燃气管道掺氢输送是推广清洁能源和实现可持续发展的必要措施之一^[1-4]，但在燃气管道中掺入氢气，会影响管内介质与管材、焊缝的相容性；同时，管材的腐蚀机理、腐蚀速率及力学性能也会随之发生变化，最终可能导致管道系统的总体风险增大、服役寿命缩短^[5]。因此，掺氢燃气管道的安全性研究是亟待解决的关键问题。

完整性管理是对危害管道安全的所有因素进行一体化的管理，既是以保障管道安全为目标的系统化的技术体系^[6]，也是油气行业内广泛应用的一种管道安全管理模式，对于确保掺氢燃气管道的安全运行、人民生命财产安全具有重要意义^[7]。目前，现有的管道完整性管理方法主要适用于长输油气管道或常规燃气管道^[8]，掺氢燃气管道完整性管理尚缺少系统化的研究。针对掺氢燃气管道的安全性问题，提出了掺氢燃气管道完整性管理的5大关键技术，并根据掺氢燃气管道的特点，指出在各个关键技术需要修正的参数权重、评价准则及控制措施，以期预防氢腐蚀、氢脆及氢致开裂等失效形式的发生，为保障掺氢燃气管道的安全运行提供技术支撑。

氢气与甲烷的物理性质、化学性质差异较大^[1]，因此在燃气管道中掺入氢气，将会影响管内介质与管材、焊缝的相容性，并有可能发生氢脆、氢致开裂、氢腐蚀等^[9-11]，导致管道系统的总体风险和服役寿命发生变化。燃气管道掺氢后，其介质的渗漏性、扩散性、燃烧特性、爆炸危害性及管材疲劳寿命等指标性能会发生变化，主要表现在以下8个方面。

（1）输送介质的渗漏性、泄漏性及扩散性。氢的分子体积小，掺氢燃气渗漏速率将增大^[2]；相同压力下，泄漏速率加快，泄漏口压降也变化较大^[2]；扩散系数增大，扩散性能增强^[1]。

（2）失效可能性。掺氢燃气管道腐蚀机理发生变化，高压富氢环境导致腐蚀速率加快，腐蚀失效可能性随之增大；同时，氢原子聚集在焊缝处缺陷位置，加速管道焊缝处缺陷发展，导致焊缝处的失效可能性增大。

（3）腐蚀失效形式。掺氢前，常规燃气管道的腐蚀失效形式主要为外腐蚀；掺氢后，氢会与管道钢中的碳发生反应，造成钢脱碳，发生氢腐蚀，因此，掺氢燃气管道内外腐蚀均易于发生。

（4）点火概率。燃气管道中掺入氢气后，其点火能量降低，点火概率增大^[2]。

（5）燃烧特性。掺氢燃气管道输送介质的华白指数下降、热值下降，但燃烧速率增大，从而加快了火焰传播速度^[1-2]。高压掺氢燃气管道一旦发生破损，管内介质泄漏将会形成射流，在开放空间被点燃后形成喷射火，喷射火火焰外形与常规燃气管道相似，火焰长度更短，但喷射火危险性并未增大^[2]。氢气燃烧产物为水，掺氢燃气燃烧后排放的CO、CO₂等污染物含量减少，因此燃烧产物对环境的影响降低。

（6）爆炸危害性。燃气管道中掺入氢气后，其输送介质混合气体爆炸极限范围随掺氢比的增大而增大，爆炸极限可采用Le Chatelier法则^[12]计算。同时，随着氢的加入，靠近管道处的危害性增大，但危险区域范围缩小^[2]。

（7）检测方式。掺氢燃气管道输送介质物性发生了变化，其原有的检测设备需改进，检测时间间隔也需缩短^[2]。

（8）管材力学性能。燃气管道中掺入氢气后，管道一旦出现氢脆、氢鼓泡、氢腐蚀，将会加剧管道缺陷发展，降低管道所能承受的极限应力^[1] ；同时，裂纹扩展速率增大，疲劳寿命会缩短^[1]。

借鉴常规燃气管道完整性管理已有的研究成果及经验，采用数据采集与整合、重点区域识别、定量风险评价、风险控制措施及效能评价5步循环的管理流程对掺氢燃气管道进行完整性管理。但需根据掺氢燃气管道自身的特点，对5步循环管理流程（图1）开展针对性的调整。在数据采集与整合方面，需要对管内介质的基本参数进行收集、计算，主要包括掺氢比、混合气体的密度、热容比及爆炸极限。在重点区域识别方面，需根据掺氢比修正事故潜在影响半径的计算公式。在风险评价方面，需采用修正因子的方法对失效可能性、失效后果进行修正，并根据掺氢比修正风险评价、剩余寿命的评价准则。在风险控制方面，腐蚀防护要考虑氢腐蚀，需提高管材的耐腐蚀性，延长管材的服役寿命。在效能评价方面，掺氢燃气管道的腐蚀检测周期、风险评价周期等指标需根据掺氢比适当缩短。

