为何氢气和CO2管道不能照搬天然气网络
澳大利亚沃利集团（Worley Limited，ASX）上游陆上及中游业务副总裁彼得・考克斯近日在《管道与天然气杂志》上发表文章，表达观点：澳大利亚建设氢气和二氧化碳管道不能照搬天然气网络！
沃利集团是全球领先的工程专业服务公司，总部位于悉尼，业务覆盖能源、化工、资源等领域，在46个国家拥有超5.2万名员工。
澳大利亚已将氢和碳捕集与封存（CCS）列为其净零战略的核心支柱。尽管电气化在减排方面发挥着重要作用，但对于重工业、化工和长途运输等行业而言，电气化并非总能奏效。
氢和碳捕集与封存为这些难以减排的领域提供了切实可行的替代方案，但要大规模应用，就需要大幅扩展国家基础设施。
《澳大利亚净零研究》发现，若使用现有技术到 2050 年实现净零排放，根据不同情景，可能需要近 9350 英里（15000 公里）的输氢管道、12500 英里（20000 公里）的二氧化碳管道以及约 8000 公里的输水管道。
从客观角度来看，澳大利亚在过去 60 年中建成了约 26100 英里（42000 公里）的天然气管道。而如今，需要在 25 年内完成同样规模的建设。
更为复杂的是，氢和二氧化碳的特性与天然气不同，现有基础设施需要进行改造以适应它们的独特性质。而且，现有基础设施通常仍需用于天然气输送，或者其位置不符合新服务的要求。
通过从一开始就针对这些差异来设计新管道，我们可以确保它们安全、有韧性且面向未来。先进的数字工具和模拟技术现在使我们能够提前对性能进行建模，加快交付速度，并为澳大利亚的净零战略提供支持。
天然气管道改造为输氢管道在一些国家可行，但澳洲不能照搬
在一些地区，将现有天然气网络的部分设施改造用于氢或二氧化碳输送，在实际操作和经济上是可行的。
例如，在欧洲，天然气需求下降以及管道冗余度提高，为将整个网络路段改造为氢输送管道创造了适宜条件，这将有助于降低成本并加速进程。
然而，澳大利亚当前的大部分天然气网络对于国内、出口和工业能源供应仍然至关重要，这意味着可以下线或改造的容量非常有限。只有少数几条管道，如西澳大利亚的帕梅利亚天然气管道的部分路段，正在探索进行改造，而且这些改造还需要升级以满足安全和性能要求。
由于改造可能仅能起到很小的作用，澳大利亚迎来了一个难得的机会，可以从零开始建设一个全新的网络，无需为了适应早期能源系统设计的基础设施而做出妥协。
凭借这个全新的起点，我们可以从一开始就设计出专门建造的氢和二氧化碳管道，这些管道更安全、更高效，并且能更好地与可再生能源、储能设施和工业需求相结合。
但是，从零开始建设也意味着要应对这些新型能源载体所带来的独特技术挑战。从材料选择到压力管理，工程设计必须针对每种能源载体的独特特性进行定制，同时还必须为降低成本进行优化，以构建支持其建设的商业案例。
全新开始，材料挑战
在氢方面，最关键的问题之一是它与管道材料的相互作用。它带来了一系列材料风险，包括氢脆现象，即钢材因长期暴露于氢而变脆。这使得管道更容易开裂，尤其是在承受机械应力和压力波动的情况下。
在氢系统中，特别是用于储存或与可变可再生能源相关联的系统中，随着产量的增减，压力会上升和下降。这些波动会给管道带来反复的应力，再加上氢脆现象，会加快裂纹的形成和扩展速度。
氢以及其中可能存在的杂质还会导致其他形式的降解，如氢致开裂、鼓泡和硫化物应力腐蚀开裂。要管理这些风险，就必须从设计之初就考虑到疲劳问题。必须精心选择用于氢输送的管道钢材，因为并非所有等级的钢材都具备所需的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展能力，以承受长期的循环载荷。
在某些情况下，需要更厚的管壁，而且用于天然气管道的安全裕度往往需要调整，以适应氢的不同特性。
在常规管道中可能符合验收标准的缺陷，如椭圆度、边缘偏移或小的表面缺陷，在氢输送管道中会显著缩短疲劳寿命。这些缺陷会成为应力集中点，使得裂纹更容易产生并随时间扩展。需要先进的建模技术从一开始就帮助管理这些风险。
断裂力学和有限元分析等工具使工程师能够在选择或安装材料之前，评估这些缺陷在实际运行条件下可能的表现。
重新思考焊接问题
另一个需要考虑的是，目前尚无专门针对氢管道的焊接规范。一些现有标准可能仍然有用，但这些标准并未涉及关键风险，如压力循环或焊接后留下的残余应力。
在缺乏氢专用标准的情况下，工程临界评估（ECA）提供了一种实用且成熟的方法来评估这些条件下的焊接完整性。工程临界评估通常用于基于应变的管道设计中，通过纳入相关的材料特性（如断裂韧性），可以对其进行调整以适用于氢输送服务，从而管理疲劳裂纹扩展速率。结合数字建模，它们能更真实地反映焊接在变压条件下的性能。
二氧化碳管道
虽然二氧化碳的工程处理方法与氢有相似之处，但二氧化碳的运输带来了一系列不同的技术挑战。要满足长达 12425 英里（20000 公里）的管道需求，所建设的基础设施必须适应二氧化碳的特性，包括其在压力作用下以及存在杂质时的表现。
二氧化碳理想的运输状态是高密度、高压，这样可以提高管道的输送效率。然而，如果发生泄漏（例如由于未经授权的挖掘），二氧化碳的减压方式与天然气不同。压力不会一下子全部下降。相反，在相变过程中压力会保持相对恒定，这会使裂纹尖端的应力得以维持，除非管道经过专门设计以阻止裂纹扩展，否则裂纹可能会持续蔓延。
断裂阻止器是一种选择，但成本高昂。一种更有效的策略是及早分析断裂行为，并利用这些信息来指导材料选择、布局规划和管壁厚度确定。通过合理的组合，管道可以设计成将故障控制在发生的局部范围内。数字断裂建模使工程师能够在投入建设之前测试故障情景并优化设计参数。
腐蚀是另一个关键因素。二氧化碳携带的水分比甲烷多得多，当这些水分在管道内凝结时 —— 尤其是在减压过程中温度下降时 —— 会具有很强的腐蚀性。硫化氢和氧气等杂质会进一步增加这种风险。为了减少这种情况，脱水处理需要比在天然气系统中严格得多。然而，即使有更严格的规范，一旦运行条件发生变化，残余的水分仍然可能构成威胁。
与断裂控制一样，早期建模也起着关键作用。在这种情况下，重点是高密度二氧化碳随时间的化学和热行为。考虑了流速、压力、温度和杂质的定制腐蚀模型，使工程师能够设计出将材料降解风险降至最低并更有把握地延长管道寿命的系统。
确保万无一失
氢和二氧化碳管道的工程标准很高，而且必须如此。这些管道对澳大利亚的能源未来至关重要，需要安全可靠地运行数十年。设计过程中出现的错误日后难以纠正。鉴于这种基础设施的规模和复杂性，第一次就做到位至关重要。
好消息是，新的数字技术和建模工具使这成为可能。通过利用这些创新，澳大利亚能够跟上能源转型的宏伟步伐，并建设所需的基础设施，以实现长期的成功。