解相華

摘要：近年來伴隨著世界能源革命技術(shù)的快速發(fā)展，同時(shí)環(huán)境保護(hù)全球戰(zhàn)略地位的進(jìn)一步提升，氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)入了快車道，在清潔能源方面占據(jù)著重要地位。我國在能源生產(chǎn)消費(fèi)、節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域愈來愈發(fā)揮著舉足輕重的示范引領(lǐng)作用，也相繼研究出臺(tái)了一系列的產(chǎn)業(yè)引導(dǎo)政策，在資金和技術(shù)方面都提供了良好的發(fā)展支撐，鼓勵(lì)加速發(fā)展綠氫制取、儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用等氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)裝備，促進(jìn)氫能燃料電池技術(shù)鏈、氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。通過分析該類型的容器的技術(shù)路徑，掌握其發(fā)展動(dòng)向。

關(guān)鍵詞： 加氫站;儲(chǔ)氫容器;設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

引言：儲(chǔ)氫容器作為加氫站的核心裝置，一直以來也是制約技術(shù)發(fā)展的瓶頸，從管理角度也是涉及到造價(jià)、安全和強(qiáng)制檢驗(yàn)管理等各種問題，目前國內(nèi)的加氫站的儲(chǔ)氫容器研究水平相對(duì)落后于國際發(fā)達(dá)國家，隨著氫能各領(lǐng)域的發(fā)展，其發(fā)展的技術(shù)路線也是多元化的，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷完善。

1各種技術(shù)路線的儲(chǔ)氫容器的優(yōu)劣勢比較

氫氣是一種無色、無味、無嗅、易燃易爆、無毒的氣體。它是地球上已知最輕的一種氣體，其密度為0.083 kg/m3 （1atm，21.1℃），相對(duì)密度僅為0.07。氫在空氣中燃燒時(shí)發(fā)出幾乎看不見的淡藍(lán)色。它和氯、氧、一氧化碳或空氣的混合物均有爆炸的危險(xiǎn)。氫氣與空氣混合物的爆炸限為4%～75%，與氧氣混合物的爆炸限為4%～95%。

1.1無縫氣瓶或容器（無縫容器）

該類型容器的主要優(yōu)點(diǎn)為：無縫鋼管端部旋壓成形，結(jié)構(gòu)簡單、形狀連續(xù)整個(gè)容器沒有明顯的應(yīng)力集中，耐疲勞性能好。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，批量生產(chǎn)，產(chǎn)品生產(chǎn)效率高、性能穩(wěn)定，成本較低。國外已有大批量氫氣站使用案例，運(yùn)行時(shí)間久，可以堆碼式安裝，匹配靈活，性價(jià)比最高，為加氫站主流儲(chǔ)氫容器。

該類型容器的主要缺點(diǎn)為：單支容器容積小，組裝成儲(chǔ)氣瓶組后容器數(shù)量多，管路復(fù)雜，相對(duì)的泄漏點(diǎn)多，儲(chǔ)氣瓶組多用于臥式結(jié)構(gòu)，占地面積較大，Ⅱ型和Ⅲ型碳纖維纏繞無縫容器，碳纖維成本較高。

1.2鋼帶錯(cuò)繞式容器，包扎式容器（焊接容器）

該類型容器的主要優(yōu)點(diǎn)為：單容器容積大，可以做到單容器5m3甚至更大，規(guī)格多，管路連接件少，泄露點(diǎn)少，內(nèi)筒采用奧氏體不銹鋼，耐氫脆性能好，設(shè)計(jì)中無需考慮氫脆對(duì)疲勞壽命的影響，研發(fā)設(shè)計(jì)成本較低，并且其立式結(jié)構(gòu)節(jié)約占地空間。

該類型容器的主要缺點(diǎn)為：單支容器爆炸當(dāng)量大，容器為焊接結(jié)構(gòu)，工藝性復(fù)雜，單臺(tái)制造，質(zhì)量不穩(wěn)定，制造成本高。

2儲(chǔ)氫瓶式容器和瓶組的使用注意事項(xiàng)

2.1瓶式容器的運(yùn)行

氫氣應(yīng)符合GB/T3634.1《工業(yè)氫》或GB/T3634.2《純氫、高純氫和超純氫》的要求。用于燃料電池電動(dòng)汽車的氫氣，應(yīng)符合GB/T34872《質(zhì)子交換膜燃料電池供氫系統(tǒng)技術(shù)要求》或SAE J2719《燃料電池驅(qū)動(dòng)車輛氫燃料質(zhì)量》的規(guī)定。瓶式容器有以下情況不得使用：

超過定檢周期未經(jīng)檢驗(yàn)合格的;

介質(zhì)不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的;

容器內(nèi)無余壓的;

外部有損傷的及其它影響安全的缺陷的;

對(duì)其安全性有懷疑的。

2.2瓶式容器的定期檢驗(yàn)

