鄭津洋,胡 軍,韓武林,花爭(zhēng)立,葉 盛

(1.浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，杭州 310027；2.高壓過(guò)程裝備與安全教育部工程研究中心，杭州 310027；3.大連鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)研究院有限公司，遼寧大連 116006；4.北京海德利森科技有限公司，北京 102600)

0 引言

氫能具有來(lái)源多樣、利用高效、清潔環(huán)保等特點(diǎn)，其既是支撐石化能源高效清潔利用的重要無(wú)碳原料；又是構(gòu)建以清潔能源為主的多元能源供應(yīng)體系的重要載體[1]?！笆濉眹?guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃指出，氫能是新一代引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性能源技術(shù)。隨著制氫、儲(chǔ)氫、輸氫、用氫(特別是氫燃料電池)和氫安全技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)步，以及政府行業(yè)主管部門(mén)和監(jiān)督管理部門(mén)的高度重視，能源與裝備制造大型骨干企業(yè)合理布局的加快，中國(guó)氫能利用的步伐和發(fā)展明顯提速。截至2019年底，中國(guó)已經(jīng)建成各類(lèi)加氫站66座，全球排名第三，儲(chǔ)氫壓力容器(含緩沖罐等)將近1 000臺(tái)；氫燃料電池汽車(chē)?yán)塾?jì)銷(xiāo)售約6 164輛，商用車(chē)保有量全球第一，車(chē)載高壓氫氣瓶已經(jīng)超過(guò)2.5萬(wàn)只；氫氣壓力管道約400 km。據(jù)相關(guān)管理部門(mén)的規(guī)劃，到2030年，我國(guó)加氫站數(shù)量將超過(guò)1 000座，燃料電池汽車(chē)超過(guò)100萬(wàn)輛，氫氣壓力管道將達(dá)到3 000 km以上。

儲(chǔ)氫、輸氫是連接制氫和用氫的橋梁，在氫能發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用。迄今為止，幾乎所有的儲(chǔ)氫設(shè)備和輸氫設(shè)備都承受氫氣壓力，屬于特種設(shè)備中的承壓設(shè)備。儲(chǔ)氫承壓設(shè)備主要包括固定式壓力容器、氣瓶等；輸氫承壓設(shè)備主要包括鐵路罐車(chē)、管束式集裝箱、長(zhǎng)管拖車(chē)、壓力管道等。氫能承壓設(shè)備包括儲(chǔ)氫承壓設(shè)備、輸氫承壓設(shè)備，及其安全附件和儀表等(包括安全閥、爆破片、緊急切斷閥、壓力表、溫度計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器等)，其共同特點(diǎn)是，氫氣易漏易燃易爆，存在較大的燃燒、爆炸風(fēng)險(xiǎn)；在高壓、液氫或者深冷環(huán)境下工作，材料存在脆化風(fēng)險(xiǎn)。由于儲(chǔ)氫壓力容器和氫氣瓶工作條件的復(fù)雜性(如工作壓力波動(dòng)較頻繁以及壓力波動(dòng)范圍較大等)，存在一定的疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)[2-3]。

氫能承壓設(shè)備使用的安全保障是一個(gè)全球性課題。據(jù)相關(guān)資料[4]統(tǒng)計(jì)，2011～2015年，日本各類(lèi)加氫站總計(jì)發(fā)生事故28起，其中額定加氫壓力70 MPa加氫站和35 MPa加氫站各14起。2019年5月23日，韓國(guó)江原道江陵市儲(chǔ)氫壓力容器爆炸，造成2死6傷；2019年6月1日，美國(guó)加州某儲(chǔ)氫壓力容器發(fā)生氫氣泄漏而引起爆炸事故；2019年6月10日，挪威某加氫站發(fā)生氫氣泄漏而引起爆炸事故。近年來(lái)，中國(guó)也發(fā)生了如某水電解制氫系統(tǒng)儲(chǔ)氫罐發(fā)生爆炸、某儲(chǔ)氫壓力容器水壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)生爆炸以及氫安全附件泄漏失效等多起重大安全事故。

隨著中國(guó)氫能承壓設(shè)備種類(lèi)和數(shù)量的快速增長(zhǎng)，設(shè)計(jì)工況條件的極端化(如設(shè)計(jì)壓力高達(dá)140 MPa、設(shè)計(jì)溫度低至-253 ℃等)，輕量化設(shè)計(jì)的應(yīng)用普及，社會(huì)公共安全要求的不斷提高，氫能承壓設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、使用、管理等安全保障面臨著新的挑戰(zhàn)。為保障人民生命和財(cái)產(chǎn)安全，促進(jìn)氫能行業(yè)健康發(fā)展，急需加強(qiáng)氫能承壓設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)防控的研究。

1 儲(chǔ)氫、輸氫承壓設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 儲(chǔ)氫承壓設(shè)備

氫介質(zhì)的儲(chǔ)存方式主要分為氣態(tài)儲(chǔ)氫(氣氫)、液態(tài)儲(chǔ)氫(液氫)、固態(tài)儲(chǔ)氫和復(fù)合儲(chǔ)氫等，相應(yīng)的儲(chǔ)氫承壓設(shè)備體系見(jiàn)圖1。