图1 掺氢燃气管道完整性5步循环管理流程及需修正的关键因素图Fig. 1 Integrity five-step cycle management process and key factors to be corrected for hydrogen-blended gas pipelines

2.1 数据采集与整合

数据的完整性是管道完整性管理的基础，其完整程度会影响到后续重点区域识别和风险评价结果的准确性，因此掺氢燃气管道基本数据的完整性尤为重要^[13-14]。

掺氢燃气管道完整性管理数据（图2）可分为管道内介质数据、管道基本参数数据及基础地理信息数据。其中，管内介质数据属于掺氢燃气管道特有的数据，对于掺氢燃气管道事故潜在影响半径计算、风险评价部分参数的修正以及风险控制措施的完善起着决定性作用，因此需重点采集该类数据。

图2 掺氢燃气管道完整性管理数据构成体系图Fig. 2 Integrity management data composition system of hydrogen-blended gas pipelines

掺氢燃气管道内混合气体的爆炸极限可采用Le Chatelier法则^[12]计算：

式中：L、L_i分别为混合气体、第i种气体的爆炸极限；y_i为第i种气体的体积浓度。

利用式（1），计算得到不同掺氢比条件下混合气体爆炸极限（图3）。可见，混合气体爆炸极限范围随掺氢比的增大而增大，因此燃气管道掺氢后发生爆炸的可能性也随之增大。

图3 不同掺氢比下混合气体爆炸极限变化图Fig. 3 Variation of explosion limit of gas mixture at different hydrogen blending ratios

2.2 重点区域识别

城镇燃气管道大多分布在人口集中和建筑物密集的区域中，管道途经地区普遍属于高后果区。长输管道距离长、途经区域广，其常用的高后果区等级划分标准不适用于城镇燃气管道的差异化管理，由此产生了城镇燃气管道重点区域的概念。

城镇燃气管道重点区域主要是指管道周边特定范围内人口密集、泄漏事故高发、地质灾害敏感、存在较大隐患等区域。其中，周边特定范围内可采用管道事故潜在影响区域半径来确定。ASME B31.8S-2016《输气管道系统完整性管理》中给出了管道事故潜在影响区域半径的计算公式，该公式是通过火灾热辐射点源模型及管道泄漏速率计算公式推算并简化后得出的^[8]，已经在石油天然气行业内得到广泛应用。GB 32167—2015《油气输送管道完整性管理规范》采纳了该简化的经验公式：

式中：R为潜在影响半径，m；d为管径，mm；p为管道内压，MPa。

对于掺氢燃气管道，管道事故潜在影响区域半径经验公式需要根据掺氢比进行修正，修正后的计算公式为：

式中：λ为掺氢燃气管道潜在影响半径修正系数，取值与掺氢比相关。

对掺氢燃气管道重点区域以登记卡的形式进行识别与管理，登记卡内容主要包括：重点区域影像图，重点区域信息（即管道名称、识别时间、重点区域编号、重点区域位置、管龄、掺氢比、管材、管道规格、设计压力、运行压力、重点区域负责人、应急联络电话等），重点区域概况，重点区域类型以及应急措施。

2.3 定量风险评价

风险评价是管道完整性管理的核心内容之一。掺氢燃气管道的风险评价方法可借鉴常规燃气管道风险评价方法^[15-17]，但需根据掺氢比，采用修正因子法对相关参数进行修正（图4）。

图4 基于修正因子法的掺氢燃气管道定量风险评价流程图Fig. 4 Quantitative risk assessment process of hydrogen-blended gas pipelines based on correction factors

钢制燃气管道掺氢输送，会增大腐蚀、制造与施工缺陷失效可能性，掺氢比也会影响腐蚀、制造与施工缺陷失效因素的权重。因此，在进行掺氢燃气管道失效可能性评价时，需根据掺氢比，采用修正因子的方法对腐蚀、制造与施工缺陷这两类失效因素进行修正。

在燃气管道中掺氢，同样会导致失效后果的严重程度发生变化。这是由于管道掺氢会影响混合气体的爆炸极限、比热容、扩散系数等，从而影响失效后果评价中的介质危害性、泄漏量及扩散情况^[18-20]。因此，在进行掺氢燃气管道失效后果评价时，需根据掺氢比，采用修正因子的方法对介质危害性、泄漏量及扩散情况进行修正。

