大量传统化石能源的燃烧导致温室气体排放，并引起全球气候异常、环境恶化。因此，世界各国大力发展可再生能源[1]。但可再生能源发电严重受制于自然条件，其发电量具有波动性大、预测性低的特点。中国中西部地区的可再生能源难以完全就地消纳，剩余的电量也难以全部输送到用电量大的地区。因此，利用风电、光电转化的电能难以有效储存，全国普遍存在弃水、弃风、弃光等问题[2]，如2021 年中国“三弃”及未利用电量高达548.9×108kW·h。在解决可再生能源弃电消纳问题和环境污染问题上，作为优质可再生清洁能源载体的氢气起到了关键的作用，即通过可再生能源发电制氢技术将电网无法消纳的弃电转化为氢气[3]。目前，氢能产业化的瓶颈在于储运方式，常用的输送方式为高压气氢储运技术[4]，但成本较高、效率低。因此，选择安全高效，经济便捷的储运技术至关重要。

天然气管网具有区域广、输送量高、传输距离长及费用低等优势，利用现役天然气输配管网与基础设施掺氢输送，可实现低成本、规模化的氢能供应[5]。Lynch 等[6]率先提出了掺氢天然气的概念。但掺入氢气可能会导致天然气输送管道的安全性风险增大[7]，导致输送系统材料发生氢脆风险，降低材料的强度、韧性等力学性能，从而影响整个管网系统的安全运行问题[8]。21 世纪以来，欧洲国家开展了天然气掺氢研究，并建立了示范项目。目前，国内外已有37 座天然气掺氢输送示范项目，初步证明了天然气管道掺氢输送（掺氢比低于10%）可行，但对于掺氢比大于10%的掺氢系统的氢脆研究极少，需结合实际情况开展更深入的研究。基于此，从氢脆发生的机理出发，分别对压缩装置、输送装置、终端装置等天然气掺氢输送系统发生氢脆的研究现状进行了梳理，概述了部分文献中关于氢脆的应对措施，并对天然气掺氢输送系统的性能提升进行了展望。

1 天然气掺氢系统组成

天然气掺氢输送系统（图1）主要包括在役天然气管道系统、产氢装置、压缩装置、降压装置、输送装置以及终端装置。天然气掺氢输送的工作流程为：通过新型的可再生能源电解水制氢；将氢气压缩后，存储于储氢装置中；经过降压装置的氢气与稳压后的天然气，氢气流量依据天然气输送量的随动注入掺混装置中混合；利用天然气管道及配套设施进行输送，流经输送装置时需考虑氢气对管道、阀门及焊缝的影响；最后，经终端装置分输给用户。根据终端用户的不同需求，既可将氢气在管道下游分离后使用，也可以将掺氢天然气作为燃料直接供用户使用。

图1 天然气掺氢输送系统组成示意图

2 研究现状

2.1 氢脆现象

由于氢气与天然气的物化性质不同，掺入的氢气易对天然气输送系统中各装置的材料带来氢损伤风险，威胁管道安全运行，其中氢脆产生的危害最为严重。

氢脆根据氢气原子聚集的区域差别，分类为内部、环境及氢反应3 种氢脆。氢气生产、储存及输送使用的材料与氢气接触过程中，氢原子进入金属晶格内部，使金属材料内部产生裂纹，该现象即为内部氢脆。在高压力条件下，氢分子通过气态运输、物理吸附等过程聚集于裂纹尖端，当聚集浓度超过材料承受阈值时，材料就会发生损伤、断裂，此为环境氢脆。材料中的氢与杂质在适宜的温度下反应生成氢化物，诱发材料表面及内部发生不可逆损伤，即为氢反应氢脆。Shi 等[9]研究了在原子层面，利用碳化铌与α-Fe 之间的半共格界面纳米析出相产生的氢陷阱以捕获氢，从而增强马氏体钢的抗氢脆性能，为探索马氏体钢抗氢脆研究提供了重要的理论与实践支撑。Shi 等[10]采用电化学氢渗透实验与热解吸光谱相结合的方法，定量研究了回火碳化铌（NbC）-马氏体钢中不同组织成分与高密度氢陷阱的关系；马氏体钢的马氏体板条与高密度位错构成可逆氢陷阱，密度高达为2.24×1 020 cm3，这些深层氢陷阱不仅可以不可逆地捕获氢，还可以阻碍塑性变形过程中的位错运动，抑制氢的积累，可提高高强度马氏体钢的抗氢脆性能。

