掺氢是杀鸡用牛刀的行为。

100体积的总气量，30%掺氢，带动了30体积的绿氢发展；

100体积的总气量，30%掺合成天然气（4H2+CO2），可以带动120体积的绿氢发展。

掺氢碳减排，1kgH2=2.84kg天然气，天然气碳排放=2.8kg/kg，减排价值=8.0kg/kgH2

替换煤制氢，1kgH2=1kgH2，煤制氢碳排放=24kg CO2/kg，减排价值=24kg/kgH2

直接天然气管道输纯氢当然是最好的，但是情况一点也不“乐观”。

本文解答了三个问题：

1.城市煤气有高达50%的H2，是否意味着掺氢是件相对“容易”的事情？答案是“否定”的。

2.欧洲规划天然气管道输送100%纯氢，是否已经证明了天然气管道掺氢/输氢技术上没有障碍？答案是“限制条件下是的”

3.美国NREL在考察了众多欧盟掺氢项目后，依然对天然气管道掺氢持有保守的结论，为什么？

这三点基本以引用和翻译原文包括图表来进行。如有兴趣得出自己的结论，请务必看原文。

1

城市煤气与天然气掺氢几乎“无关”

首先，必须要提一下“城市煤气”。无论是现在的国内，还是过去几年的欧洲的掺氢项目报告，无一例外的喜欢用“Town Gas”的历史，来“暗示”掺氢这件事情的“靠谱”。3月份国内也有比较密集的香港输送城市煤气的经验进行天然气掺氢项目的研究和推广。

事实上人家是说了实际情况的：

香港管网系统能安全输送掺氢50%的燃气，其主要原因为：

1.管网系统综合强度较低、高断裂韧性较高

2.管网运行压力较低

3.同时燃气中少量的一氧化碳和氧气可以起到抑制氢脆的作用。

中石油西南油气田分公司与香港中华煤气在京举行天然气管道掺氢专题座谈交流会港华燃气 2023-04-05 08:03 发表于广东

2

掺氢：输送压力降低的影响

香港城市煤气和我国天然气管网输气运行压力对比如下：

注：西二线主干线、支干线压力

阿拉山口至南昌段：长度为4046km,管径为1219mm，设计压力为12.0MPa。

南昌至广州段：长度为786km,管径为1016mm，设计压力为10.0MPa。支干线设计压力

轮南至鄯善段：长度为500km,管径为1016mm，设计压力为10.0MPa。靖边至西安段：长度为500km,管径为1016mm，设计压力为10.0MPa。吐哈至鄯善段：长度为104km,管径为610mm，设计压力为10.0MPa。南昌至上海段：长度为700km,管径为941mm，设计压力为10.0MPa。广州之南宁段：长度为620km,管径为711mm，设计压力为10.0MPa

开封至商丘段设计压力6.3MPa,商丘-永城天然气管道自西气东输二线豫东支线商丘末站接气，设计压力为6.3MPa，压力管道级别为GA1级，管道全长约120公里，采用直缝焊钢管（3PE外防腐）

压力低意味着输送能量的损失。直觉上，流速的提高可弥补，但是事实却非常复杂且悲观，完成恒定体积流速或恒定能量传输是一门系统性技术活。如下摘自NREL的报告：

集输管道：

更高的流速需要更高的压力，然而考虑到氢气对钢材完整性的影响，管道操作压力又可能需要降低（ASME B31.12）。与管道能源传输相比，管道储气量的总容量减少幅度更大。有研究发现，管道储气量随着氢气成分的增加而降低，最高可达60%（体积）。管道储气量的减少会抑制传输网络的灵活性，因为在管道网络中可以存储的能量更少。为了弥补输送能力的下降，管道运营商可以增加天然气流速，以保持一致的能源输送。然而，流速的增加会导致管道沿线的压降增加，这反过来可能需要更高的管道压力来维持城门和其他最终用户所需的输送压力。维持能源传输能力的能力将取决于设备和管网系统的限制。

