劉 姣 楊禮科 楊 軍

（1.成都市防雷中心，四川 成都 610041；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

前言：

氫能作為一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的新能源，可有效減輕廢氣排放所造成的空氣污染、縮減外國石油進口和減少溫室氣體排放，因此，大力發(fā)展氫能源汽車是我國轉(zhuǎn)變能源消費結(jié)構(gòu)、保障能源安全、使經(jīng)濟保持可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。加氫站有利于實現(xiàn)氫能利用，它是氫能燃料電池汽車、氫能燃料分布式發(fā)電等氫能利用技術(shù)推廣應(yīng)用的必備基礎(chǔ)設(shè)施。

加氫站氫氣儲罐是高壓氣態(tài)氫儲存的關(guān)鍵設(shè)備，高壓儲氫罐由于材料結(jié)構(gòu)上的缺陷和氫的理化性質(zhì)，很容易遭受雷擊或產(chǎn)生靜電而引發(fā)火災(zāi)。因此，做好儲氫罐的防雷防靜電措施，具有十分重要的意義。本文分析了儲氫裝置技術(shù)的發(fā)展和高壓氣態(tài)儲氫罐的結(jié)構(gòu)材質(zhì)，從高壓儲氫罐遭受雷擊或靜電引發(fā)火災(zāi)的原因入手，提出防雷防靜電的技術(shù)措施，以加強加氫站的高壓儲氫罐的安全管理。

1.儲氫技術(shù)的發(fā)展

1.1 氫的儲存技術(shù)

現(xiàn)有的氫氣儲存技術(shù)包括高壓氣態(tài)儲氫、液氫儲存、金屬氫化物儲氫、低溫吸附儲氫、納米碳管高壓吸附儲氫以及液體有機氫化物儲氫等 ；高壓儲氫可在常溫下使用，具有儲氫罐結(jié)構(gòu)簡單、壓縮氫氣制備的能耗較少、充裝速度快等優(yōu)點, 已成為現(xiàn)階段氫能儲運的主要方式。低溫液態(tài)儲氫是將氫氣冷卻至-253℃，液化儲存于低溫絕熱液氫罐中，儲氫密度較高，但液化過程能耗較高，儲存過程中存在蒸發(fā)損耗問題。國內(nèi)液氫已在航天工程中成功使用，民用還未開發(fā)。后面幾種儲氫方式現(xiàn)正在研發(fā)當中。

目前國內(nèi)外已建汽車加氫站，基本上采用氫氣儲氣瓶組或固定儲氫罐兩種方式，氫氣儲氫瓶組有集裝式長管儲氣瓶，其儲氫量較大可達數(shù)千至數(shù)萬立方米，也有采用小容積氫氣鋼瓶儲氣，但氫氣儲氣量較小，且占地面積較大。20MPa高壓儲氫瓶組，通過長管拖運車運到加氫站，作一級儲氫。目前，車用氫氣儲瓶壓力有35MPa和70MPa兩種，車用35MPa氫瓶最高儲罐壓力為45MPa，車用70MPa氫瓶最高儲罐壓力為90MPa。

1.2 高壓氣態(tài)儲氫容器的發(fā)展

固定式儲氫高壓容器包括單層鋼質(zhì)高壓容器、多層鋼質(zhì)高壓容器和復(fù)合材料高壓容器，多層鋼質(zhì)高壓儲存容器又分為層板包扎儲氫高壓容器和全多層儲氫高壓容器。復(fù)合材料高壓容器又分為鋼內(nèi)膽玻璃增強纖維儲氫容器、鋼內(nèi)膽碳纖維全纏繞容器、鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞容器和塑料內(nèi)膽全纏繞容器。

高壓儲氫罐，從單層到多層到復(fù)合層，可分四型：Ⅰ型瓶由金屬鋼組成；II型瓶采用金屬材質(zhì)為主，但是外層已經(jīng)纏繞玻璃纖維復(fù)合材料；III型、IV型瓶則主要是基于碳纖維增強塑料材料，前者內(nèi)膽多為鋁合金，后者內(nèi)膽為塑料，鋁合金和塑料內(nèi)襯為防止鋼材的氫脆發(fā)生，外部通過碳纖維增強塑料纏繞加工而成。從Ⅰ型到Ⅳ型，壁厚降低了75%。Ⅰ型、Ⅱ型重容比大，是目前加氫站主要采用固定儲氫方式；Ⅲ型、Ⅳ型因采用了纖維全纏繞結(jié)構(gòu)，具有抗疲勞性能好、重容比小、單位質(zhì)量儲氧密度高等優(yōu)點，但由于容積受限的原因，且成本太高，目前主要用于氧燃料電池汽車。