氢脆机理复杂[11]，学者们开展了大量的理论及实验研究。Es-Said[12]的研究结果表明，氢脆机制与位错在氢存在下的迁移率密切相关。Zheng 等[13]通过对X80 管线钢进行高应变率拉伸试验，基于氢增强局部塑性（Hydrogen-Enhanced Localised Plasticity，HELP）模型及氢增强减聚力（Hydrogen-Enhanced Decohesion，HEDE）模型，在施加5%的预应变后，试样在卸载阶段充氢，氢脆发生在重新加载阶段。可见，氢气与材料可动位错的相互作用在氢脆中起主要作用。目前，氢致局部塑性变形理论被广泛应用于高压常温条件下氢气与接触材料的氢脆机理分析中。

2.2 压缩装置

压缩机是确保天然气管道正常运行的重要设备，分为用于高压压缩的往复式压缩机和用于低压大流量压缩的离心式压缩机。往复式压缩机由于采用动密封结构，易发生氢脆。离心式压缩机由于输送量大、安全性高，广泛应用于天然气输送管道中[14-15]。如果直接将离心式压缩机用于氢气压缩，由于氢气密度小，需提高叶轮转速，材料承受的离心力增大，故需提高压缩机材料的强度。可见，天然气掺氢输送后，其压缩装置需根据输送工况的不同，选择合适的离心式压缩机和往复式压缩机[16]。

由于氢脆与氢气浓度相关，为保证压缩机运行安全，探讨了掺氢比对压缩机的影响。相对于甲烷，氢气的密度较低，即需提高离心压缩机的转速以增加系统的运行压力。当压缩机的入口流量为5 500 m3/h 时，压缩机转速不变，掺氢比由0 增至30%，压缩比、轴功率降低幅度分别为20%、36%[17]。若压缩比相同，压缩氢气的转速需较之压缩天然气的转速高约1.74 倍[18]，但转速会受到材料强度的限制[19]。掺氢天然气直接与离心式压缩机的叶轮相接触，氢将会对叶轮产生影响。王春光等[20]对某低压甲醇合成装置离心压缩机进行研究，分析了一级叶轮开裂现象，结果表明：在氢气分压为1.7～3.7 MPa（气体总压为2.5～5.5 MPa）的服役工况下，一级叶轮始终处于高压氢环境中，导致叶轮出现脆性断裂。在叶轮胚体铸造和加工时，由于未进行胚体材料固溶时效处理，导致叶轮发生了脆性断裂。一级叶轮焊缝与熔合区的偏聚现象，减弱了叶轮的抗氢脆能力。当压缩机高速运转时，一级叶轮吸收大量氢，提高了叶轮的硬度与强度，从而导致叶轮塑性、韧性下降，最终发生氢脆。

目前，压缩机防氢脆材料的开发受到研究者的重视。Sdanghi 等[14]认为AISI 316L 不锈钢适用于氢离子液体压缩机，可以防止发生氢脆现象。往复式压缩机通过采用由铸铁、球墨铸铁、铸钢及锻钢制成的钢瓶来增强抗氢脆性能，并覆盖一层衬层用来保护内壁；同时，设计两室隔离结构，避免由于氢气逸出压缩室而导致钢发生脆化。

2.3 输送装置

当输送掺氢天然气时，介质中的氢气常与管道金属材料及其添加物发生反应，从而引起输送管道发生氢脆，导致管道腐蚀破裂，引起管道泄漏，造成安全隐患。2.3.1 管道氢脆的内在机理

王超明等[21]以分子动力学为基础，建立了基于腐蚀机理的动力学模型，从微观角度对高压氢环境下管道材料晶格结构的变化进行了研究，对氢脆及氢腐蚀进行了有效分析，结果表明腐蚀粒子与金属表面膜交互作用能是管道发生腐蚀的重要原因。

