输送技术具有诸多突出优势。在能源转型方面，将氢气掺入天然气这种清洁能源载体中，有助于减少对传统化石燃料的依赖，促进能源结构向低碳、清洁方向转变。从环境效益来看，氢气燃烧的产物主要是水，大大减少了二氧化碳、氮氧化物、颗粒物等污染物的排放，对于减缓气候变化、改善空气质量具有重要意义。在能源储运方面，天然气管道基础设施已经比较完善，利用已有天然气管道进行掺氢输送，大大降低了新建专用氢气输送管道的高昂成本，提高了基础设施利用效率，促进了氢气的大规模推广应用[ 39 ]。研究表明，天然气管道掺氢成本低于1000km以上距离的电力输送成本[ 40 ]。此外，天然气掺氢改善了燃烧特性，氢气燃烧迅速，提高了混合气的燃烧速度和燃烧效率。从经济角度看，天然气掺氢运输技术有利于推动氢能产业发展，带动相关技术研发、装备制造的投资和就业，催生新的经济增长点。
4.2 加氢天然气输送技术面临的挑战
氢气极易燃烧、爆炸，扩散速度快，燃烧范围广，加氢天然气管道在运输过程中发生泄漏，往往造成气体积聚，造成窒息甚至爆炸危险。目前制氢技术尚不成熟，主要依赖化石能源重整、水电解等方法，存在效率低、能耗高、生产成本高等问题，严重制约了加氢天然气的规模化应用，有必要研发更高效、低成本的制氢技术，提升其经济性。
此外，掺氢天然气输送技术在材料兼容性方面也遭遇严峻挑战。由于氢气的特殊性，现有的天然气管道材料并不能完全适应掺氢后的工况，如氢气可能引起管道材料脆化、氢气渗透等问题，从而缩短管道使用寿命、增加维护成本、带来安全隐患。而且在检测监测环节，目前还缺乏精准有效的技术手段实时监测天然气中氢含量和管道运行状况，面对掺氢天然气，传统检测设备和方法的准确性和可靠性大大降低，难以满足实际需要，给管道安全运行带来隐患，出现问题时难以准确判断、及时处理。
目前，加氢天然气及运输相关法规标准尚不完善，在技术推广和实际应用中缺乏明确、统一的规范和指导，导致行业发展缺乏规范性和一致性，亟待制定涵盖技术要求、安全标准、质量控制等各方面的完善的法规标准体系。
掺氢天然气在炉具中的燃烧应用
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随着能源结构的优化和对清洁能源的不懈追求，天然气掺氢输送技术成为关注重点。炉灶作为常见的燃气设备，燃烧性能显著，氢气具有燃烧速度快、燃烧极限宽、着火能低等特点，而天然气的主要成分甲烷燃烧相对稳定，二者混合后的燃烧特性取决于氢气掺混比例，氢气掺混加快了火焰传播速度，合适的氢气掺混比例可优化燃烧反应，提高炉灶热效率，减少不完全燃烧产物和能量损失。氢气掺混比例较低一般对火焰稳定性影响不大，比例较高时需警惕回火、熄火。此外，天然气燃烧掺氢降低了氮氧化物、二氧化碳等污染物的排放，增加了少量氮氢化合物的排放。马向阳等[42]研究了掺氢天然气燃烧过程中燃烧产物中氮氧化物、二氧化碳等污染物的排放。研究发现，在满足天然气燃烧潜力与沃坡指数要求的情况下，甲烷中氢气混合比例最高可达23%。罗子宣等通过燃烧试验发现，当天然气氢气混合比例为5%、10%、15%、20%时，火焰稳定性以及燃烧过程中产生的一氧化碳和氮氧化物含量均满足国家标准。另外，随着氢气混合比例的增加，烟气中一氧化碳含量降低，炉膛热效率提高。
鉴于此，炉具需要改进。一方面需要调整燃烧器结构，如优化燃气喷嘴和空气通道，确保混合均匀、燃烧充分。另一方面需要改进控制系统，精确调节燃气和空气流量，实时监测燃烧状态，自动调整参数。在实际应用中，无论是家庭还是商业厨房都有成功的例子。但仍存在许多挑战，如氢气供应和储存基础设施不足、与炉具的兼容性和标准化问题、公众对新技术的接受程度有限等。为了解决这些问题，需要采取一系列措施，如加大基础设施建设投入、建立统一标准、加强宣传教育等。
结论
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天然气掺氢及输送技术是能源领域的重要技术，国内外均在探索中，国外进展较快，但面临技术和成本的挑战。技术上，天然气掺氢对管道有氢脆、氢渗透作用，可能造成氢气泄漏，影响安全效率。该技术优势明显，减少碳排放，为氢气应用开辟道路，促进产业链发展。但也面临严峻挑战，如氢气效率低、易燃易爆增加安全风险、生产工艺依赖传统方法，相关法规标准不完善，影响行业规范化。
在不进行抗氢改造的前提下，认为我国一般长输天然气管道能够耐受氢掺混比例在10%～20%以下的HCNG（富氢压缩天然气），假设长输天然气管道按设计输气能力运行，2030年我国约有14.98%～29.96%的氢能消费需求可以通过HCNG形式进行长距离输送。
氢脆、氢渗透预测模型及防护策略的开发、氢气掺混比例的优化、低成本制氢技术的开发等，将加速该技术的产业化应用。在标准规范方面，相关部门及组织建立健全完善的法规标准体系。未来，随着技术进步、成本降低及政策扶持，加氢天然气运输技术构建清洁、低碳、高效的能源体系，有望成为全球能源转型可持续发展的有力支撑，推动能源绿色化未来。
