一种天然气管道降压输氢的压力确定方法

本发明涉及管道输氢技术，特别涉及一种天然气管道降压输氢的压力确定方法。

背景技术：

1、通过管道输送氢气是实现氢能大规模、跨区域、长时间运输的最经济方式。然而，氢气管道的建设时间长、成本高，通过现有天然气管道掺氢输送可以在短时间内实现氢能的管道输送，大幅降低管道的建设成本，并且避免后续脱碳进程中现有天然气管道遭到废弃。

2、天然气在掺氢之后，氢分子会在材料表面解离为氢原子并侵入金属材料内部，并在应力的驱动下，向裂纹尖端聚集，导致材料更容易发生断裂。因此，对于存在缺陷的天然气管道，氢气的掺入会使得管道更容易发生爆破，严重危害设备的运行以及人员财产的安全。因此需要确定在掺氢后，管道能否以原有的压力运行，或者在保证管道不更换的情况下降低运行压力以保证气体的安全输送。

3、尽管目前已有较多关于金属材料在氢气环境中的力学性能数据，然而仅通过氢对材料的影响还是难以准确的描述带有缺陷的管道在氢环境下的失效行为。此外，目前的标准中，如gb 32167-2015《油气输送管道完整性管理规范》中只提到对于含有不可接受缺陷的管道可以采取降低使用压力的方法，但却并未给出如何计算氢环境下现有天然气管道的使用压力上限。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种天然气管道降压输氢的压力确定方法。

2、为解决技术问题，本发明的解决方案是：

3、提供一种天然气管道降压输氢的压力确定方法，包括以下步骤：

4、(1)根据强制性标准的要求对拟用于输氢的天然气管道进行全面的内检测；根据检测结果分析管道内部的裂纹和缺陷分布情况，确定所有裂纹或缺陷的危险性系数fh；

5、(2)选取天然气管道中危险性系数fh最大的三个区域，将对应的管段截取下来；使用氢气作为介质对截取的管段分别进行爆破试验，得到爆破压力值；假设天然气管道的实际运行压力为p1，试验所得爆破压力的平均值为pb，则天然气管道的最大输氢运行压力为：p2＝min{p1，0.85pb}；

6、(3)在管段横截面上与爆破口呈轴向中心对称的位置处取样，在原位环境下进行断裂韧性kih和疲劳裂纹扩展速率的测试；

7、(4)基于测试结果对管道材料的疲劳寿命和断裂进行安全评价，如果两项评价的结论均符合强制性标准的规定，则将输氢压力p2作为降压输氢过程中天然气管道的最大运行压力。

8、作为本发明的优选方案，所述步骤(1)中，通过以下方法确定裂纹或缺陷的危险性系数fh：

9、根据天然气管道的实际运行压力p1以及材料性能参数，计算检测出的裂纹在失效评定图上的位置a，将原点o与a点连线，该连线与失效评定曲线的相交点为b；则危险性系数为fh＝oa/ob，其中oa和ob分别是原点o与a、b两点的连线长度。

10、作为本发明的优选方案，所述步骤(2)中，在截取的管段中至少包含1个焊缝区域；该管段的长度至少是管段外径的10倍，且目标缺陷位于所截取管段中间部位。

11、作为本发明的优选方案，所述步骤(2)中，按以下方式对截取的管段进行爆破试验：

12、(a)先在管段内部放入高密度聚乙烯圆柱，并以焊接盲板的方式封堵管段两端，盲板上设有充气口；聚乙烯圆柱的直径比管段内径小2～5mm，长度比管段至少短10～20mm；

13、(b)通过充气口向管段内部充入氢气，加压至天然气管道运行压力p1的85％之后保压24h以上，保压期间的压力损失应小于天然气管道的实际运行压力p1的5％；

14、(c)以低于1mpa/h的加压速率提升管段内的氢气压力，直至管段爆破；检查爆破口是否位于目标缺陷所处位置；如果是，则视为测试爆破压力有效；若不是，则需另外截取管段进行试验；获取至少3个有效爆破压力的数据，取其平均值记为pb。

15、作为本发明的优选方案，所述步骤(3)中，在原位环境下进行测试是指：

16、(1)如果后续将利用天然气管道输送纯氢，则在测试过程中充入氢气，且压力不低于天然气管道实际运行压力p1；

17、(2)如果后续将利用天然气管道输送掺氢的混合气体，则在测试过程中充入掺氢的混合气体；且测试气体的总压不低于天然气管道实际运行压力p1，测试气体中氢气的体积占比不小于后续拟输送混合气体的掺氢比。

18、作为本发明的优选方案，所述步骤(3)疲劳裂纹扩展速率的测试中，应力强度因子之比不大于管道实际运行记录中的最小压力比rmin。

19、作为本发明的优选方案，所述步骤(4)中，如两项评价的结论中有一个不符合强制性标准的规定，则在输氢压力p2的基础上乘以0.85，然后重新进行疲劳寿命评价和断裂安全评价；重复该操作，直至两项评价的结论均符合规定，并将此时的输氢压力作为降压输氢过程中天然气管道的最终使用压力。

20、作为本发明的优选方案，所述步骤(4)中，在进行疲劳寿命评价时，管道压力比不大于管道实际运行记录中最小压力比rmin。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

22、(1)本发明结合管道内检测技术和危险性系数的定义，能够快速的定位管道掺氢后最危险的部位。

23、(2)本发明针对最危险的管段进行氢气爆破试验，能够在更换危险管段的同时确定了管道的极限承载能力。

24、(3)本发明以氢气作为管道爆破试验的介质，可以更准确的得到管道的极限承载能力。

技术特征：

1.一种天然气管道降压输氢的压力确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(1)中，通过以下方法确定裂纹或缺陷的危险性系数fh：

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在截取的管段中至少包含1个焊缝区域；该管段的长度至少是管段外径的10倍，且目标缺陷位于所截取管段中间部位。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(2)中，按以下方式对截取的管段进行爆破试验：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，在原位环境下进行测试是指：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)疲劳裂纹扩展速率的测试中，应力强度因子之比不大于管道实际运行记录中的最小压力比rmin。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，如两项评价的结论中有一个不符合强制性标准的规定，则在输氢压力p2的基础上乘以0.85，然后重新进行疲劳寿命评价和断裂安全评价；重复该操作，直至两项评价的结论均符合规定，并将此时的输氢压力作为降压输氢过程中天然气管道的最终使用压力。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，在进行疲劳寿命评价时，管道压力比不大于管道实际运行记录中最小压力比rmin。

技术总结本发明涉及管道输氢技术，旨在提供一种天然气管道降压输氢的压力确定方法。包括：基于管道的内检测结果分析管道内部的裂纹和缺陷分布情况，确定所有裂纹或缺陷的危险性系数；选取危险性系数最大的三个区域，将对应的管段截取下来；使用氢气对截取的管段分别进行爆破试验；在管段横截面上与爆破口呈轴向中心对称的位置处取样，在原位环境下进行断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率的测试；基于测试结果对管道材料的疲劳寿命和断裂进行安全评价，如果两项评价的结论均符合强制性标准的规定，则将输氢压力作为降压输氢过程中天然气管道的最大运行压力。本发明能够快速的定位管道掺氢后最危险的部位，在更换危险管段的同时精准确认管道的极限承载能力。技术研发人员：高睿哲,邢百汇,花争立,池爽赫受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/5/12