在增加氢气浓度的同时保持一致的能量传输速率将增加压缩功率需求，这可能需要在管道压缩站和/或额外的压缩站位置进行修改或更换，以管理最大允许管道压力。这一点意义重大，因为压缩占用于运输天然气的大部分能量，并满足最终用户的压力和流量要求。压降是各种管道特性和条件的函数，这些特性和条件随着气体成分的变化而变化，包括流体流速、气体密度、摩擦系数和平均气体温度。先前的几篇出版物已经报道了氢气对恒定体积流速、恒定能量传输基础或两者兼有的管道压降的影响。有研究结果表明，在标准体积气体流速不变的情况下，氢气含量的增加会降低压降。这主要归因于随着氢含量的增加，混合物密度降低，压缩系数升高，混合物粘度降低。然而，重要的是要注意，尽管在恒定的体积流速下，压力降随着氢气浓度的增加而减少，但由于氢气的体积能量密度较低，总能量流速也会减少。研究发现，对于恒定的能量流速，压降随着氢气含量的增加而增加，直到氢气体积百分比为70%-85%时达到峰值，之后压降减小。

氢气的添加也会导致其他混合物热力学和传输特性的变化，这反过来又会间接影响压力降和管道容量。混合物性质的变化，如热容和焦耳-汤姆逊系数，会影响流体的传热和热力学，导致传输管道沿线的温度变化。

配气管网输

与之前讨论的集输管道一样，配气管道必须在终端使用点保持送气压力以满足客户规格要求。为了达到这些规格要求，操作方法可能需要进行调整，这取决于氢气混合程度和所需气体流量。有研究分析了输送恒定能量流率气体的25毫米标称直径钢管100米长度上的压降。他们发现，当混合气中含有30v％的氢气时，混合气的压降比纯天然气高25％。在规划配气网络操作时必须考虑到增加的压降，以确保系统仍然满足终端使用要求。

3

掺氢：城市煤气中CO和O2的促进作用

香港城市燃气的组分如下两个表格，一个是集输管线项目资料，另一个是港华燃气网站的给客户的指标：

城市煤气，含有3%的一氧化碳，还有微量氧（氮+氧0%-3.3%）。

CO和O2都有很强的 “抑制钢的断裂韧性损失”的作用。而且从查到的文献看，1977年以前就知道了。

J. D. Frandsen; H. L. Marcus (1977). Environmentally assisted fatigue crack propagation in steel. , 8(2), 265–272. doi:10.1007/bf02661639

Holbrook, J.H. (2012). Gaseous Hydrogen Embrittlement of Materials in Energy Technologies || Control of hydrogen embrittlement of metals by chemical inhibitors and coatings. , (), 129–153. doi:10.1533/9780857095374.1.129

4

纯氢：德国的天然气管道真的适合输送纯氢么？

领英上有一个帖子，专门分析了：Are German Gas Pipelines "Fundamentally Suitable" for Carrying Hydrogen?

翻译如下：

最近一项由德国燃气与水协会（DVGW）出资，由Open Grid Europe GmbH在斯图加特大学的协助下进行的研究，对各种压力下的氢气环境下的管道钢材进行了仔细、广泛和彻底的测试。

这份报告得出了一个令人震惊的结论，被氢能欧洲和其他一些亲氢气游说团体高呼："因此，该项目研究中调查的所有管道钢材都基本适用于氢气传输。"

那么，就这样了！所有的天然气输送管道都基本适合传输纯氢气！化石燃气分销行业得救了！所有那些像我一样指出这种转换的危险的人都是错的！

虽然我很高兴发现自己错了，这样我就可以根据测量的事实来改变我的观点，但在这种情况下，答案比“Paul Martin是错的-燃气管道与氢气使用是安全的”要复杂得多。

TL&DR 总结：该研究中进行的广泛的材料测试证明，分子氢确实会使管道材料疲劳开裂速度更快（比天然气快30倍），并且会失去高达一半的断裂韧性（使其更容易断裂）。但是，如果将管道的设计压力大幅降低，降至原设计压力的一半至三分之一，那么燃气行业将认为这在设计新的氢气管道时是“足够安全”的标准。这当然会大大降低现有燃气管道的容量，要么接受较低的容量，要么将其换成氢气管道。根据我之前关于这个话题的文章，还有一系列其他问题也没有得到解决。

他们研究了什么

现代天然气输送管道，通常由低合金高屈服强度碳钢制成，代表性钢材包括API 5L的X42到X100级别。该研究检查了在德国常用的管道服务中使用的钢材，从低屈服强度的普通钢（如历史级别St35，屈服强度为35,000 psi），到API 5L X80（屈服强度为80,000 psi），包括一些用于管道元件制造的钢材。在许多情况下，样本是按照这样的方式制备的，即对管道的母材、典型的焊缝沉积物和热影响区进行测试。这项研究进行了彻底、仔细的工作。