由于实际的金属材料存在晶格缺陷，氢原子与晶格缺陷之间有强烈的相互作用，进而会影响材料的力学性能。Sanchez 等[22]对间隙氢在??铁中的扩散进行研究，结果表明：大量的氢原子使得铁原子之间的相互作用减弱，且高能晶界的间隙较大，更容易捕获氢原子，降低晶格缺陷能，导致管材在气态氢环境中发生变化和断裂行为。付雷[23]对试样的氢致裂纹研究表明，加氢导致铁的断裂韧性降低，裂纹开裂的临界值减小。Song 等[24]研究了氢原子对??铁裂纹扩展的影响，发现氢原子进入铁中会导致铁的屈服应力下降，对铁的裂纹扩展有影响。Shang 等[25]发现，与纯氢气或纯天然气相比，GB20 级钢在NG/H2 混合气体中的疲劳裂纹扩展速率要快得多，这是由于天然气/氢气混合物使断裂模式由韧性疲劳条纹变为脆性解理断裂，并限制了裂纹周围的变形活动。Zhou 等[26]将拉伸试验和热解吸光谱相结合，研究了选区激光熔化成型304L 不锈钢的力学性能及氢输运特性，研究结果表明304L 不锈钢试样中存在的位错影响了其拉伸过程中的氢运输行为，并导致了严重的氢脆。

2.3.2 管道氢脆的影响因素

氢对天然气管道的影响因素众多，其中主要包括输送介质组分、掺氢比、管道工况、管道强度水平、材料微观组织、氢扩散速度以及管道服役状况等。

（1）输送介质组分。掺氢天然气是由多种成分组成的混合气体，许多研究机构[27-28]针对混合气体成分对常用管材的力学性能影响进行了研究，结果表明：在掺氢天然气输送管道中，氢气会严重降低现有管线钢的力学性能。O2、CO、H2、SO2 能够缓解氢气对管线钢的影响[29]，但潮湿的H2S 环境在一定程度上使材料的力学性能降低[30]。Zhou 等[31]研究发现，在总压相同的情况下，H2S/CO2 混合气体中H2S 分压越低，促进氢渗透的作用越小；CO2、H2S 均有加速氢渗透的作用，但CO2 促进氢渗透的作用远弱于H2S。

（2）掺氢比。掺氢比是掺氢天然气管道发生氢脆概率及程度的重要影响因素。西气东输管道等长输天然气管道大多采用X70、X80 等高级钢。蒙波[29]在室温条件下，对X70、X80 含氢管线钢在总压分别为10MPa、12MPa 且不同氢气体积分数进行了相容性研究，结果表明：随着环境中氢气浓度不断提高，X70、X80 管线钢的氢脆敏感指数增大，断面收缩率、缺口抗拉强度减小，疲劳寿命缩短，但疲劳裂纹扩展速率增加。与管材的拉伸性能相比，管材的疲劳性能受氢脆影响更大。Meng 等[32]在12 MPa 压力下，测试了X80 管道钢在氢气体积分数分别为0、5%、10%、20%、50%）的天然气/氢气混合物中的力学性能，结果表明：随着氢氢气体积分数增大，X80 管道钢的疲劳裂纹扩展显著加快，可见，氢的掺入显著缩短了X80钢管的疲劳寿命。

（3）管道工况。在管道工况中，管道的温度、压力是管材发生氢脆的重要影响参数。封辉等[33]研究发现，X52 管线钢在实验温度为50 ℃时的氢脆敏感性更高。随着压力升高，管材氢脆的程度也在增大。Moro等[34]在室温下通过拉伸试验研究了氢压对X80 钢的影响，结果表明：当氢压大于0.1 MPa 时，X80 易发生氢脆；当压力未达到10 MPa 时，脆化程度随氢压的增加而增大，随后保持不变。

（4）管道强度水平。中国天然气长输管道的等级在X52 以上，运输压力基本以兆帕为单位，因此在管材中掺氢极易发生氢损伤。张小强等[35]对现有的掺氢天然气输送管道的管材进行了适应性评估，结果表明：当掺氢比小于10%、管线钢级高于X52 的工况下，需对管材的强度、韧性等方面进行适应性评估。廖倩玉等[36]指出，氢气压力、材料强度越高，管材的氢脆敏感性越强，因此，对于高强度钢，氢含量的允许值较低。

（5）微观组织。管线钢微观组织结构的缺陷也会诱使氢脆发生，并产生裂纹。如果氢陷阱内氢的浓度超过裂纹起始的临界点，则会诱发氢致裂纹，且氢致裂纹更容易在脆性组织中形成及扩展。Fan 等[37]通过对商用AISI 304 进行动态塑性变形处理，并在973 K 下退火1 h，获得了强度和塑性良好结合的纳米孪晶304 钢，是具有纳米孪晶（体积分数为41%）、再结晶晶粒（体积分数为32%）及位错结构（体积分数为27%）的混合结构，其抗氢脆性能较高，为设计低氢脆敏感性的高强度合金提供了新方法。