圖1 儲(chǔ)氫承壓設(shè)備體系

(1)氣態(tài)儲(chǔ)氫設(shè)備。主要用于儲(chǔ)存高壓氫氣，包括固定式儲(chǔ)氫壓力容器和高壓氫氣瓶，其優(yōu)點(diǎn)是充氫放氫速度快、設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、技術(shù)相對(duì)成熟，是市場(chǎng)需求的主流儲(chǔ)氫方式；缺點(diǎn)是體積儲(chǔ)氫密度較低，且需要高壓力儲(chǔ)存，以增大儲(chǔ)氫密度。

固定式儲(chǔ)氫壓力容器是加氫站、制氫站、氫儲(chǔ)能系統(tǒng)、高壓氫循環(huán)測(cè)試系統(tǒng)、發(fā)電站、加氫工藝裝置等的主要核心設(shè)備。目前，我國(guó)加氫站在用的固定式儲(chǔ)氫壓力容器將近1 000臺(tái)，大多數(shù)為境內(nèi)制造，境外進(jìn)口的僅占少數(shù)，主要結(jié)構(gòu)形式有單層儲(chǔ)氫壓力容器(包括大容積無(wú)縫瓶式儲(chǔ)氫容器、單層整體鍛造式儲(chǔ)氫壓力容器等)和多層儲(chǔ)氫壓力容器(包括全多層儲(chǔ)氫壓力容器、層板包扎儲(chǔ)氫壓力容器等)，臨氫材料牌號(hào)主要有S31603,4130X,35CrNi3MoVR,20MnMoV，SA372 J等，設(shè)計(jì)壓力為41,50,70,98，140 MPa等，容積為0.053,0.3,0.9,1.0,2.0,5.0,7.3，10.0 m3等。復(fù)合材料儲(chǔ)氫壓力容器尚處于試制樣機(jī)階段。已經(jīng)實(shí)施的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 26466—2011《固定式高壓儲(chǔ)氫用鋼帶錯(cuò)繞式容器》、T/ZJASE 001—2019《固定式高壓儲(chǔ)氫用鋼帶錯(cuò)繞式容器定期檢驗(yàn)與評(píng)定》和T/CATSI 05003—2020《加氫站儲(chǔ)氫壓力容器專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)要求》。

目前，有的加氫站儲(chǔ)氫設(shè)備采用了按氣瓶規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造的儲(chǔ)氫氣瓶，其優(yōu)點(diǎn)是制造比較容易、成本較低，但這種應(yīng)用未得到相關(guān)法規(guī)、安全技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的支持，也不符合團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CATSI 05003—2020《加氫站儲(chǔ)氫壓力容器專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)要求》的規(guī)定。將來(lái)是否可以成為市場(chǎng)需求的一個(gè)發(fā)展方向，還要看國(guó)際、國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展成熟度，以及相應(yīng)安全技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)制修訂進(jìn)展情況而定。

高壓氫氣瓶包括鋼制高壓氫氣瓶和復(fù)合材料高壓氫氣瓶。鋼制高壓氫氣瓶主要用于氫燃料電池叉車(chē)；復(fù)合材料高壓氫氣瓶主要用于氫燃料電池汽車(chē)、氫燃料軌道交通、氫燃料無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域。中國(guó)在用的復(fù)合材料高壓氫氣瓶已超過(guò)2.5萬(wàn)只，絕大多數(shù)是境內(nèi)生產(chǎn)的鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞高壓氫氣瓶(Ⅲ型氫氣瓶)，少量是境外進(jìn)口的，公稱(chēng)工作壓力為35 MPa和70 MPa，使用環(huán)境溫度-40～85 ℃，容積28～320 L；塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞高壓氫氣瓶(Ⅳ型氫氣瓶)目前境內(nèi)尚處于立項(xiàng)研究試制階段。已經(jīng)頒布實(shí)施的相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 35544—2017《車(chē)用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》。

(2)液態(tài)儲(chǔ)氫設(shè)備。主要用于儲(chǔ)存液氫，分為固定式液氫壓力容器(儲(chǔ)罐)和液氫瓶，其優(yōu)點(diǎn)是體積儲(chǔ)氫密度高，液氫的密度為70 kg/m3；缺點(diǎn)是氫氣液化能耗高(約為氫氣能量的1/3)、長(zhǎng)時(shí)間存放液氫的靜態(tài)蒸發(fā)損失較大。一般液態(tài)儲(chǔ)氫承壓設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力為0.1～1.3 MPa左右，設(shè)計(jì)溫度為-253 ℃。目前，我國(guó)液氫行業(yè)裝置產(chǎn)能大約5噸/天，主要用于航空航天領(lǐng)域，研制的300 m3固定式液氫壓力容器成功應(yīng)用于火箭發(fā)射場(chǎng)，相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《氫能汽車(chē)用燃料液氫》、《液氫生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》、《液氫儲(chǔ)存和運(yùn)輸安全技術(shù)要求》即將頒布實(shí)施。隨著軍用技術(shù)的逐步解密和民品化，以及氫氣液化、液氫儲(chǔ)存技術(shù)的進(jìn)步，民用液氫壓力容器、液氫瓶和車(chē)載液氫系統(tǒng)的研發(fā)正在提速，目前已經(jīng)研制出樣機(jī)，而且大型液氫球罐也處于研制開(kāi)發(fā)階段。

