氢气与天然气长输管道设计对比探讨

王晓峰，蒲明，宋磊，陈嘉琦，郭杰，孙骥姝，薛慧勇

中国石油天然气股份有限公司规划总院

氢能是一种清洁能源，对促进能源结构转型和降低碳排放具有重要意义。目前，随着能源低碳转型加速，各发达国家均出台相应政策，将发展氢能提升到国家能源战略高度［1-2］；
中国自“双碳”战略目标提出后，国内氢能产业也进入了快速发展阶段，氢能产业发展带来了大规模、长距离输氢的新需求。管道输送是一种可实现氢能大规模、长距离输送的经济可行的方式，对降低氢能储运成本、提高可再生能源制氢利用率具有重大意义［3-8］。

国外氢气管道建设起步较早，距今已有80余年历史。国内氢气管道建设相对滞后，储运技术及标准体系尚不完善。鉴于氢气与天然气输送具有一定的相似性，目前阶段氢气管道设计可一定程度上参考天然气管道。但由于两者物性的差别，天然气管道与氢气管道在设计方面也存在一些不同之处。本文通过对相关文献［9-12］及标准规范的研究，结合已有工程实践，从输气工艺、管材选择、压缩机选型、站场设计等方面，对氢气和天然气长输管道设计进行对比分析，以期为后续氢气管输技术研究和工程设计提供一定的参考。

1.1 国外氢气管道现状［13］

国外氢气管道发展相对成熟。最早的氢气长输管道于 1938年在德国鲁尔工业区建成，总长度约208 km，管径为168～273 mm，设计压力2.5 MPa，连接18个生产厂和用户。美国氢气管道规模最大，总里程超过2 700 km，最高运行压力达到10.3 MPa。美国墨西哥湾沿岸建有全球最大的氢气供应管网，全长超过900 km，连接22个化工企业，输氢量达到113×104t/a。另外，欧洲也已建成超过1 500 km的输氢管道，管径规模为100～500 mm，负责将氢气从上游供应商输送至下游工业用户。国外典型氢气管道统计情况见表1。

表1 国外典型氢气管道统计情况

同时欧美国家也形成了较为完善的标准体系［14］。美国机械工程师协会编制的 ASME B31.12-2019Hydrogen Piping and Pipe-lines（氢气管道系统和管道）、美国压缩气体协会编制的 CGA G-5.6—2005（R2013）Hydrogen Pipeline Systems（氢气管道系统）均适用于氢气长输管道。这些标准可用于指导氢气输送管道的设计、施工、运行及维护。

1.2 中国氢气管道现状［13,15］

中国氢气管道起步较晚，目前已建成的氢气输送管道总里程约100 km，包括金陵—扬子氢气管道、巴陵—长岭氢气提纯及输送管道、济源—洛阳氢气管道等。另外，玉门油田输氢管道已于 2022年 7月主体贯通，目前尚未正式投用。中国典型氢气管道统计情况见表2。

表2 中国典型氢气管道统计情况

中国氢气管道标准体系尚不完善，更缺少氢气长输管道标准［16-17］。目前，中国与氢气管道相关的标准规范主要有：GB 50177—2005《氢气站设计规范》、GB 4962—2008《氢气使用安全技术规程》、GB/T 34542《氢气储存输送系统》等。其中，GB 50177—2005《氢气站设计规范》适用于氢气站、供氢站及厂区内部的氢气管道设计；
GB 4962—2008《氢气使用安全技术规程》适用于气态氢生产后的地面作业场所。这两项标准均不适用于氢气长输管道。GB/T 34542《氢气储存输送系统》适用于工作压力不大于140 MPa，环境温度不低于-40 ℃且不高于65 ℃的氢气储存系统、氢气输送系统、氢气压缩系统、氢气充装系统及其组合系统，该标准共包含 8个部分：第1部分 通用要求；
第2部分 金属材料与氢环境相容性试验方法；
第3部分 金属材料氢脆敏感度试验方法；
第 4部分 氢气储存系统技术要求；
第5部分 氢气输送系统技术要求；
第6部分 氢气压缩系统技术要求；
第7部分 氢气充装系统技术要求；
第 8部分 防火防爆技术要求。其中，第 1到第3部分已经正式实施，第4到第8部分还在起草中。目前，由于国内没有专门针对氢气长输管道的标准规范，通常参照天然气管道标准进行设计。

