氢能与天然气混合输送的管道兼容性及燃烧特性实验研究

一、管道材料兼容性实验研究

（一）实验材料与方法

本实验选取了两种广泛应用于天然气输配管网的典型材料：金属材料：X52 管线钢，加工成标准拉伸试样。非金属材料：丁腈橡胶（NBR）密封圈，常用于管道法兰连接。实验在高压反应釜中进行，模拟管道实际工况（压力：4MPa，温度： 25°C ）。配置了氢气体积分数分别为 0% （纯 CH₄ ）、5% 、 10% 、 20% 、 30% 的氢混天然气气氛。将试样置于反应釜中，进行为期30 天的恒温恒压持续暴露实验。

实验结束后：

对金属试样进行慢应变速率拉伸（SSRT）试验，评估其抗拉强度、屈服强度和断裂延伸率的变化，并通过扫描电子显微镜（SEM）观察断口形貌，分析氢脆特征。对橡胶密封圈进行硬度（邵氏 A）、压缩永久变形率和体积变化率的测试，评估其力学性能和老化和溶胀程度。

（二）结果与讨论

1.氢气对管线钢力学性能的影响

SSRT 测试结果表明，随着掺氢比例的升高，X52 钢的力学性能呈现规律性退化。断裂延伸率：变化最为敏感。与纯甲烷气氛相比，掺氢 30% 的试样其断裂延伸率下降了约 18% 。这表明材料的塑性显著降低，脆性增加。抗拉强度与屈服强度：略有下降，但变化幅度相对较小（ (<5% ）。断口分析：SEM 观察显示，纯甲烷气氛下的试样断口呈现典型的韧性断裂特征，布满韧窝。而随着掺氢比例增加，断口中的准解理面和平坦区域逐渐增多，在掺氢 30% 的样本中出现了明显的沿晶裂纹迹象，这是氢脆的典型微观特征。

2.氢气对密封材料性能的影响

体积变化率：橡胶密封圈在氢气环境中会出现溶胀现象。实验表明，掺氢比例越高，密封圈的体积膨胀率越大。在 30% 掺氢比例下，体积膨胀率达 4.5% ，而纯甲烷下几乎无变化。硬度与压缩永久变形：溶胀效应导致材料硬度下降，弹性减弱。其压缩永久变形率随掺氢比例增加而升高，意味着密封圈在长期受压后恢复原状的能力变差，密封性能衰减，易发生泄漏。

（三）混合气体燃烧特性实验研究

1.实验装置与方法

本研究在一台高温高压定容燃烧弹实验台上进行，该装置可精确测量气体的层流燃烧速度，这是表征燃烧特性的基础参数。

实验准备了与兼容性实验相同比例的氢混天然气。在初始温度358K、初始压力 0.1MPa 的条件下，利用双火花塞同步点火形成对称的球形火焰，通过高速摄影机记录火焰传播过程，并结合压力传感器数据，采用热力学模型计算出不同掺氢比例下混合气的层流燃烧速度。同时，利用烟气分析仪测量了火焰稳定后的NOx 排放浓度。

2.结果与讨论

2.1 对层流燃烧速度（LBV）的影响

实验结果清晰显示，氢气的加入极大地提升了混合气的燃烧速度。纯天然气的LBV 约为 38cm/s 。掺入 20% 氢气后，LBV 迅速增加至约 85cm/s 。当掺氢比例达到 30% 时，LBV 进一步跃升至 120cm/s 以上。

机理分析：氢气具有极高的化学反应活性和火焰传播速度，其燃烧过程主要通过链式反应快速进行。氢气的加入不仅自身燃烧迅速，其产生的活性自由基（如 H，O，OH）还能极大地促进甲烷分子的氧化反应速率，整体上“激活”了混合气，导致LBV 非线性快速增长。

2.2 对火焰稳定性及氮氧化物（NOx）排放的影响

火焰稳定性：LBV 的大幅提高意味着火焰传播更快，更接近可燃混合物的气流速度，这使得燃烧器更容易发生回火（Flashback）——即火焰沿着未燃混合气逆向传播至喷嘴内部，严重威胁燃烧安全。实验观察到，在掺氢比例超过 20% 后，在较高负荷下出现回火的临界气流速度显著提高。

NOx 排放：实验结果呈现先升后降的趋势。在低掺氢比（ <10% ）下，由于火焰温度升高，热力型 ΔNOx 生成量增加。但在高掺氢比（ (>20% ）下，尽管火焰速度更快，但氢气的燃烧火焰更短，烟气在高温区停留时间缩短，反而在一定程度上抑制了NOx 的生成。同时，氢气燃烧不含碳，不会产生燃料型 NOx 。总体来看，NOx 排放变化需结合具体燃烧器结构综合评估。

结论：掺氢显著改变了燃气的燃烧特性。LBV 的急剧增加对现有以天然气为燃料设计的燃烧器提出了严峻挑战，必须对燃具的喷嘴结构、燃烧室设计、气流场组织以及控制策略进行相应改造，以防止回火、熄火等安全问题，并优化排放性能。

3 综合讨论与工程建议

掺氢比例是核心参数：无论是材料兼容性还是燃烧特性，其变化烈度均与氢气掺混比例强相关。当前研究表明， 10% 以下的掺氢比例是一个相对安全的阈值，对现有管网系统和终端用户的改造要求最低，可作为近期规模化示范的首选目标。 20%-30% 的高比例掺氢则需要对管网进行严格评估和针对性改造，并配套开发“氢能友好”的燃烧设备。

建立分级评估与改造体系：

管网侧：对在役管道进行材料数据库建立，重点对老旧管网、焊接点、压缩机站等关键部位进行检测与评估。推广在线氢浓度监测与安全预警技术。新建管道应考虑氢兼容性设计，如选用抗氢脆钢材（X70 及以上级别钢表现更优）。用户侧：制定燃具适配性认证标准。对工业锅炉、燃气轮机等大型装置进行改造或更换；为民用户开发或更换适用于宽范围掺氢比（如0.30% ）的“自适应”燃气灶和热水器。标准与法规先行：当前缺乏针对氢混天然气输送和利用的国家与行业标准。亟需加快制定涵盖气体质量、管道设计、施工验收、安全监测、终端设备等全链条的技术规范和法律框架，为产业健康发展保驾护航。

结语：

综上所述， 本研究通过系统的实验分析了氢能与天然气混合输送中的管道兼容性和燃烧特性，得出以下主要结论：氢气掺混会诱发管线钢的氢脆现象，导致其塑性下降，并引起橡胶密封材料溶胀老化。在 20% 及以上高掺氢比例下，材料性能退化显著。氢气的加入显著提高混合气的层流燃烧速度，掺氢 30% 时LBV 可达纯天然气的3 倍以上，大幅提高了燃烧器回火的风险。NOx 排放特性发生变化，需具体分析。综合技术经济性与安全性，建议近期优先推广不超过 10% 体积分数的掺氢输送，并同步开展高比例掺氢技术的攻关、示范和标准制定工作。氢混天然气输送是通向未来纯氢经济的桥梁。本研究为其安全、可靠、规模化应用提供了重要的实验数据支持和科学依据。

参考文献：

[1]马小芳.天然气管道混氢输送若干问题探讨[J].石油管材与仪器，2025，11(03)：99-102.

[2]张鸿杰，郑航，赵婧，等.天然气在推动氢能产业发展中的角色分析[J].城市燃气，2025，(05)：52-57.