(3)固態(tài)儲(chǔ)氫容器。固態(tài)儲(chǔ)氫是通過(guò)氫與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或者物理吸附將氫儲(chǔ)存于固體材料中，優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)氫壓力較低、體積儲(chǔ)氫密度高、可純化氫氣；缺點(diǎn)是質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度低、充放氫需要熱交換。常用固態(tài)儲(chǔ)氫方式有金屬氫化物固態(tài)儲(chǔ)氫、配位氫化物固態(tài)儲(chǔ)氫、碳質(zhì)材料固態(tài)儲(chǔ)氫、金屬有機(jī)骨架化合物儲(chǔ)氫等。固態(tài)儲(chǔ)氫容器的設(shè)計(jì)壓力一般為0.5～ 4.0 MPa，設(shè)計(jì)溫度-40～60 ℃。固態(tài)儲(chǔ)氫容器的容積范圍比較寬，只有容積大于等于30 L的容器才屬于安全監(jiān)察范疇內(nèi)的壓力容器。我國(guó)固態(tài)儲(chǔ)氫容器已在通訊基站、加氫站等場(chǎng)所獲得應(yīng)用，已經(jīng)實(shí)施的相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 33292—2016《燃料電池備用電源用金屬氫化物儲(chǔ)氫系統(tǒng)》、GB/T 34544—2017《小型燃料電池車(chē)用低壓儲(chǔ)氫裝置安全試驗(yàn)方法》。

(4)復(fù)合儲(chǔ)氫氣瓶(容器)。為提高儲(chǔ)氫密度，近些年出現(xiàn)了高壓固態(tài)復(fù)合儲(chǔ)氫氣瓶(容器)和高壓深冷復(fù)合儲(chǔ)氫氣瓶(容器)。我國(guó)高壓固態(tài)復(fù)合儲(chǔ)氫壓力容器的充氫壓力一般為35,45,90 MPa，使用溫度不超過(guò)80 ℃，最大容積已經(jīng)達(dá)到1.0 m3，并且在某加氫站投入示范試運(yùn)行。高壓深冷儲(chǔ)氫氣瓶的公稱(chēng)工作壓力一般為30～50 MPa，工作溫度-40～-240 ℃。

1.2 輸氫承壓設(shè)備

輸氫承壓設(shè)備主要用于將氣態(tài)氫或者液態(tài)氫從產(chǎn)地輸送或者運(yùn)輸?shù)浇K端用戶(hù)，輸氫承壓設(shè)備體系見(jiàn)圖2，主要分為氣態(tài)輸氫設(shè)備和液態(tài)輸氫設(shè)備。

圖2 輸氫承壓設(shè)備體系

(1)氣態(tài)輸氫設(shè)備。主要用于輸送、分配氫氣，包括運(yùn)氫設(shè)備和氫氣管道。

運(yùn)氫設(shè)備主要有氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)和氫氣管束式集裝箱。其適用于運(yùn)輸距離較短、輸送量較少、氫氣日用量為噸級(jí)以?xún)?nèi)的用戶(hù)。目前，我國(guó)氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)和氫氣管束式集裝箱采用的是鋼制大容積無(wú)縫高壓氣瓶和鋼質(zhì)內(nèi)膽碳纖維環(huán)向纏繞氣瓶，一般氣瓶公稱(chēng)工作壓力為20,25,30 MPa等，科技部正在立項(xiàng)研制公稱(chēng)工作壓力為50 MPa、容積不小于300 L的氫氣瓶。也有境內(nèi)物流和氣體公司正在嘗試采用其他運(yùn)輸模式，如采用公稱(chēng)工作壓力為30～52 MPa的氫氣瓶集裝格結(jié)構(gòu)形式的運(yùn)輸方式等。另外，還有氣瓶公稱(chēng)工作壓力為35 MPa(70 MPa)的移動(dòng)式撬裝加氫系統(tǒng)、氣瓶公稱(chēng)工作壓力為35 MPa(70 MPa)的集裝箱式氫氣增壓裝置等。這些系統(tǒng)或裝置中的儲(chǔ)氫氣瓶組和氫氣緩沖罐的合規(guī)性，以及采用非充裝站內(nèi)的直接加注或者卸載方式的安全性，都需要給予關(guān)注。