1.2.1 單層鋼質(zhì)容器

單層旋壓無縫儲氫高壓容器（大無縫瓶式儲氫高壓容器），設(shè)計壓力41MPa、50MPa，外直徑≤559mm，有效容積1000L，生產(chǎn)企業(yè)有安瑞科、藍能、南亮。

1.2.2 多層鋼質(zhì)儲氫高壓容器

全多層儲氫高壓容器：浙江大學(xué)研制，雙層半球形封頭+鋼帶錯繞筒體；設(shè)計壓力50MPa、70MPa、98MPa，容積2.0m3、5.0m3、7.3m3、10.0m3等。

層板包扎儲氫高壓容器：結(jié)構(gòu)：單層半球形封頭+多層包扎筒體，設(shè)計壓力為41MPa、50MPa、70MPa、98MPa；容積為0.053m3、 0.3 m3、0.9m3、1.0m3、2.0m3、 5.0m3、7.3m3。

1.2.3 復(fù)合材料高壓容器

金屬內(nèi)襯+玻璃增強纖維儲氫容器：是在單層鋼制油罐的基礎(chǔ)上外附一層玻璃纖維增強塑料防滲外套，構(gòu)成雙層罐。這種罐具有雙層罐的共同特點外，還由于其外層玻璃纖維增強塑料罐體抗土壤和化學(xué)腐蝕方面遠遠優(yōu)于鋼制油罐。

玻璃增強纖維材料，又叫玻璃鋼，原材料主要是樹脂，樹脂是熱固性塑料，使用溫度高，經(jīng)玻纖和石棉填充后，阻燃性大大增加，如果給它加熱，一般在200℃以上開始分解。具有蠕變性小，形狀穩(wěn)定，電絕緣性能好，絕緣電阻和介質(zhì)強度高等優(yōu)點。

在樹脂中添加抗靜電劑，以改善復(fù)合材料的表面性能，提高導(dǎo)電性。防止使用時產(chǎn)生靜電的危害。在制造標準中要求玻璃鋼罐工作面的表面電阻率不大于1×108歐姆，按照國標《防止靜電事故通用導(dǎo)則》“在任何條件下，體積電阻率大于1×106歐姆米，小于1×106歐姆米的物料及表面電阻率大于1×107歐姆米，小于1×1011歐姆米的固體表面”，該玻璃鋼罐工作面屬靜電亞導(dǎo)體。靜電亞導(dǎo)體的導(dǎo)靜電性能處于靜電導(dǎo)體和靜電非導(dǎo)體之間。在靜電發(fā)生率不大的情況下，只要對靜電亞導(dǎo)體可靠接地，就能避免靜電危害。但在靜電發(fā)生率很大的情況下，接近電阻率上限的靜電亞導(dǎo)體，也能積累較多的靜電，因此除接地外，還應(yīng)采取其他消除或防止靜電的措施。

2.儲氫罐爆炸風險分析

2.1 氫氣的理化性質(zhì)

氫氣在常溫常壓下為氣態(tài)，密度僅為0.0899千克/立方米，僅是空氣重量的1/14，是質(zhì)量最輕的氣體。作為易燃氣體，它屬于Ⅰ類危險品（非燃料），空氣中爆炸范圍為4.0--75.0，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇熱即發(fā)生爆炸；長期以來被作為?；饭芾?。氫氣其重量擴散系數(shù)是汽油12倍，氫氣無色無味，發(fā)生泄漏后不易被發(fā)現(xiàn)。氫氣在常溫常壓下不會對鋼產(chǎn)生明顯的腐蝕，但當溫度超過300℃和壓力高于30MPa時，會產(chǎn)生氫脆這種腐蝕缺陷，尤其是在高溫條件下。

