段志祥 胡杭健 段會(huì)永 郝 剛 馮異勇

（1.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 l00029）

（2.成都鼎勝科技有限公司 成都 610000）

儲氫設(shè)備是加氫站的必要裝備，與氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展息息相關(guān)，也受到了業(yè)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者廣泛關(guān)注。鄭津洋等人[1-3]對加氫站儲氫設(shè)備特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，對國外儲氫設(shè)備的安全技術(shù)方面要求進(jìn)行了介紹，并對我國氫能承壓設(shè)備面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了剖析。

目前加氫站儲氫設(shè)備[4]主要有氣態(tài)儲氫的單層容器（瓶式容器、儲氣井）、多層容器（鋼帶錯(cuò)繞式容器、層板包扎式容器等），以及真空絕熱液氫壓力容器和固態(tài)儲氫容器。

本文在對相關(guān)文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析總結(jié)的基礎(chǔ)上，對加氫站儲氣設(shè)備的檢驗(yàn)檢測技術(shù)和法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)情況進(jìn)行闡述。鑒于目前加氫站使用瓶式容器和鋼帶錯(cuò)繞式多層容器相對較多，儲氫井近年來受到加氫站設(shè)計(jì)單位、安裝單位、使用單位和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，本文重點(diǎn)對瓶式容器、鋼帶錯(cuò)繞式容器和儲氫井的檢驗(yàn)檢測技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)分析，并提出存在的主要問題和建議。

1 加氫站儲氣設(shè)備檢驗(yàn)檢測技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 站用儲氫瓶組（瓶式容器）檢驗(yàn)

●1.1.1 檢驗(yàn)概況

參考天然氣儲氣瓶組的檢驗(yàn)方法[5]和TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[6]的檢驗(yàn)要求，中國特種設(shè)備檢測研究院（以下簡稱筆者單位）制定了《站用儲氫氣瓶定期檢驗(yàn)與評定》等企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[7-8]。檢驗(yàn)除了實(shí)施一般檢驗(yàn)項(xiàng)目外，還包括瓶口滲透檢測、瓶體聲發(fā)射檢測、管路水壓試驗(yàn)等項(xiàng)目。

目前筆者單位已開發(fā)加氫站移動(dòng)式專用加壓檢測車，并依據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)完成鄭州宇通、大連新源動(dòng)力、云浮國鴻、成都?xì)浣輨?dòng)力等加氫站儲氫瓶組的檢驗(yàn)。

●1.1.2 渦流/內(nèi)窺檢測技術(shù)

根據(jù)站用瓶式容器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，兩端收縮開口，且長徑比較大，開口直徑約70 mm，筒體直徑406～700 mm，采用內(nèi)壁陣列基于TMR的陣列渦流檢測技術(shù)，為此開發(fā)探頭機(jī)構(gòu)，對瓶式容器進(jìn)行檢測，如圖1所示。

圖1 瓶式容器渦流檢測探頭機(jī)構(gòu)

整體運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)式運(yùn)動(dòng)，周向旋轉(zhuǎn)1周，步進(jìn)1個(gè)探頭步長；內(nèi)壁檢測支撐選用可伸縮形式的3點(diǎn)固定，在檢測件進(jìn)入內(nèi)壁檢測前，支撐件處于收起狀態(tài)，進(jìn)入管壁內(nèi)測可以展開通過彈簧有展開作用力，固定彈簧另一頭，使得不會(huì)自動(dòng)收回。檢測設(shè)備選用支桿原理，通過彈簧收縮帶動(dòng)支桿，使檢測器一直緊貼容器內(nèi)壁。檢測器支架上安裝內(nèi)窺高清攝像頭，可檢查瓶壁內(nèi)表面狀況，檢測圖像見圖2。

圖2 瓶式容器內(nèi)窺檢測

●1.1.3 在線監(jiān)測技術(shù)

筆者單位在調(diào)研工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、特種設(shè)備安全狀態(tài)參量監(jiān)測診斷技術(shù)、氫能儲運(yùn)設(shè)備監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀及瓶式容器使用、管理、維護(hù)、檢驗(yàn)單位對監(jiān)測診斷預(yù)警技術(shù)的功能需求的基礎(chǔ)上，確定了瓶式容器的主要監(jiān)測參數(shù)和監(jiān)測方案，提出現(xiàn)場采集和遠(yuǎn)程診斷預(yù)警系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)建議。根據(jù)瓶式容器監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的主要功能需求和目前適用于加氣（氫）站瓶式容器的監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，提出監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的主要功能和框架結(jié)構(gòu)。搭建數(shù)據(jù)采集裝置，對瓶式容器的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括介質(zhì)壓力、溫度、氫氣泄漏、容器壁厚、應(yīng)變、聲信號，視頻信號等，并具備數(shù)據(jù)通信功能。裝置通過應(yīng)用控制采集器硬件對各傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，根據(jù)不同數(shù)據(jù)類型將數(shù)據(jù)封裝后通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上報(bào)至監(jiān)測診斷預(yù)警系統(tǒng)服務(wù)器端。傳感器需要考慮壽命、精度、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性以及網(wǎng)絡(luò)可靠性，還需要重點(diǎn)考慮傳感器的防爆性能。目前已在CNG瓶組和儲氫瓶組上開展示范應(yīng)用。