（6）氢扩散速度。氢在管道中的扩散速度与管材发生氢脆的速度成正比，因此，管材的应变速率对氢脆的持续发生也产生了影响[38]。管材所受的应力、氢扩散速度作用于管材的缺陷部位并产生应力和浓度集中，当达到氢浓度临界值时，加剧了裂纹形成和扩展。BAI 等[39]研究了粗晶（晶粒尺寸为21 μm）与超细晶（晶粒尺寸为0.58 μm）两种类型晶粒对22Mn-0.6C 奥氏体孪晶诱导塑性钢的氢脆行为，结果表明超细晶粒对脆性断口的面积分数以及断裂韧性的影响较小。这是由于晶粒细化对氢脆具有抑制作用，也即是晶粒细化后，单位晶界面积氢的扩散速度以及氢含量降低。Qu 等[40]采用热解吸谱仪、慢应变速率实验、铁基显微镜、透射电镜、TDS 模型研究了奥氏体不锈钢S30408 的塑性变形对氢扩散的影响，研究结果表明氢扩散系数与塑性变形之间存在非单调关系：在室温下，随着塑性应变增加，奥氏体不锈钢S30408 的表观氢扩散系数呈先减小后增大的趋势。

2.3.3 焊缝

氢气不仅对管材本体有影响，对管道连接处焊缝的影响更加不容忽视。焊缝处金属特殊的微观结构导致氢捕获能力更高、氢富集能力更强，因此更加容易产生裂纹。彭黄涛[41]对X80 管线钢焊接组织进行退火处理，发现可以通过改善微观组织、应力状态来提高组织自身塑韧性，从而降低脆性倾向、氢在管材中的扩展速率。因此，退火处理可以提高焊接组织的抗氢脆能力。张体明等[42]以X80 钢螺旋缝埋弧焊管为研究对象，开展焊接接头氢扩散的数值模拟研究，发现残余应力是导致焊接接头氢富集进而影响氢脆失效的重要因素。焊缝区是氢气聚集区，同时，焊接区域存在的残余应力加大了氢气聚集的风险，如焊缝处的氢气聚集浓度比忽略残余应力时增加了2.7 倍，且氢脆系数的增加幅度达到75.27%。

李云涛等[43]测试了国产X70 管线钢母材及其管道焊缝的抗氢致开裂性能，结果表明：即使焊接接头发生了一系列非平衡变化，但其抗氢致开裂能力并不低于母材。Huang 等[44]研究了10 MPa 压力下氢气对X70管线钢焊缝接头的力学性能，发现随着氢气浓度增加，焊缝处的热影响区金属、母材金属、焊缝金属的疲劳裂纹扩展速率呈现由高到低的变化，尤其是在天然气中加入体积分数为5%的氢气后，初始裂纹深度为0.5 mm 的X70 管线钢的预测疲劳寿命仅为正常寿命的1/10。Jiang 等[45]采用电化学充氢、拉伸试验、显微组织观察等方法，研究了氢气与循环塑性变形相互作用对X65 盘管焊接接头延伸性能退化的影响。结果表明：在3%的应变下，当电流密度增至50 mA/cm2 时，焊接接头的均匀延伸率、总延伸率的氢脆指数IUE、ITE 分别增至0.53、0.60；在相同的电流密度下，循环塑性变形接头的IUE、ITE 分别仅增至0.33、0.40，说明CPD 工艺可以降低焊接接头对氢脆的敏感性。

2.3.4 阀门

在掺氢天然气输送的过程中，高压控制阀上的紧固件、调节阀、卸压杆、弹簧等也会受到氢脆带来的影响。

（1）紧固件。紧固件是被用于承力件及仪器仪表的连接，因此紧固件氢脆失效会带来严重的安全事故。氢脆发生程度随着紧固件材料强度的增加而增大，在一定的工作应力下，零部件所含的氢气越多，发生氢脆的风险越大。刘德林等[46]研究发现，钢材质的紧固件临界氢含量在0.000 5%～0.001 0%之间，氢含量超过临界值时，将会引起并加剧材料发生氢脆。对零件表面进行处理是降低氢脆的有效手段，如王玉玲等[47]提出采用达克罗处理的方法，即以锌片、铬酸盐等配成的达克罗涂液涂敷于零件表面，经高温固化后形成银灰色的锌铬涂层。达克罗处理的温度一般在300 ℃左右，可以帮助氢气逸出，从而降低氢脆的影响。Zhao 等[48]研究了不同的钒含量对抗拉强度为1 400 MPa 的螺栓钢氢脆特性的影响，当钒的质量分数由0 逐渐增至0.34%时，氢脆程度随着钒含量的增大而降低，说明钒能够有效提高其抗氢脆性能。