瓶式容器的定期檢驗(yàn)應(yīng)嚴(yán)格遵守TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中第8章：定期檢驗(yàn)的規(guī)定，容器定期檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)按照TSG Z7001-2004《特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)核準(zhǔn)規(guī)則》規(guī)定，取得容器定期檢驗(yàn)核準(zhǔn)證。定期檢驗(yàn)應(yīng)核查瓶式容器運(yùn)行以來的有效壓力循環(huán)范圍和循環(huán)次數(shù)，并檢測有無裂紋狀缺陷以及裂紋擴(kuò)展情況，評(píng)估后續(xù)允許的循環(huán)次數(shù)。如果經(jīng)檢測確定不存在裂紋狀缺陷，可將檢測前的循環(huán)次數(shù)清零。鋼質(zhì)儲(chǔ)氫容器必須專用，不得改裝使用。瓶式容器發(fā)生事故時(shí)，發(fā)生事故單位必須按照鍋爐壓力容器壓力管道及特種設(shè)備事故處理規(guī)定及時(shí)報(bào)告和處理。

2.3儲(chǔ)氣瓶組的使用注意事項(xiàng)

儲(chǔ)氫瓶組吊裝時(shí)，應(yīng)采用兩個(gè)噸位相同的吊車平行起吊支架上的吊裝孔，防止發(fā)生扭曲、影響管路的密封。嚴(yán)禁吊裝容器及管路。儲(chǔ)氫瓶組安裝的地基基礎(chǔ)按不低于整體設(shè)備和介質(zhì)最大充裝質(zhì)量之和，按照建筑施工規(guī)范布置設(shè)備基礎(chǔ)，地基基礎(chǔ)高度建議高于地平高度，根據(jù)設(shè)備具體情況預(yù)留地腳螺栓澆注孔。所有的儲(chǔ)氣瓶組瓶式容器的螺塞處的密封均采用了O型圈密封，建議6年內(nèi)更換一次，防止O型圈老化影響密封。儲(chǔ)氣瓶組安全閥前可安裝截止閥，在安全閥進(jìn)口處設(shè)置，容器在正常運(yùn)行期間必須保證安全閥前的截止閥處于全開狀態(tài)（加鉛封或者鎖定）。使用單位主管壓力容器安全的技術(shù)負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)制定可靠的防范措施，保證異常狀態(tài)安全閥處于工作狀態(tài)。

3儲(chǔ)氫容器的發(fā)展前景簡析

從市場前景看，伴隨著綜合能源站的概念提出和規(guī)劃，目前在市場的宣傳推廣上多已不再單獨(dú)宣傳氫氣加氣站，而是以綜合能源站（油、氣、電、氫）為概念對(duì)外宣傳。2020年國內(nèi)市場上主流的儲(chǔ)氫容器為無縫瓶式容器，其次為焊接容器，特別是工作壓力為45MPa的儲(chǔ)氫容器，后續(xù)將有更多的企業(yè)介入此類產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，目前國內(nèi)只要較少企業(yè)具備批量化生產(chǎn)此類容器的能力，在標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)完善后會(huì)有其它企業(yè)相繼進(jìn)入市場，批量化生產(chǎn)和競爭帶來的效果是瓶式儲(chǔ)氫容器的價(jià)位將會(huì)有一定程度的降低，用戶的選擇范圍也更大。

從設(shè)計(jì)方法看，按照ASME相關(guān)規(guī)定，工作壓力大于41Mpa的臨氫無縫容器和工作壓力大于17Mpa的焊接容器，其疲勞分析應(yīng)該用斷裂力學(xué)的方法。基于斷裂力學(xué)和氫環(huán)境下裂紋擴(kuò)展速率數(shù)據(jù)的疲勞分析相對(duì)以往基于光滑無缺陷小試樣疲勞曲線的疲勞分析，更加符合實(shí)際情況。隨著這種設(shè)計(jì)方法的普及和設(shè)計(jì)水平的提高，會(huì)有更多類型的儲(chǔ)氫容器采用這種設(shè)計(jì)方法。

從材料問題：瓶式容器材料需要進(jìn)行材料氫環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)和氫致開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子閾值試驗(yàn)，并需要采用斷裂力學(xué)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保預(yù)期的疲勞壽命。目前國內(nèi)具備該試驗(yàn)?zāi)芰Φ钠髽I(yè)或單位很少，未來伴隨著儲(chǔ)氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，相關(guān)材料試驗(yàn)機(jī)構(gòu)和新型材料的研發(fā)機(jī)構(gòu)會(huì)逐步增多，以適應(yīng)市場和技術(shù)需求。

4 結(jié)語

從國際上使用類型和中國未來氫能發(fā)展需求上來判斷，瓶式容器將成為中國加氫站的首選高壓儲(chǔ)氫設(shè)備。隨著加氫站建設(shè)的提速以及未來長周期使用的需求，高壓儲(chǔ)氫容器的安全性特別是保證使用過程中不發(fā)生泄漏問題將是未來高壓儲(chǔ)氫設(shè)備的重點(diǎn)研發(fā)方向。

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