氫氣輸送管道主要有輸氫管道和配氫管道。輸氫管道分為兩類(lèi)，一類(lèi)是用于場(chǎng)(廠)區(qū)內(nèi)裝置間或者系統(tǒng)內(nèi)輸送氫氣，如企業(yè)場(chǎng)(廠)區(qū)內(nèi)輸氫管道、工業(yè)氫能園區(qū)內(nèi)輸氫管道、加氫站內(nèi)輸氫管道、車(chē)載供氫系統(tǒng)管道等，其特點(diǎn)是管道壓力高、直徑小，一般采用壓力管路用管或者儀表管，壓力等級(jí)為44.8 MPa(6 500 psi),46.2 MPa(6 700 psi),103.5 MPa(15 000 psi),137.9 MPa(20 000 psi)等，管道直徑為6.35 mm(1/4″),9.5 mm(3/8″),12.7 mm(1/2″),14.28 mm(9/16″),25.4 mm(1″)等；另一類(lèi)用于大規(guī)模、長(zhǎng)距離輸送氫氣(摻氫天然氣)的長(zhǎng)輸管道，管道設(shè)計(jì)壓力2.0～20.0 MPa，直徑300～1 000 mm。目前，我國(guó)長(zhǎng)距離輸送氫氣壓力管道大約400 km，最高輸氫壓力4.0 MPa，最大管徑508 mm。配氫管道一般用于小規(guī)模、短距離輸送氫氣，輸氫對(duì)象為小規(guī)模用戶(hù)(如民用氫能園區(qū)內(nèi)連接供氫站和用戶(hù)間的管道)，其特點(diǎn)是管道壓力較低、直徑較小。

(2)液態(tài)輸氫設(shè)備。主要用于輸送液氫，包括液氫鐵路加注運(yùn)輸車(chē)、液氫汽車(chē)罐車(chē)、液氫罐式集裝箱和液氫管道等。液氫承壓設(shè)備設(shè)計(jì)壓力為0.3～0.6 MPa，設(shè)計(jì)溫度-253 ℃。目前，中國(guó)已經(jīng)成功研制出70，85 m3自帶汽化器液氫鐵路加注運(yùn)輸車(chē)(高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)罐體，設(shè)計(jì)壓力0.6 MPa，設(shè)計(jì)溫度-253 ℃)，并在引進(jìn)膨脹珍珠巖結(jié)構(gòu)、100 m3低溫真空絕熱罐體的基礎(chǔ)上，完成了液氫鐵路加注運(yùn)輸車(chē)的設(shè)計(jì)制造。上述液氫鐵路加注運(yùn)輸車(chē)主要應(yīng)用于液氫火箭燃料的鐵路運(yùn)輸、發(fā)射場(chǎng)火箭燃料加注、航天研究院等科研單位的試驗(yàn)研究?？萍疾空诹㈨?xiàng)研制40 m3民用液氫汽車(chē)罐車(chē)。

2 氫能承壓設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)分析

以下從法規(guī)、技術(shù)、管理三個(gè)方面分析氫能承壓設(shè)備面臨的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 法規(guī)風(fēng)險(xiǎn)

法規(guī)或者標(biāo)準(zhǔn)覆蓋面缺失方面的風(fēng)險(xiǎn)，主要是指相應(yīng)的特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范或者標(biāo)準(zhǔn)缺少針對(duì)35 MPa以上氫能承壓設(shè)備的基本安全要求。TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中對(duì)于非焊接儲(chǔ)氫瓶式容器材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能作了規(guī)定，TSG R0006—2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)范中對(duì)充裝氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)、管式集裝箱的氣瓶提出了材料力學(xué)性能方面的要求，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 10354—2020《長(zhǎng)管拖車(chē)》和NB/T 10355—2020《管束式集裝箱》中對(duì)充裝氫氣的氣瓶以及管路等材料、設(shè)計(jì)、制造規(guī)定了基本安全要求。除GB/T 35544—2017《車(chē)用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》外，這些規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的基本安全要求主要針對(duì)的是公稱(chēng)工作壓力(設(shè)計(jì)壓力)在35 MPa以下的氫氣瓶或儲(chǔ)氫壓力容器。對(duì)于壓力更高的氫能承壓設(shè)備，其服役性能不僅僅取決于材料(化學(xué)成分、力學(xué)性能、微觀組織等)，而且與應(yīng)力(應(yīng)力比、加載頻率等)、環(huán)境(氫氣壓力、溫度、純度等)和制造(焊接、旋壓、沖壓、熱處理、無(wú)損檢測(cè)等)等密切相關(guān)，急需在現(xiàn)有安全技術(shù)規(guī)范和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，增加和補(bǔ)充專(zhuān)項(xiàng)基本安全要求。此外，氫能承壓設(shè)備安全附件和儀表的相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)也有待進(jìn)一步的補(bǔ)充和完善。

近期，針對(duì)加氫站儲(chǔ)氫壓力容器，團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CATSI 05003—2020《加氫站儲(chǔ)氫壓力容器專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)要求》已經(jīng)正式發(fā)布實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)加氫站儲(chǔ)氫壓力容器有關(guān)材料、設(shè)計(jì)、制造等環(huán)節(jié)的基本安全要求作出了專(zhuān)項(xiàng)規(guī)定。

2.2 技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)