（2）调节阀。对于调节阀，氢气的温度越高，调节阀氢脆就会加剧，可以选择特种碳钢A216WCC 作为阀体材料，减少氢脆带来的危害；对于阀芯、阀座，大部分选用316L 不锈钢作为材料[49]。

（3）卸压杆。谢华等[50]对某油田天然气管道卸压杆进行研究，发现氢原子富集在F304 奥氏体不锈钢中的马氏体组织，卸压杆受到内部应力作用导致结构变形、产生缺陷，从而被腐蚀而造成氢脆损伤。为了提高钢的抗氢性能，可降低钢中的碳含量或将C 固定于稳定的碳化物中。在钢制造过程中，添加Cr、Ti、Nb 等元素，促使其与钢中的C 元素相结合，形成稳定的碳化物，以增强抗氢脆能力。吴伟阳等[51]提出，用法兰连接高压加氢装置的小口径（直径不大于40 mm）阀门，也可以降低其阀体、阀盖发生氢脆的风险。

（4）弹簧。弹簧钢的疲劳寿命决定了阀门的使用寿命。李永德等[52]实验分析了氢含量对高强弹簧钢50CrV4 内部起裂的影响，即随着含氢量增加，高强弹簧钢的拉伸性能、疲劳强度均降低。

2.4 储存装置

2.4.1 常用材料

由于储能装置一直处于高压力、常温、高浓度的氢环境条件下，更易发生氢脆。压缩后的氢气和从管道下游分离出的氢气均存储于储氢容器中，因此储氢容器也极易发生氢脆。Cr-Mo 钢、6061 铝合金等材料常用于制作储氢容器，其中使用较多的Cr-Mo 钢材料为ASTM A519 4130X[53]。奥氏体不锈钢具有较好的抗氢脆性能[54]，也常用做高压氢系统中压力容器的材料[55]。

2.4.2 不同材质的储氢容器的氢脆特点

2.4.2.1 Cr-Mo 钢

（1）氢脆对疲劳性能的影响。4130X 钢在45 MPa 氢气中的裂纹扩展速率为空气中的10～15 倍[56]。在压力为92 MPa 时，其疲劳裂纹扩展速率是在大气条件下的30～50 倍[57]。此外，Wu 等[58]研究了在5 MPa压力和不同温度下，氢气、氩气环境中的304 及316 不锈钢疲劳裂纹扩展速率的变化规律。氢气环境中试样的疲劳裂纹扩展速率均比氩气环境中更高，且随着温度升高，疲劳裂纹扩展速率对ΔK 曲线（即应力强度因子范围）的斜率逐渐减小。当热变形温度达到400 ℃时，可以抑制裂纹尖端周围α′马氏体的形成，从而降低疲劳裂纹扩展速率。

（2）氢脆对拉伸性能的影响。Cr-Mo 钢在氢气环境中的拉伸性能降低，应力集中加剧了拉伸性能的劣化。张鑫[59]对4130X 钢在压力为92 MPa 的氢气环境中对高压储氢气瓶进行氢脆实验，结果表明：由于受到氢气的影响，4130X 钢的断面收缩率显著降低。Somerdayb[60]认为高压氢气对拉伸性能影响较小，但材料的断面收缩率降低明显，比在高压氦气中低80%。Hua 等[61]实验研究了4130X 合金材质的圆柱形储氢容器在92 MPa 氢气压力下的拉伸和疲劳性能，探讨了初始裂纹尺寸、外径对疲劳寿命的影响，得出了4130X 储氢容器在极限抗拉强度、氢辅助裂解、疲劳裂纹扩展速率、容器外径等工况下的疲劳寿命数据，并提出了相应的规范。Ma 等[62]分别在空气、45 MPa 及100 MPa 氢气环境下，对不同缺口尺寸的缺口试样进行慢应变速率拉伸试验，分析了材料在拉伸、断裂时的应力及应变。各试件中心处的应力三轴度最大，并从中心到表面逐渐减小，还建立了4130X 储氢容器局部失效评估的应变极限准则。