样本在一个可充填各种压力的氢气环境的循环（疲劳）测试装置中进行测试。主要考察的因素是疲劳裂纹扩展速率和断裂韧性，因为这些参数已知，不仅是怀疑，而且在这些钢材中存在氢气的影响下受到了不利影响。

他们发现了什么

希望没有令人感到惊讶的是，测试发现氢的存在确实极大地加速了疲劳裂纹扩展，并且在测试的钢材中显著地负面影响了断裂韧性。

具体而言，他们能够建立这些材料疲劳开裂行为的良好模型。他们在研究的第169页上发现：

在较低的应力强度和氢压力下，裂纹扩展与在空气或天然气中的裂纹扩展相当。

在更高的氢压力下，即使在较低的应力强度下，裂纹扩展速度也非常迅速地接近于在H2 = 100 bar（~ 1500 psi）部分压力下的行为。

从“缓慢”裂纹扩展到H2典型的快速裂纹扩展的过渡区域的位置取决于氢压力，尽管无法准确预测。

他们还发现，断裂韧性Kic受到氢存在的负面影响。即使在低屈服强度的钢（如St35）中添加少量氢，预期中的断裂韧性也会降低。在高屈服强度钢（例如德国常用的现代管道钢L485）中，断裂韧性大幅降低。即使0.2 atm H2都大幅降低了断裂韧性，而断裂韧性随着pH2（氢分压）的增加而急剧下降。

这些钢管在氢气环境下会更容易疲劳开裂并且会丧失相当程度的韧性，这一点得出的结论是没有问题的。但是，这些钢管仍然被认为是“基本适合于氢气传输”。这是因为该研究将钢管的性能与ASME B31.12的氢气管道设计/制造规范进行了比较。研究发现，裂纹扩展速率符合B31.12中使用的氢气设计减额方法的假设。此外，所有在pH2 = 100 bar的条件下测试的钢管的Kic值均超过了所需的最小值（55 MPa/m^?）。简而言之，这意味着这些钢管在氢气传输中的裂纹扩展速率和韧性降低程度，都不会超过专门设计用于氢气管道的设计规范的预期值。

值得注意的是，这种设计规范并不适用于化石燃气管道的设计和制造。

这意味着什么？氢对管道设计压力的影响：

输送管道的设计、制造和检验遵循各国不同的规范和标准。在美国常用的标准是ASME B31.8用于化石燃气和其他燃料管道，以及ASME B31.12用于专门的氢气管道。虽然后者确实存在（仅在美国就有约3,000公里的专用氢气管道），但前者更为广泛（在美国有约3,000,000公里的这类管道）。如果您a）拥有这样的管道或b）依赖它来供应您拥有的天然气分配网络，并且c）知道在脱碳后，如果没有氢气，您的生意将无法继续，那么您将非常有动力得出结论：您可以在未来重复使用燃气管道来输送氢气。嗯，听起来有点潜在的利益冲突，对吗？

在ASME标准中，管道的设计压力是通过对Barlow环向应力方程的修改来确定的，其中涉及管道的指定最小屈服强度（S）、管道标称壁厚（t）、管道标称外径（D）、纵向接头系数（E）、温度降额系数T和设计安全系数F，后者取决于服务类别/严重程度和位置。对于氢气，根据B31.12，应用了一个新的因素Hf，即“材料性能因素”，以有效地降低碳钢管道材料的设计压力，从而使其（在某种程度上）安全地用于氢气

P = 2 S t/D F E T Hf

这些有用的表格摘自于Wang, B.等人的文章"I.J. Hydrogen Energy, 43 (2018) 16141-14153"。

设计系数F在两个规范中都有使用，根据“位置分类”不同，ASME B31.8中的F值在0.8到0.4之间变化，而位置分类是根据包括与占用建筑物的距离在内的因素确定的。对于氢气，

B31.12有两个设计因子表：一个用于新的、专为氢气设计的管道，其F值与燃气的B31.8相匹配（选项B），另一个用于重复使用未经过B31.12设计的管道，它使用更低（更保守）的F值表，范围为0.5到0.4（选项A）。后者，即选项A，适用于任何用于输送氢气的燃气管道。