2.2 儲氫罐發(fā)生燃燒爆炸風險

氫原子是已知元素中的最小原子，在高壓工作狀態(tài)下，氫原子易通過鋼材晶格間隙進入鋼材內(nèi)部，聚集在鋼材內(nèi)部的裂紋缺陷中，在裂紋缺陷中氫濃度增大則容易破壞鋼材的晶格結(jié)構(gòu)，使鋼材裂紋擴大，產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象，則鋼材強度降低而使容器損壞。目前加氫站單層儲氫罐所用的鋼材由于造價的原因，多為普通鋼材如螺紋鋼，易受到氫的腐蝕形成氫脆。多層儲罐雖采用了優(yōu)質(zhì)鋼材，但也主要是在直筒部分進行包裹，封頭部分仍采用普通鋼材，仍有可能產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象。

儲罐長期高于一定溫度下儲存氣體，或罐壁長期承受過高壓力，其屈服度和強度降低，引起塑性破壞，從而導(dǎo)致壓力容器從應(yīng)力集中地方開始出現(xiàn)微小裂紋，裂紋兩端在交變應(yīng)力作用下不斷擴展，最后導(dǎo)致壓力容器破壞。陽光直射時儲罐里的氫氣被加熱升溫，罐內(nèi)氣體壓力升高，氣體在頂部空間積聚，達到一定的壓力后可燃氣體會外泄排出。

直擊雷擊中儲罐，會產(chǎn)生強烈的熱效應(yīng)，其產(chǎn)生的電弧中心溫度高達上萬度，可以將儲罐的罐壁燒穿。站址附近發(fā)生雷擊時，會在罐體機械密封突出的金屬件之間引起火花放電，就形成了危險的點火源。儲罐里的氫氣因各種原因發(fā)生泄漏，遇火源氫氣很容易被點燃，引發(fā)火災(zāi)，另外大量的氫氣被釋放在空氣來不及擴散，當氫氣和空氣的混合物高于4vol%時，就會發(fā)生爆炸。

高壓氣態(tài)氫儲罐要做到安全運行，首先是優(yōu)化儲氫罐工藝設(shè)計、儲存方式，其次是清除雷擊或靜電火花風險。

3.儲氫罐防雷設(shè)計

儲氫罐為露天布置，主要考慮對儲罐防直擊雷和防靜電感應(yīng)。雷擊事故最嚴重的情況是雷電直接擊中儲罐，如果儲罐安裝有符合要求的防雷設(shè)施，能迅速將雷電流泄放到接地裝置，能夠承受雷電電流的沖擊而不被擊穿。

3.1 防雷等級劃分

按照《爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定，氫氣罐的周圍空間規(guī)定為1、2區(qū)爆炸危險場所，依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB50057-2010）3.0.3中有關(guān)第二類防雷建筑物規(guī)定，1區(qū)，且電火花不易引起爆炸或不致造成巨大破壞和人身傷亡者，2區(qū)爆炸危險場所的建筑物，有爆炸危險的露天封裝鋼質(zhì)氣罐，防雷等級為二類。

3.2 直擊雷防護

3.2.1 儲罐接閃性分析

金屬類儲氫罐壁壁厚遠大于4mm，按規(guī)范要求是可利用罐本體作為接閃器。由于氫氣特有的理化性質(zhì)，質(zhì)量輕、比其他氣體更易泄漏，罐體易發(fā)生氫脆，所以不能作為接閃器使用。玻璃增強纖維材料作為非金屬儲罐，雷擊的高溫及能量足以引起玻璃鋼熱固體塑料分解甚至氣，本體不能作為接閃器，因此需加設(shè)避雷針作為防直擊雷設(shè)施。

3.2.2 防直擊雷措施

避雷針能將雷電流引入大地，以保證儲罐的安全，避雷針分為獨立避雷針和附設(shè)避雷針。獨立避雷針是離開建筑物單獨裝設(shè)的；附設(shè)避雷針是裝設(shè)在建筑物上的。一套完整的避雷裝置包括接閃器、引下線和接地裝置。由于避雷針高度較高，并且具有良好的接地，隨著雷云的帶電，避雷針上因靜電感應(yīng)而聚集了與雷云相反的電荷，使其針上和附近的電場強度顯著增強，所以當雷云開始放電時，電場發(fā)生畸變，雷云放電途徑由原來可能向被保護建筑物發(fā)展的方向轉(zhuǎn)到避雷針本身，然后將雷電流按預(yù)定通路導(dǎo)入大地。