2.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺失風(fēng)險(xiǎn)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺失風(fēng)險(xiǎn)主要反映在兩個(gè)方面，即基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匱乏和材料氫脆測(cè)試方法不當(dāng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匱乏。在中國(guó)，已發(fā)明了140 MPa快開(kāi)式金屬材料高壓氫脆原位檢測(cè)裝置[5]，對(duì)牌號(hào)為S31603，S30408的材料在5～140 MPa高壓氫氣環(huán)境中的性能進(jìn)行了系統(tǒng)深入研究，獲得了一批寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但仍不能滿(mǎn)足氫能承壓設(shè)備快速發(fā)展的需要，亟待開(kāi)展氫環(huán)境下材料、零部件和產(chǎn)品(系統(tǒng))三個(gè)方面的試驗(yàn)研究。在材料方面，需要獲得液氫(深冷)環(huán)境、35 MPa以上高壓氫氣環(huán)境中的材料性能，如材料本構(gòu)方程、疲勞設(shè)計(jì)曲線、疲勞裂紋擴(kuò)展速率等；在零部件方面，需要研究氫閥門(mén)、氫接頭、氫軟管等在氫環(huán)境下的失效模式及其預(yù)測(cè)方法；在產(chǎn)品方面，需要模擬使用工況條件，研究高壓氫氣瓶等產(chǎn)品的性能。中國(guó)在零部件和系統(tǒng)層面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)極少，這是影響中國(guó)氫能承壓設(shè)備產(chǎn)品性能一致性的重要因素。

(2)氫脆測(cè)試方法不當(dāng)。目前，金屬材料氫脆試驗(yàn)大致可以分為預(yù)充氫試驗(yàn)和原位氫試驗(yàn)。預(yù)充氫試驗(yàn)首先采用電化學(xué)充氫、高壓氣相熱充氫等方法對(duì)試樣預(yù)充氫，然后在空氣中對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)；原位氫試驗(yàn)是指在高壓氫氣環(huán)境中直接對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

預(yù)充氫方法是先充氫、后加載，不同于氫能承壓設(shè)備氫侵入和加載同步的情況，且無(wú)法模擬裂尖高應(yīng)力梯度區(qū)氫的動(dòng)態(tài)侵入和偏聚[6-8]。國(guó)外常用的儲(chǔ)氫壓力容器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)(如美國(guó)ASME BPVC Ⅷ-3 KD-10《Special Requirements for Vessels in Hydrogen Service》、日本JPEC-TD 0003《加氫站用低合金鋼制儲(chǔ)氫容器專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)要求》等)和臨氫材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(如加拿大ANSI/CSA CHMC 1《Test Methods for Evaluating Material Compatibility in Compressed Hydrogen Applications-Metals》等)均采用原位氫試驗(yàn)法。GB/T 34542.2—2018《氫氣儲(chǔ)存輸送系統(tǒng) 第2部分：金屬材料與氫環(huán)境相容性試驗(yàn)方法》規(guī)定了金屬材料在高壓氫氣環(huán)境中慢應(yīng)變速率拉伸性能、疲勞性能以及斷裂力學(xué)性能的測(cè)試方法；GB/T 34542.3—2018《氫氣儲(chǔ)存輸送系統(tǒng) 第3部分：金屬材料氫脆敏感度試驗(yàn)方法》規(guī)定了金屬材料的氫脆敏感度測(cè)試方法。

2.2.2 設(shè)計(jì)制造風(fēng)險(xiǎn)

設(shè)計(jì)制造風(fēng)險(xiǎn)主要反映在以下幾個(gè)方面：按JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))，進(jìn)行疲勞分析和對(duì)比經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、氫氣瓶設(shè)計(jì)制造質(zhì)量及其穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)、氫安全附件可靠性差引起的風(fēng)險(xiǎn)、氫氣瓶或者撬裝系統(tǒng)安裝不當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)。

(1)疲勞分析和對(duì)比經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。按JB/T 4732—1995進(jìn)行氫能承壓設(shè)備疲勞分析設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中存在兩個(gè)方面的問(wèn)題，一是JB/T 4732—1995中的疲勞設(shè)計(jì)曲線沒(méi)有考慮高壓氫氣、高壓深冷氫氣和液氫對(duì)疲勞壽命的影響；二是有些氫能承壓設(shè)備主要受壓元件材料，如4130X等材料，尚未納入JB/T 4732—1995標(biāo)準(zhǔn)中。

我國(guó)目前在線運(yùn)營(yíng)的加氫站基本上為示范站或者投用不久的商用站，加氫量不大，儲(chǔ)氫壓力容器的氫氣充放次數(shù)或者頻率較少，最多也就幾千次，尚不足以作為儲(chǔ)氫壓力容器對(duì)比經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的依據(jù)；也不應(yīng)當(dāng)據(jù)此證明該類(lèi)壓力容器不會(huì)發(fā)生疲勞失效。