对于许多现有的燃气管道，重新规划该管道以输送氢气需要将设计压力从目前的规定值最小应力的72％或80％降低到40-50％左右。

对于氢气管道，材料降额系数Hf范围从1（用于低压下使用的低屈服应力管道材料）到0.542（用于高张力、高屈服强度材料在高系统设计压力下运行）。在ASME B31.8的燃气管道设计中不需要此类材料降额系数。

在极端情况下，在远离占用建筑物的低重要性（1级1区）位置按照ASME B31.8为燃气设计和制造的管道，由于采用了高屈服强度钢，其设计因子从0.8降低到0.5，并应用Hf为0.542。结果将是设计压力减少到原值的34％，即减少近三倍。

设计压力的降低代表了管道能量输送能力的非常显著的降低，并需要使用新管道进行“双管道化”或更换新管道。

我们可以使用现有的天然气输送管道运输纯氢吗？

答案比简单的“是”或“否”要复杂得多！

它们可以被重新使用吗？可能可以，但管材不是唯一的问题。我的论文在此处涵盖了许多其他问题：

（我将很快更新这些有关管道材料的新信息，这就是为什么我喜欢linkedIn作为发布媒介，因为它使更新变得容易！）

它们可以以其现有的设计压力和能量承载能力进行重用吗？答案几乎可以肯定的是NO。至少需要对设计压力进行减额评定，很可能需要进行显著的减额评定。这将需要双管道输送同样数量的能量，更换现有管道，或接受降低的承载能力。

如果用于氢气，它们会爆炸并杀死人吗？嗯……它们将会更快地裂开，即使在减少应力的情况下也会更容易破裂，比如果它们运输的是不含氢的化石气体要快得多。天然气管道通常在时间上变化的压力下运行，经常进行循环，而专用的氢气管道倾向于以更为恒定的压力运行，从而导致疲劳速度较慢。但是，如果将未在原始管道的设计、建造和测试中使用的代码（B31.12）的设计标准反向应用于现有管道，行业可能认为这足够“安全”。DVGW测试证明，氢气管道设计代码中使用的设计假设以冶金术语来设置其“氢气设计减额系数”得到了满足。

可以这样说，这对于这个概念远非一个完全的支持。如果我是负责确保天然气公用事业保持管道安全的监管机构，我会非常关注任何被重新用于氢气的管道。天然气行业本身在这个问题上至少存在潜在利益冲突，监管机构将需要加强监管，确保任何转换为运输氢气（甚至氢气混合物）的管道都是真正安全的。

其它作者和读者回复：

该研究的要点是确定德国化石天然气管道中使用的碳钢（低合金高屈服强度）牌号是否受到氢气的影响大于或低于预期。它发现这些影响是真实而显着的，但并没有超过B31.12中为这些钢设定的限制。任何重新部署用于纯氢的管道都将根据现在适用的代码（即B31.12）使用适当的Hf和F因子。这将需要相对于适合输送化石天然气的管道的设计压力进行陡峭的压力降额。

“因此，该项目中研究的所有管道钢种基本上都适用于氢气输送。”

可能是德语短语的（故意）误导性翻译为

“Alle in diesem Projekt untersuchten Pipeline-Stahlsorten sind daher grunds?tzlich für den Wasserstofftransport geeignet”。副词“grunds?tzlich”通常最好翻译为“原则上”。

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NREL对掺氢的调研结论是否定的么？

HydrogenInsight去年的新闻：美国政府表示，证据不支持现有天然气网络可以安全地处理氢气和甲烷混合物的观点

标题比较“过”了。但是这份报告，在研究了众多欧洲示范项目的前提下，在欧洲打算大干特干天然气管道输氢的背景下，依然没有给出足够正面的结论，还是说明问题的。尤其是，该报告提出对掺氢项目应该“逐例评估”。如果真的要逐例评估，五年十年内搞定全国范围内的掺氢，是不太可能完成的。

科罗拉多州国家可再生能源实验室（NREL）的研究人员发现，关于氢气混合物在地下储存和管道等天然气基础设施中的影响的数据存在很大差距 - 即使使用聚乙烯塑料管道，长期以来一直被天然气行业吹捧为运输氢气或高达20%氢气和80%化石气体混合物的安全方式。