2.1 输气工艺

天然气输送工艺常用的状态方程有SRK方程、BWRS方程、PR方程等，其中BWRS方程适用范围更广，精确度更高。目前，常用的天然气工艺系统分析软件如 SPS（石油天然气长输管道模拟计算软件）、TGNET（气体管道瞬态和稳态模拟计算软件）等，大多采用BWRS方程。

氢气输送工艺与天然气类似［18-20］，常用的状态方程包括SRK方程、BWRS方程、PR方程、GS方程、PRSV方程等。目前，尚未有实验数据证实各状态方程的准确性。现有的一些研究表明［21-23］，管输压力小于12 MPa时，GS方程精确度较高；
管输压力为12～35 MPa时，SRK方程计算精确度较高；
压力大于35 MPa时，PRSV的计算精确度较高。氢气工艺系统分析也可以采用SPS、TGNET等软件。由于氢气输送与天然气输送相比其密度更小，因而同体积流量、同条件下管道沿程摩阻更低，管输压降更小。

2.2 管材选择

氢气环境下易导致金属材料失效，主要失效形式包括氢脆、氢鼓泡、脱碳（氢腐蚀）等形态［24］。氢脆是由于氢原子进入到金属内部，在位错和微小间隙处聚集而达到过饱和状态，使位错不能运动，阻止滑移进行，降低钢材晶粒间的原子结合力，造成钢材的延伸率和断面收缩率降低，强度也出现变化。氢鼓泡是氢原子进入到金属的间隙、夹层处，并在其中复合成分子氢，产生较高的压力而使夹层鼓起。脱碳也称氢腐蚀，是氢原子渗入钢内部，与钢中不稳定的碳化物发生反应生成甲烷，使钢脱碳，导致管材机械强度受到永久性破坏。这些特性使氢气管道管材选择与天然气管道相比有更高的要求。

天然气长输管道可选用 API SPEC 5LSpecification for Line Pipe（管线钢管规范）中的所有钢管，一般大口径管道优先选择高钢级钢管，以减少钢管壁厚，降低工程投资。常用的钢管类型有无缝钢管、高频电阻焊管、直缝埋弧焊管、螺旋缝埋弧焊管等。常用管线材质包括L245、L360（X52）、L415、L485（X70）、L555（X80）等。根据 ASME B31.8-2020Gas Transmission and Distribution Piping Systems（天然气输配管道系统），天然气管道壁厚计算公式见式（1）。

式中：P—设计压力，MPa；
S—规定的最小屈服强度，MPa；
t—公称壁厚，mm；
D—钢管公称直径，mm；
F—设计系数；
E—纵向焊缝系数；
T—温度折减系数。

氢气长输管道用钢管在钢管类型、钢级、合金元素、操作压力等方面相比于天然气管道存在一定的限制［25］。对于氢气管道，运行压力越高、材料强度越高，氢脆现象就越明显。同时，C、Mn、S、P、Cr等元素会增强低合金钢的氢脆敏感性；
另外，焊接缺陷、残余应力等也易导致钢管氢致失效。因此，ASME B31.12-2019Hydrogen Piping and Pipe-lines中限定了API SPEC 5L中的钢管可用类型（见表3），并禁止使用炉焊管，推荐采用 API SPEC 5L PSL2级 X42、X52钢管，且规定必须考虑氢脆、低温性能转变、超低温性能转变等问题。在实际工程中，氢气长输管道一般优先选择低钢级（如API SPEC 5L PSL2 X52及以下）无缝钢管。

表3 ASME B31.12-2019规定的氢气可用钢管类型

根据ASME B31.12-2019Hydrogen Piping and Pipe-lines，氢气管道壁厚计算公式见式（2），式（2）中Hf为材料性能系数。

氢气管道壁厚计算增加了“材料性能系数”，材料性能系数指氢气对碳钢管道机械性能产生的不利影响。ASME B31.12-2019Hydrogen Piping and Pipe-lines规定的材料性能系数取值见表4（考虑了壁厚负公差及裕量）。增加材料性能系数后，钢管计算壁厚会相对增大，有利于增加氢气长输管道安全性。另外，针对不同钢管类型，式（1）和式（2）涉及的纵向焊缝系数、设计系数取值也稍有区别，氢气管道壁厚计算公式中对纵向焊缝系数和设计系数的要求相对更严格，纵向焊缝系数、设计系数取值分别见表5和表6。