(2)氫氣瓶設(shè)計(jì)制造質(zhì)量及其穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)。有的氫氣瓶制造單位對(duì)產(chǎn)品研發(fā)投入不足，試驗(yàn)數(shù)據(jù)過(guò)少，無(wú)法對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量提供有效支撐；追求產(chǎn)品生產(chǎn)進(jìn)度，質(zhì)量穩(wěn)定性難以保證；車(chē)企和氣瓶制造企業(yè)對(duì)氫氣瓶安全性關(guān)注有待加強(qiáng)、過(guò)度追求輕量化導(dǎo)致氫氣瓶安全裕度降低，特別在公稱(chēng)工作壓力為70 MPa高壓氫氣瓶領(lǐng)域，Ⅲ型氫氣瓶的疲勞壽命有待進(jìn)一步提高，Ⅳ型氫氣瓶的研發(fā)與國(guó)外相比仍有較大差距，需要深入研究并解決設(shè)計(jì)、制造等方面所面臨的問(wèn)題。跟風(fēng)冒進(jìn)就會(huì)出問(wèn)題，給使用安全帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)氫安全附件可靠性差引起的風(fēng)險(xiǎn)。由于標(biāo)準(zhǔn)缺失，對(duì)氫材料、氫泄漏、氫沖擊等缺乏系統(tǒng)和深入地研究，造成國(guó)產(chǎn)50 MPa(98 MPa)級(jí)氫壓力表、氫傳感器、閥門(mén)的可靠性較差、使用壽命較短、容易泄漏等問(wèn)題，給使用安全帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)和存在較大安全隱患。例如，由于氫壓力表彈簧管采用常規(guī)材料與焊接工藝，泄漏破損時(shí)有發(fā)生，這有可能釀成火災(zāi)爆炸事故。

(4)氫氣瓶或者撬裝系統(tǒng)安裝不當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)。氫氣瓶或者撬裝系統(tǒng)安裝是車(chē)載供氫系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。但現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有對(duì)供氫系統(tǒng)管路、接頭、密封形式等提出基本安全要求。如果設(shè)計(jì)單位的選型不滿(mǎn)足使用要求，也會(huì)造成管路連接接頭、密封性能等失效，甚至因密封失效造成氫氣泄漏而釀成事故。

2.2.3 檢驗(yàn)檢測(cè)風(fēng)險(xiǎn)

氫能承壓設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)主要反映在以下幾個(gè)方面：檢驗(yàn)方法的適用性風(fēng)險(xiǎn)、有效檢測(cè)評(píng)價(jià)方法的缺失和檢驗(yàn)檢測(cè)能力的不足等風(fēng)險(xiǎn)。

(1)檢測(cè)方法的適用性風(fēng)險(xiǎn)。GB/T 24162—2009《汽車(chē)用壓縮天然氣金屬內(nèi)膽纖維環(huán)纏繞氣瓶定期檢驗(yàn)與評(píng)定》、TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》等現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，車(chē)用氣瓶定期檢驗(yàn)時(shí)需要進(jìn)行氣瓶拆卸后的瓶體內(nèi)外部檢測(cè)和水壓試驗(yàn)，儲(chǔ)氫固定式壓力容器定期檢驗(yàn)有時(shí)也需要進(jìn)行水壓試驗(yàn)。由于儲(chǔ)氫壓力容器和高壓氫氣瓶介質(zhì)的特殊性，盛裝的氫氣必須滿(mǎn)足氫燃料電池對(duì)氫氣品質(zhì)的要求，純度和密封要求較高，拆裝高壓氫氣瓶有可能破壞其密封性能，有安全隱患。有的氫燃料電池轎車(chē)，高壓氫氣瓶裝在汽車(chē)底盤(pán)上，裝拆非常困難。為滿(mǎn)足氫氣純度要求，儲(chǔ)氫壓力容器和氫氣瓶?jī)?nèi)表面出廠時(shí)已經(jīng)經(jīng)過(guò)潔凈化的特殊處理，定期檢驗(yàn)時(shí)的水壓試驗(yàn)會(huì)造成其內(nèi)表面污染或者銹蝕，而需要重新進(jìn)行內(nèi)表面潔凈化處理，因此，需要在修訂相應(yīng)安全技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，研究和解決其規(guī)定的定期檢驗(yàn)項(xiàng)目和要求帶來(lái)的新問(wèn)題，以避免上述安全隱患和不必要的后續(xù)處理等情況。

(2)有效檢測(cè)評(píng)價(jià)方法缺失風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于一些特殊結(jié)構(gòu)氫能承壓設(shè)備的失效模式和機(jī)制，目前還沒(méi)有完全掌握，缺少有效的檢測(cè)方法和安全評(píng)價(jià)規(guī)則。例如，對(duì)復(fù)合材料高壓氫氣瓶檢測(cè)局限于外觀檢查和泄漏檢測(cè)，沒(méi)有有效的方法檢測(cè)瓶體內(nèi)部存在的缺陷；氣瓶瓶閥座與內(nèi)膽連接接頭是Ⅳ型高壓氫氣瓶的最薄弱環(huán)節(jié)，但缺少有效的無(wú)損檢測(cè)方法和評(píng)價(jià)規(guī)則，所以應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)的研究。