（3）氢脆对裂纹开裂的影响。随着存储氢气压力的升高，存储容器材料的氢致开裂应力强度因子降幅增大。当高压氢气压力为45 MPa、70 MPa 时，与置于空气中相比下，4130X 的断裂临界应力强度因子降幅度分别达58.4%、74.4%[53]。

2.4.2.2 奥氏体不锈钢

对奥氏体不锈钢进行焊接处理，即可满足复杂结构及大尺寸工件的需求，如低温高压储氢容器的筒体。对压储氢容器焊接部位产生氢脆的影响因素，主要有马氏体、化学成分、材料强度、温度等内、外部因素。

（1）马氏体。奥氏体不锈钢在制造的冷镦工艺中会产生马氏体相变。李晓刚[63]通过实验研究，结果表明：与奥氏体相比，马氏体的氢脆敏感性更高，因此储氢材料中出现的马氏体会增加氢脆发生的概率。Fan等[64]研究了晶粒尺寸（4~12 μm）对304 奥氏体不锈钢氢脆的影响：随着晶粒细化，作为氢扩散路径、首选起裂点的应变局部化位点会减少，从而提高了抗氢脆的能力。304 奥氏体不锈钢的有效氢扩散系数随着晶粒尺寸减小而增大，但当晶粒尺寸进一步减至4 μm 时，其氢扩散系数却逐渐减小，这为304 奥氏体不锈钢抗氢脆提供了一种新方式。

（2）添加不同的化学成分。添加某些合金金属元素能够增强储氢材料的抗氢脆性能。Michler 等[65]对304 型奥氏体不锈钢在加压氢气和氦气环境下的拉伸试样进行研究表明，当304 奥氏体不锈钢中Ni 质量分数从9.07%增至11.3%时，相对断面收缩率将提高0.64。与Ni 特性相似，在奥氏体中可以通过添加其他稳定的化元素，可以增加其抗氢脆性能。Hu 等[66]对采用晶界工程（Grain Boundary Engineering，GBE）降低沉淀强化铁镍基奥氏体合金的氢脆敏感性的可行性开展了研究，结果表明：经过GBE 处理后，材料内部微观层面上的特殊界面（Special Boundaries，SBs）的含量由46%增至78%，而氢致伸长率损失由21.8%降至8.6%，可见该材料对氢脆的敏感性大大降低。Li 等[67]对X80 管线钢中细小纳米级析出相的数量、尺寸分布特征、对氢扩散与氢致延性损失的影响进行了研究，结果表明：随着材料中钒含量增加，试样中析出的钒碳化物增多，且小于10 nm 的析出物比例明显增大，有效氢陷阱数量增加，但氢扩散系数、氢脆敏感性均降低；同时，还发现含钒量0.13%的V4 钢的塑性和抵抗氢致塑性损失性能最好。

（3）材料强度。随着钢强度的增加，氢致开裂门槛应力因子减小，抗氢脆性能下降[68]。Shi 等[69]研究了原位纳米颗粒对高强度钢的力学性能和氢脆的临界影响，结果表明：原位成核的Ti3O5-Nb（C，N）复合纳米粒子、原位成核的球状与软质Al2O3 -MnS 核壳包裹体均对钢的力学性能、抗氢脆性能产生影响，原位纳米颗粒在钢中可作为氢陷阱位点，平均粒径约为15 nm，能够有效地捕获氢，氢脆敏感性可降低至55.52%。可见，由区域微量元素供应产生的原位纳米颗粒具有开发高强度和耐氢钢的强大潜力。

（4）温度。温度是反映氢气在存储材料内的吸附、溶解以及扩散速度的重要因素。当奥氏体不锈钢材料处于低温时，氢在金属中的活性较低；高温将会引起氢气剧烈运动，从而增加了氢气聚集在储氢容器内部缺陷位置的难度[68]。

2.5 终端装置与主干输送管道相比，配送管道将降压（低于1 MPa）的掺氢天然气输送至终端装置。因此，氢脆的产生与破坏程度受氢浓度和运行压力的影响。在输送压力低的城市输配管网中，发生氢脆的概率较低，一般不考虑掺氢天然气与输送管道的相容性。对于其中的球墨铸铁管、铜管道等金属管段，可以忽略氢脆问题[70]；天然气管网中的聚乙烯等非金属配送管道，也与氢气具有较好的相容性。Wojtowicz[71]提出，在天然气中掺入15%的氢气，在不改变燃气器具原有结构的情况下，可以保证家用、商用器具中燃料的安全燃烧。Hydeploy 为英国首个向天然气管网掺入氢气的示范项目[72]，通过测试，对比了纯甲烷与氢摩尔含量为28.4%的天然气的火焰形貌：即使是在掺氢的情况下，火焰仍然保留了特有的颜色，且火焰形貌差别也较小。