表4 ASME B31.12-2019中规定的材料性能系数取值

表5 ASME B31.12-2019和ASME B31.8-2020中规定的纵向焊缝系数取值

表6 ASME B31.12-2019和ASME B31.8-2020中规定的设计系数取值

ASME B31.12-2019Hydrogen Piping and Pipe-lines中规定输氢管道可采用两种不同的设计方法，分别为规范化设计方法和基于管材性能的设计方法。规范化设计方法与天然气管道设计方法基本相同，但氢气管道设计公式中的设计系数F取值较小，目的是为了增加氢气管道的安全性。基于管材性能的设计方法依据 ASME BPVC.VIII.3-2019ASME Boiler and Pressure Vessel Code-SECTION VIII Rules for Construction of Pressure Vessels-Division 3 Alternative Rules for Construction of High Pressure Vessels（《锅炉及压力容器规 第八卷：压力容器 第三册：高压容器建造的另一规则》）中的相关试验要求，规定材料必须开展室温氢环境下材料应力强度因子门槛值KIH的测试试验，要求试验压力不得小于设计压力，当测得的KIH大于等于临界裂纹尺寸存在时的断裂韧度KIA值，且数值不小于50 ksi·in1/2（约55 MPa·m1/2）时，材料满足要求。基于管材性能的设计方法中的设计系数F与天然气管道设计系数基本相同。

2.3 压缩机选型

中国在役的具有增压功能的天然气长输管道管径均在610 mm以上，输量均超过30×108m3/a。天然气长输管道与氢气长输管道相比，输量更大、增压比较低（不超过2），故一般采用离心式压缩机。离心式压缩机的优点是排量大、结构紧凑、占地面积小；
缺点是压缩机的压力、流量有一定适用范围，小流量时易发生喘振，且投资较高。离心式压缩机又分为电驱和燃驱种类型，不同机型的燃驱离心式压缩机功率在7～43 MW之间，电驱离心式压缩机功率一般小于20 MW。

国内外氢气管道运行压力通常低于 5 MPa，管径100～500 mm，输量通常小于10×104t/a（11×108m3/a）。参考GB 50177—2005《氢气站设计规范》对于压缩机的分类，氢气压缩机分为低压、中压和高压压缩机。低压压缩机指输出压力小于 1.6 MPa的氢气压缩机，经常用于上游制氢后的增压、储存（如低压储氢球罐）；
中压压缩机指输出压力大于或等于1.6 MPa，小于10.0 MPa的氢气压缩机，经常用于管道输氢等场合；
高压压缩机指输出压力大于或等于10.0 MPa的氢气压缩机，通常用于下游高压储氢（如高压储氢罐）、输氢（如长管拖车）或用氢（如加氢站）。氢气长输管道用压缩机属于中压压缩机，基于输量、压比、经济性等因素考虑，氢气管道用压缩机通常采用往复式压缩机。由于氢气分子量较小，采用往复式压缩机压缩氢气更为高效；
离心式压缩机的工作原理是通过离心力的作用，压缩密度较小的氢气则能耗较高。

往复式压缩机具有排气量及压力适用范围广、投资低但结构复杂、外形尺寸大的特点。经了解，国内往复式压缩机单机功率一般在10 MW以下，制造技术比较成熟，主要应用业绩为石化等工业领域。国外往复式氢气压缩机功率等级更高，部分厂家最大单机功率可达33 MW。氢气往复式压缩机选型主要影响因素包括：气质组分，流量，压力，入口温度，最终排气压力，级间冷却要求及环境条件，是否有高清洁度要求（有油或无油）等。未来，随着输氢技术的进步和氢气管道规模的扩大，大排量高功率的氢气压缩机将成为未来的发展趋势。

2.4 站场设计［26-35］

天然气长输管道站场设计已趋成熟。站场主要功能包括：清管、过滤、增压、加热、计量、调压、放空、排污等。按站场在管道中所处的位置，分为首站、末站和中间站三大类，中间站根据其自身功能又分为压气站、分输站、清管站等。目前，天然气管道站场设计基本实现了标准化。