值得注意的是，管道基线评价对于管道完整性管理尤为重要，管道基线评价即为管道建成投产后的第一次综合评价。基线评价的结果可以作为评估管道风险状况和各种缺陷变化趋势的基础，能够为以后的管道风险评估提供初始基准，是安全生产管理的关键环节。因此，在掺氢天然气管道投产前或投产初期进行基线评价意义重大。

2.4 风险控制措施

在管道风险控制过程中，主要是根据重点区域识别与风险评价的结果，针对重点区域的掺氢燃气管道风险大小、缺陷的严重程度高低，制定具有针对性的维修维护对策。通过采取风险控制措施来降低掺氢燃气管道失效风险，消除或降低掺氢燃气管道的安全隐患。

掺氢燃气管道风险控制措施（图5）包含8个方面：氢脆/氢致开裂防护、腐蚀防护、自然与地质灾害防治、第三方破坏防护、误操作防护、泄漏处置、维修维护以及应急管理。对掺氢燃气管道进行腐蚀防护、氢脆与氢致开裂防护时，要考虑掺氢燃气与管材、焊缝的相容性，选用高强度、低渗漏的材料以提高管道抗压性、耐腐蚀性。在氢环境下，水蒸气会加剧钢材氢脆，因此，对于掺氢燃气管道，更应严格控制管内含水量，条件允许的情况下，可增加气体脱水装置；同时，适当增加清管的频率，并加强内腐蚀监测；减少压力波动、维持系统在特定温度下运行，也是行之有效的风险防控措施之一。在掺氢燃气管道中，添加氢脆抑制剂或阻氢涂层（石墨烯涂层）等，能够抑制管道用钢发生氢脆、氢致开裂等^[9，21]，但该研究目前尚处于试验阶段，其经济性、阻氢效果有待进一步验证。针对腐蚀缺陷、制造缺陷、焊缝缺陷等不同缺陷形式，掺氢燃气管道完整性评价准则会发生变化，需根据掺氢比进行修正。此外，传统的维修技术对于掺氢燃气管道的可行性和效果还需进一步研究。

图5 掺氢燃气管道风险控制措施体系图Fig. 5 Risk control measure system for hydrogen-blended gas pipelines

根据掺氢燃气管道完整性管理数据采集与整合、重点区域识别、定量风险评价、风险控制措施及效能评价5大关键技术，开发了掺氢燃气管道完整性管理数字化系统（图6），主要包括完整性管理服务器、GIS系统、活动管理模块、体系文件模块、系统管理模块等。该系统可为掺氢天然气管道危害因素的全面识别、安全风险的综合研判、管控措施的智能决策提供技术支持，为保障掺氢燃气管道的安全运行提供系统化的解决方案。

图6 掺氢燃气管道完整性管理数字化系统构成及功能体系图Fig. 6 Composition of digital system for integrity management of hydrogen-blended gas pipelines and its function system

为了有效地开展掺氢燃气管道完整性管理，必须建立相应的系统化管理体系。与常规燃气管道完整性管理相同，掺氢燃气管道完整性管理架构（图7）包含3个特点与3项具体内容：“3个特点”是从时间、数据、技术3个维度进行完整性管理，即掺氢燃气管道完整性管理应保障时间完整性、数据完整性以及技术完整性；“3项具体内容”则分别是完整性管理模式、管理流程及体系文件3个部分。

图7 掺氢燃气管道完整性管理架构组成示意图Fig. 7 Architecture of integrity management system for hydrogen-blended gas pipelines

（1）掺氢燃气管道的安全性是目前亟待解决的关键问题，掺氢燃气管道完整性管理数据采集与整合、重点区域识别、定量风险评价、风险控制措施以及效能评价5大关键技术能够提供系统化的解决方案。

（2）在燃气管道中掺入氢气，管内介质的渗漏性、扩散性、燃烧特性、爆炸危害性均会发生变化，导致管道系统的总体风险增大、剩余寿命缩短。因此，在掺氢燃气管道完整性管理的关键技术实施过程中，需有针对性地调整相关参数。

（3）燃气管道掺氢是实现“双碳”战略发展的必然趋势，但目前尚未形成有效完善的完整性管理体系、失效数据库，相关技术和标准还不健全，如何系统地整合相关研究成果，形成可操作性强的掺氢燃气管道完整性管理工作标准，并建立全行业或全国范围的掺氢燃气管道失效数据库，是目前亟待解决的问题之一。