(3)檢驗(yàn)檢測(cè)能力不足的風(fēng)險(xiǎn)。氫能承壓設(shè)備檢測(cè)裝置研制難度大、成本高。目前，我國(guó)這方面的檢驗(yàn)檢測(cè)能力無(wú)法滿(mǎn)足氫能行業(yè)快速發(fā)展的需要。例如，材料與氫相容性試驗(yàn)裝置數(shù)量不足，缺少氣瓶滲透試驗(yàn)裝置，沒(méi)有民用液氫工況的試驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)和使用條件，更沒(méi)有深冷高壓氫的專(zhuān)用試驗(yàn)條件等，所以應(yīng)當(dāng)加大有關(guān)檢驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備的研發(fā)投入，以滿(mǎn)足行業(yè)快速發(fā)展的需要，降低和避免由于檢驗(yàn)檢測(cè)缺失而帶來(lái)的氫能承壓設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)。另外，相關(guān)的適用于氫介質(zhì)的安全附件、儀表和裝卸附件(如安全閥、緊急切斷閥、爆破片裝置、壓力表、溫度計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器、裝卸閥門(mén)、管路閥門(mén)等)的檢測(cè)裝置也應(yīng)加大研發(fā)投入和力度。

2.2.4 技術(shù)引進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)

氫能承壓設(shè)備技術(shù)含量高，研發(fā)難度大、周期長(zhǎng)，技術(shù)引進(jìn)也存在風(fēng)險(xiǎn)。以高壓氫氣瓶為例，近年來(lái)國(guó)內(nèi)有不少單位開(kāi)始研制或者投資Ⅳ型氫氣瓶，有的高薪聘請(qǐng)國(guó)外專(zhuān)家，有的花巨資購(gòu)買(mǎi)國(guó)外企業(yè)。目前，國(guó)外Ⅳ型氫氣瓶設(shè)計(jì)制造技術(shù)比較成熟的只有日本Toyota、美國(guó)/挪威Hexagon Composite、韓國(guó)ILJIN Composite等少數(shù)公司。Ⅳ型氫氣瓶產(chǎn)品研制需要具有復(fù)合材料、機(jī)械、力學(xué)、無(wú)損檢測(cè)、控制等多學(xué)科知識(shí)的團(tuán)隊(duì)支撐。為使進(jìn)口或國(guó)內(nèi)研發(fā)的Ⅳ型氫氣瓶產(chǎn)品達(dá)到國(guó)際規(guī)范或者標(biāo)準(zhǔn)的要求，中國(guó)正在加快制定Ⅳ型氫氣瓶產(chǎn)品及其配套的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 管理風(fēng)險(xiǎn)

(1)氣瓶直接用于加氫站儲(chǔ)氫風(fēng)險(xiǎn)。將按照氣瓶標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造的鋼質(zhì)氣瓶直接用作加氫站儲(chǔ)氫壓力容器，存在疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)。氣瓶設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)一般不超過(guò)15 000次(試驗(yàn)介質(zhì)為液體)，在2017年頒布的ISO 11114-4《氣瓶瓶體和閥門(mén)材料與盛裝氣體的相容性 第4部分：抗氫脆鋼選用的試驗(yàn)方法》中取消了氣瓶公稱(chēng)工作壓力上限30 MPa的限制，規(guī)定經(jīng)淬火+回火處理的Cr-Mo鋼，只要熱處理后實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度不超過(guò)950 MPa，就可用于制造移動(dòng)式氣瓶，而不需要進(jìn)行氫脆試驗(yàn)。但若據(jù)此認(rèn)為，滿(mǎn)足該要求的Cr-Mo鋼可以直接用于制造加氫站儲(chǔ)氫壓力容器，則會(huì)引起較大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。加氫站儲(chǔ)氫壓力容器的壓力波動(dòng)次數(shù)取決于加氫站規(guī)模、加注工藝、設(shè)計(jì)使用年限等因素。對(duì)于商用加氫站，設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)，氫氣加注頻繁，儲(chǔ)氫壓力容器壓力波動(dòng)次數(shù)有可能超過(guò)10萬(wàn)次，而大量試驗(yàn)研究表明，對(duì)于上述Cr-Mo鋼，高壓氫氣會(huì)顯著加速疲勞裂紋擴(kuò)展速率，明顯降低氫致開(kāi)裂應(yīng)力強(qiáng)度因子門(mén)檻值[9-10]，一般氣瓶設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮這種疲勞工況的影響。ISO 19880-1《Gaseous Hydrogen Fuelling Station,General Requirements》中明確規(guī)定：氣瓶、長(zhǎng)管拖車(chē)用于加氫站儲(chǔ)氫時(shí)，應(yīng)充分考慮氣瓶和容器的差異，特別是壓力波動(dòng)的影響。