目前国内氢气管道输量较小、长度较短，一般只设置首站和末站。其站场功能与天然气站场类似，主要包括清管、过滤、增压、计量、放空、排污等功能。由于氢气分子量小，着火能量低，燃烧速度快，与空气、氧气混合燃烧爆炸极限宽，因此相比天然气，氢气具有质量轻、易泄漏、易致材料损伤、易燃易爆等特点。参考GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》、ASME B31.12-2019Hydrogen Piping and Pipe-lines、GB 50177—2005《氢气站设计规范》、GB 4962—2008《氢气使用安全技术规程》等规范要求，并结合已有项目设计经验，氢气管道与天然气管道站场设计的主要特点总结如下：

一是防止氢气积聚方面。参考GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》，天然气站场工艺过程不能完全做到密闭时，建筑物内应采取局部通风或全面通风措施，可燃气体报警界限浓度一般为该气体爆炸下限浓度的20%或25%。参考GB 4962—2008《氢气使用安全技术规程》，氢气使用区域应通风良好，保证空气中氢气最高体积含量不超过1%，采用机械通风的建筑物进风口设置在建筑物下方，排风口设在上方。由于氢气爆炸极限范围宽（4%～75.6%），氢气站场一般尽量避免管道或设备处于密闭空间，如压缩机厂房经常设置为有棚无墙式结构；
而天然气站场的燃气发电机房、锅炉房、压缩机厂房等一般均为密闭厂房结构。

二是控制氢气腐蚀、泄漏方面。天然气站场用钢管根据管径的不同可选择无缝钢管、直缝埋弧焊钢管、高频电阻焊钢管等不同类型，无需氩弧焊打底；
阀门球体、阀座等通常采用锻钢；
法兰密封面形式一般为 RF（突面）。氢气站场用钢管尽量选择无缝钢管，碳钢管焊接时宜采用氩弧焊做底焊，不锈钢管一般采用氩弧焊；
参考GB 50177—2005《氢气站设计规范》中相关规定，设计压力大于2.5 MPa的阀门，阀体、法兰、球体、阀盖宜采用不锈钢（如锻造F316L不锈钢），法兰密封面宜采用MFM（凹凸）或TG（榫槽）面。

三是防止遇明火发生爆炸方面。由于氢气爆炸范围广，点火能量小，具有较高的自燃概率，因此氢气放空管的管口处通常设阻火设施；
连接至用氢设备的支线管道一般设切断阀，有明火的用氢设备通常设阻火设施。而天然气一般不会自燃，因此可以不设置阻火设施。

由于氢气具有氢致失效、易泄漏、着火能量低、爆炸极限宽等特性，导致氢气和天然气长输管道设计在输气工艺、管材选择、压缩机选型、站场设计等方面有明显差异。通过对比分析，总结了氢气管道设计的一些建议，可为后续氢气管输技术研究和工程设计提供一定的参考。主要结论如下：

氢气输送工艺与天然气输送工艺类似，适用的状态方程在不同压力下有所不同。当氢气输送压力小于12 MPa时，GS方程精确度较高；
当管输压力为12～35 MPa时，SRK方程计算精确度较高；
当管输压力大于35 MPa时，PRSV方程的计算精确度较高。同体积流量及相同压力、温度条件下氢气管输压降较天然气管输压降更小。

由于氢脆的影响，氢气长输管道一般优先选择低钢级（如API SPEC 5L PSL2 X52及以下）无缝钢管。同时，氢气管道壁厚计算中增加了“材料性能系数”，以保障氢气管道安全性。

氢气管道用压缩机一般选择往复式压缩机。

为防止氢气积聚、氢气腐蚀及泄漏、氢气遇明火发生爆炸等问题，在参考天然气管道站场设计基础上，氢气管道的站场设计可采取一系列措施，如：尽量避免管道或设备处于密闭空间，在有可能发生氢气积聚的建筑物内采用机械通风并将进风口设置在建筑物下方，设置固定式可燃气体检测报警仪；
站场用钢管尽量选择无缝钢管，设计压力大于 2.5 MPa的阀门，阀体、法兰、球体、阀盖宜采用不锈钢，法兰密封面宜采用MFM或TG面；
放空管的管口处或连接有明火的用氢设备宜设阻火设施。