Hydrogen blending amplifies seismic risk to global gas pipelines
这项研究表明，将现有的天然气管道重新用于氢气掺混会显著放大地震失效风险——由于累积的材料损伤，敏感交叉处的概率增加了高达40倍——因此有必要在氢能基础设施规划中纳入地震灾害评估。
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世界正处于一场无声的能源革命之中，正从化石燃料转向更清洁的替代能源，以驱动我们的未来。在这场转型中，氢气处于核心地位，它是一种燃烧时产生清洁排放、且可以从风能和太阳能等可再生资源中生产的燃料。为了跨越大陆运输这种燃料，工程师们正在关注一个庞大的现有网络：那便是已经埋藏在地下、长达数十万公里的天然气管道。其构想是直接将氢气混入这些管道中流动的天然气中，这一策略有望节省数十亿美元，并加速向绿色经济的转型。然而，这些管道是为甲烷（一种不同的气体）而建造的，而且它们所处的星球一直在运动。它们下方的地面会移动、开裂，并在地震期间发生震动，工程师们数十年来一直致力于预测并抵御这种力量。关键问题在于，这些现在承载着一种新型且具有化学侵蚀性的燃料的老旧管道，是否仍能在地面剧烈的运动中幸存下来。
一组研究人员致力于通过审视全球图景，来回答这个问题，即探讨氢气与地震的结合如何威胁到全球的管道基础设施。他们不仅观察了管道本身，还观察了它们所形成的复杂连接网络，以及地面最容易发生断裂的具体位置。通过分析近 2,600 条运行中的天然气管道数据，科学家们绘制出了这些管道穿越地壳活跃断层的分布图。随后，他们进行了数千次计算机模拟，以观察当管道在长时间内（从十年到三十年不等）暴露于氢气中，同时面临地震压力时会发生什么。研究揭示了一个在很大程度上被忽视的隐藏危险：氢气的存在不仅会随着时间的推移缓慢削弱金属，还会显著放大管道在地面震动时发生断裂的风险。
研究人员发现，这种危险并不局限于世界上地震频发的地区。虽然人们熟知智利、日本和土耳其等地的管道面临着高地震风险，但研究表明，加入氢气后，游戏规则发生了彻底改变。在某些管道穿越断层的特定位置，如果氢气混合比例较高且暴露时间较长，管道在地震期间失效的可能性会增加近四十倍。这并不是因为地震本身变得更强了，而是因为氢气在悄无声息地降解钢材，使其变得脆弱，从而降低了在地面移动时的弯曲或拉伸能力。研究指出，这种损伤会随着时间缓慢积累，就像一种在数十年间侵蚀金属强度的锈蚀，直到管道无法承受断层滑动时的突然冲击。
或许最令人惊讶的发现是，这种增加的风险并非均匀分布。在那些此前被认为仅具有中等地震风险的地区，危险性也同样很高。在像中国、土耳其和伊朗这样的国家，引入氢气混合物可能会使管道失效的可能性翻倍甚至增加至三倍。研究表明，风险更多是由管道携带氢气的时间长短驱动的，而非由地震带本身的强度驱动。这意味着，如果氢气造成的损伤已有足够时间形成，那么位于“中等”地震等级区域的管道可能比位于“高”等级区域的管道更加危险。研究人员计算出，在暴露于 20% 氢气混合物三十年后，面临重大管道失效风险的国家数量可能会增加一倍以上，使威胁从少数集中的热点地区扩散到更广泛的全球版图。
该研究还探讨了管道网络的形状如何影响发生故障时的结果。他们发现，管道的布局与金属本身的强度同样重要。像单根线一样呈长直线运行的管道是最脆弱的。如果发生在线性路径的断层交叉处，整个气流就会停止，系统也会失去输送能源的能力。相比之下，像网格一样交织在一起、拥有许多环路和替代路径的网络，在应对断裂时表现得更为出色。当网格网络中的一段管道断裂时，气体可以简单地通过其他路径绕过受损处继续流动。然而，研究人员警告说，即使是这些强大的网络也有其极限。如果单一的地震断层同时切断了网络中的多个点，它可能会同时切断所有替代路径，导致系统无法恢复。研究显示，尽管网格网络具有韧性，但氢气的存在仍然会降低其恢复能力，尽管这种损失比直线系统要轻得多。
这些发现对于我们规划能源未来具有深远意义。研究表明，仅仅检查管道是否位于地震带内已不再足够。工程师和决策者现在必须考虑管道承载氢气的时间长短以及混合气体的比例。一条原本适用于天然气的管道，在被重新利用为氢气管道时，尤其是当它穿越断层线时，可能会变成一种负债。研究建议，安全评估需要进行更新，将这些长期化学效应纳入考量，将管道材料的降解视为地震风险的一个关键组成部分。这不仅仅是关于建造更强的管道，更是关于理解材料本身会随时间发生变化，变得更加脆弱，且不再具备承受地球自然运动的能力。
最终，这篇论文描绘了一幅全球基础设施比此前认为更加脆弱的图景。向氢能转型是必经之路，但绝不能通过忽视相关材料的物理特性来实现。研究人员强调，这种风险是真实且可衡量的，是由氢气对钢材造成的缓慢、累积性的损伤所驱动的。他们主张，在我们大规模投入现有网络混合氢气之前，必须严格评估每一条管道在暴露于新燃料数十年后，是否仍有能力抵御地震。其目标是确保通往更清洁能源未来的道路，不会因脚下地面的灾难性失效而演变成一场新的灾难。
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