(2)氫能承壓設(shè)備進(jìn)口風(fēng)險(xiǎn)。有的用戶(hù)從國(guó)外購(gòu)買(mǎi)儲(chǔ)氫壓力容器和氫氣瓶，由于我國(guó)缺少氫能承壓設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范，加上有些用戶(hù)不知道或者提不出合理的訂貨要求，致使不滿(mǎn)足安全使用要求的產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。例如，有的從美國(guó)進(jìn)口的鋼制儲(chǔ)氫壓力容器產(chǎn)品，建造時(shí)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是ASME BPVC Ⅷ-1《Rules for Construction of Pressure Vessels》，沒(méi)有考慮疲勞壽命，在用作加氫站儲(chǔ)氫壓力容器時(shí)，具有疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)。還需要指出的是，國(guó)外儲(chǔ)氫壓力容器用鋼的抗拉強(qiáng)度上限是950 MPa，不滿(mǎn)足TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》對(duì)材料的規(guī)定。

(3)氫能承壓設(shè)備“三新”評(píng)審風(fēng)險(xiǎn)。在新材料、新技術(shù)、新工藝評(píng)審時(shí)，申請(qǐng)單位提供的評(píng)審資料往往未經(jīng)第三方審查，對(duì)其合理性也缺少充足的數(shù)據(jù)支撐，加上氫能承壓設(shè)備發(fā)展快，要評(píng)審專(zhuān)家在短時(shí)間內(nèi)給出評(píng)審結(jié)果，不但難度大，而且存在風(fēng)險(xiǎn)。

3 氫能承壓設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)防控的幾點(diǎn)思考

3.1 加強(qiáng)氫能承壓設(shè)備戰(zhàn)略研究

建議成立由國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局主管領(lǐng)導(dǎo)和壓力容器、壓力管道、氣瓶、安全附件等行業(yè)內(nèi)相關(guān)專(zhuān)家組成的氫能承壓設(shè)備專(zhuān)項(xiàng)工作組，科學(xué)研判氫能承壓設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合氫能發(fā)展規(guī)劃，制訂中國(guó)氫能承壓設(shè)備高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)路線，明確重點(diǎn)任務(wù)，支撐氫燃料電池汽車(chē)、氫儲(chǔ)能、氫能軌道交通、氫能船舶等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)高起點(diǎn)開(kāi)局、高質(zhì)量實(shí)施和可持續(xù)發(fā)展。

3.2 完善氫能承壓設(shè)備法規(guī)、安全技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系

推動(dòng)將有關(guān)氫能承壓設(shè)備基本安全要求納入相關(guān)法規(guī)、安全技術(shù)規(guī)范或者盡快制定專(zhuān)項(xiàng)的《氫能承壓設(shè)備安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》；探索推動(dòng)氫燃料電池汽車(chē)4S店及使用氫燃料電池汽車(chē)的公交站場(chǎng)、物流公司、重卡車(chē)隊(duì)等，實(shí)施氫瓶日常維護(hù)保養(yǎng)檢查，通過(guò)提高設(shè)計(jì)制造要求豁免特定車(chē)載氫氣瓶定期檢驗(yàn)，大力推廣和鼓勵(lì)物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)控終端系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)車(chē)載氫氣瓶實(shí)時(shí)安全狀態(tài)監(jiān)控及數(shù)據(jù)傳輸和安全報(bào)警提示，加強(qiáng)日常氫安全管理；加快健全中國(guó)氫能承壓設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)體系(見(jiàn)圖3，圖中虛線框內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)頒布、點(diǎn)劃線框內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)正在起草)，進(jìn)一步完善氫能承壓設(shè)備材料、產(chǎn)品、定期檢驗(yàn)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；加快建立第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)；建立健全新技術(shù)、新方法、新材料準(zhǔn)入機(jī)制，使風(fēng)險(xiǎn)可防可控；推動(dòng)氫能承壓設(shè)備質(zhì)量安全追溯體系建設(shè)、企業(yè)質(zhì)量安全評(píng)價(jià)體系、責(zé)任延伸制度；探索建立基于大數(shù)據(jù)的氫能承壓設(shè)備安全監(jiān)管平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)氫能承壓設(shè)備安全動(dòng)態(tài)全過(guò)程監(jiān)管；加強(qiáng)氫能承壓設(shè)備科普宣傳，構(gòu)建良好的產(chǎn)業(yè)發(fā)展氛圍，吸引更多社會(huì)資源，構(gòu)筑有效的安全防線。

圖3 氫能承壓設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)體系

3.3 組織氫能承壓設(shè)備核心技術(shù)攻關(guān)

依托行業(yè)骨干企業(yè)、科研院所、高等院校、檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)，共同開(kāi)展高性能輕量化設(shè)計(jì)、復(fù)合材料氫氣瓶(儲(chǔ)氫容器)、服役性能快速檢測(cè)評(píng)價(jià)、定期檢驗(yàn)新技術(shù)等氫能承壓設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，建立知識(shí)產(chǎn)權(quán)共享機(jī)制；深度開(kāi)展國(guó)際合作與交流，參加國(guó)際循環(huán)測(cè)試和國(guó)際規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)制定，形成國(guó)際化的協(xié)作機(jī)制。