3 应对措施

（1）对于已加工完成的调压设备的叶轮，应采取合理的真空固溶时效处理，避免运转过程中的氢脆开裂；对于氢离子液体压缩机，可使用AISI 316L 不锈钢作为材料，能够防止发生氢脆现象；选用铸铁、球墨铸铁、铸钢及锻钢制成的钢瓶，在压缩机内壁上覆盖衬层涂层，采用两室隔离结构，可增强往复式压缩机的抗氢脆性能[14]。

（2）当输送掺氢天然气时，选用恰当的掺氢比、管道工况、材料强度，并关注管道的服役年限，可以降低氢脆风险[29,32-33]。退火处理可以提高焊接组织的抗氢脆能力或抗氢致应力开裂能力，因此，合适的热处理、电镀、除氢工艺对提高钢制紧固件的抗氢脆性能有作用[41]。对于阀门而言，可以选用316L 不锈钢制成的调节阀，并根据具体的工况选择阀门的主体材料，用法兰垫连接阀体、阀盖，可以减小氢脆带来的危害[49,51]。还可用达克罗方法对阀门中的紧固件进行处理，以及降低卸压杆钢中的碳含量，提高抗氢脆性能[47,50]。

（3）当奥氏体作为储氢容器的材料时，可以通过协调其内、外因素来降低氢脆风险，如减小晶粒尺寸、减少马氏体与铁素体的数量、提高Ni 含量，还可以降低钢的强度、选择合适的工况、对奥氏体不锈钢进行冷加工等[64-65,68]。

（4）选择低强度钢、球墨铸铁、铸铁和锻铁、铜管道以及聚乙烯、聚氯乙烯等材料作为配送管道，可以降低氢损伤的风险[70]。

４ 结论及展望

掺氢天然气输送能够有效解决风电消纳、环境污染等问题，是中国特色氢能产业链的重要一环，也是能源替换升级中具有发展潜力的技术。通过文献调研，重点梳理了天然气掺氢输送系统的氢脆研究现状，发现掺氢对系统中不同装置的机械性能均有不同程度的影响。虽然国内外多个国家已开展掺氢天然气技术的初步推广，但现有的研究和实践成果尚不能全面标准化，目前仍在积极推广尝试。由于各国技术发展水平各异，因此需充分考虑中国对掺氢天然气系统的氢脆问题的研究水平，弥补现有天然气掺氢理论研究与实践操作中的不足，为此提出了适宜于中国天然气掺氢输送的建议。

（1）中国掺氢天然气管道输送示范项目的研究正逐步展开，国家层面的战略性统筹规划较少，相关技术标准尚不完善，相应的法律法规、产业政策等配套支撑也有待完善。因此，为了实现天然气掺氢产业高质量发展目标，应规划部署天然气掺氢输送系统建设，确定中国天然气掺氢管道输送的相关技术指标，完善天然气掺氢技术的政策保障体系。

（2）虽然中国在天然气管道与掺氢天然气的相容性研究方面取得了研究成果，但对天然气掺氢系统各装置的氢脆评价研究尚不足。建议开展并完善国产管材及设备的氢与金属相容性实验数据库的建设，建立天然气掺氢系统各装置相容性测试评价方法及性能指标。

（3）中国对于不同掺氢比下管材及其他关键设备的典型材料力学性能劣化研究规律的研究尚不足，对于掺氢比与材料氢破坏、管道压力等之间的定量关系尚不明确。建议积极推进天然气掺氢示范项目建设，对现有天然气管道及设备的安全性、材料的氢脆特性加快研究。同时，加强研掺氢天然气对配套设施设备、管道、下游终端用户以及整个输送系统的影响进行研究，并加快天然气掺氢系统关键设备的研发，保障系统运行的安全性。

（4）构建天然气-氢气领域的发展规划及产业布局，增加天然气掺氢输送系统的关键技术难点攻关项目，稳步推进天然气掺氢输送的商业化及规模化发展。

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