儲罐表面上安裝避雷短針。在采用獨立避雷針難以實現(xiàn)時，可在儲罐罐頂護欄處安裝3—4支避雷針。避雷針在護欄處的安裝位置應(yīng)均勻分布。避雷針的規(guī)格應(yīng)滿足下列要求：

3.2.2.1 針長＜1m時： 圓 鋼為φ12mm；鋼 管 為φ20mm。

3.2.2.2 針 長1-2m時：圓 鋼 為φ16mm；鋼 管 為φ25mm。

3.2.3 引下線設(shè)置

引下線不少于兩根，采用熱鍍鋅圓鋼或扁鋼，明敷設(shè)置，以最短路徑接地，圓鋼直徑不小于10mm，扁鋼截面不小于80mm2，距離儲罐壁距離大于0.1m。

3.3 防雷防靜電接地

儲罐在運行過程中，會在罐體設(shè)備壁上產(chǎn)生靜電現(xiàn)象，由于電荷量的積累，極易引起電火花，造成火災(zāi)，甚至爆炸。因此，需要有良好的接地，將積聚的電荷引入大地進行中和。在氣流輸送管道中央，加設(shè)兩端接地的金屬線或管道靜電消除器，以降低管內(nèi)靜電電位。接地裝置宜采用耐腐蝕性較好的金屬銅材料，從專用埋設(shè)的地線接地體引出的接地線，敷設(shè)到儲罐的靜電接地。對于單獨敷設(shè)的接地導(dǎo)線通常使用厚度要求應(yīng)≥25×4mm的鍍鋅扁鋼或用截面≥16mm2的銅芯軟線作為罐體的支線單獨引入。

玻璃纖維具有很好抗腐蝕能力，其儲罐不需要做防腐，不會發(fā)生因接地材料與犧牲陽極，和強制電流防腐法發(fā)生沖突。根據(jù)《防止靜電事故通用導(dǎo)則》要求，由于玻璃纖維屬于非金屬材料，因此在該類儲罐安裝過程中，用直徑不小于8mm的銅棒與罐底內(nèi)部工作面進行連接，其緊密接觸面積應(yīng)大于20cm2，并加設(shè)金屬箔保證可靠連接，該銅棒接地線在罐內(nèi)、外應(yīng)盡量的短，與罐外接地裝置經(jīng)斷接卡可靠連接，該接地線不得與防直擊雷地線共用。固定設(shè)備與接地線或連接線宜采用螺栓連接，連接端子可設(shè)置在設(shè)備的側(cè)面、設(shè)備聯(lián)合金屬支座的側(cè)面或端部位置。金屬管道部件及其他隔離絕緣部件（如法蘭、膠管接頭、噴嘴等），應(yīng)采用銅芯軟絞線跨接引出接地。

儲罐的防雷、防靜電接地應(yīng)納入站內(nèi)共用接地裝置,其接地電阻不宜大于4Ω。距儲罐周圍3m，作環(huán)形接地體，接地裝置采用水平接地體和垂直接地體的裝置，接地體的埋深為1m，水平接地體采用直徑20mm的圓鋼，接地體距離儲罐的距離為3m，接地干線采用40×4mm的扁鋼。靜電導(dǎo)體與大地間的總泄漏電阻值在通常情況下均不應(yīng)大于106Ω。每組專設(shè)的靜電接地體的接地電阻值一般不應(yīng)大于100Ω。

4.結(jié)論

加氫站屬公眾場所，來往車輛較多，人員較為密集，一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸，必將對人民群眾生命財產(chǎn)造成重大損失。高壓氫氣儲罐不但有可能發(fā)生因罐體強度不足( 特別是高強鋼脆化 )引起的物理爆炸,而且有可能發(fā)生雷擊和靜電火花引發(fā)的火災(zāi)、爆炸事故,且其風險程度隨罐體容積增大、壓力升高而加大。因此必須做好儲氫罐的防雷防靜電工作,排除高壓儲氫罐的爆炸風險隱患,確保加氫站的安全運行。