1.2 鋼帶錯(cuò)繞式儲氣容器檢驗(yàn)

●1.2.1 檢驗(yàn)概述

該類容器檢驗(yàn)可參照團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T／ZJASE 001—2019《固定式高壓儲氫用鋼帶錯(cuò)繞式容器定期檢驗(yàn)與評定》[9]進(jìn)行，除了常規(guī)檢驗(yàn)項(xiàng)目外，還進(jìn)行超聲相控陣檢測等項(xiàng)目。而進(jìn)行相控陣檢測，需要采用與被檢設(shè)備相同的材料制作各種可能缺陷的模擬試塊，實(shí)施周期較長，成本較高。

●1.2.2 相控陣檢測技術(shù)

基于該類容器的特點(diǎn)，需要將探頭放入封頭接管深孔中進(jìn)行相控陣檢測[10]，但常規(guī)相控陣探頭難以進(jìn)入接管內(nèi)，且存在小曲率凹面聲耦合、檢測聲程大、奧氏體不銹鋼焊縫晶粒粗大等困難，常規(guī)相控陣技術(shù)對焊縫及其熱影響區(qū)缺陷或損傷檢測較為困難。

繆存堅(jiān)等人[10-13]提出了內(nèi)置式曲面耦合超聲相控陣檢測方法，其檢測原理示意如圖3所示。上述研究認(rèn)為，在解決封頭上雙層結(jié)構(gòu)與單層接管結(jié)構(gòu)連接處的厚壁對接焊縫埋藏缺陷檢測難題的基礎(chǔ)上，再結(jié)合宏觀檢驗(yàn)、壁厚測定等常規(guī)定期檢驗(yàn)項(xiàng)目，可有效發(fā)現(xiàn)容器在使用過程中產(chǎn)生的缺陷。

圖3 內(nèi)置式曲面耦合超聲相控陣檢測示意圖

1.3 儲氣（氫）井檢驗(yàn)

●1.3.1 檢驗(yàn)概述

當(dāng)前儲存天然氣等介質(zhì)儲氣井定期檢驗(yàn)以宏觀檢驗(yàn)、井筒腐蝕檢測、水壓試驗(yàn)等項(xiàng)目為主。主要依據(jù)NB／T 10621—2021《儲氣井定期檢驗(yàn)》[14]進(jìn)行。檢驗(yàn)過程中需要對介質(zhì)進(jìn)行置換，一般采用注水的方式。

儲氫井的外部損傷模式與天然氣儲氣井相近。但由介質(zhì)引起的失效模式與天然氣儲氣井存在區(qū)別，且氫氣的品質(zhì)要求高，檢驗(yàn)相關(guān)的輔助工作更加嚴(yán)格。目前的檢測和評價(jià)方法尚需要通過試驗(yàn)改進(jìn)和工程驗(yàn)證，在儲氫井損傷和失效模式、檢驗(yàn)檢測與評價(jià)等技術(shù)等方面還需要開展進(jìn)一步的科研攻關(guān)。

盡管如此，從外部損傷角度分析，儲氫井和CNG儲氣井基本是相同的。CNG儲氣井[15]的檢驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)狀，一定程度上也反映了儲氫井的檢驗(yàn)檢測技術(shù)現(xiàn)狀。

●1.3.2 儲氣井防腐及固井檢測技術(shù)

石坤等人[16]研究了適用于儲氣井的固井質(zhì)量檢測和評價(jià)方法；開發(fā)了短源距水泥膠結(jié)固井質(zhì)量檢測儀器設(shè)備系統(tǒng)（見圖4）。建立包含固井水泥環(huán)的儲氣井結(jié)構(gòu)有限元模型，開展數(shù)值仿真分析，研究了水泥環(huán)對儲氣井金屬本體的強(qiáng)度影響，并確定了有效固井水泥環(huán)長度要求。

圖4 儲氣井水泥防護(hù)層膠結(jié)質(zhì)量檢測設(shè)備（現(xiàn)場及示意）

針對儲氣井外部腐蝕問題，開發(fā)了陰極保護(hù)防腐技術(shù)及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（見圖5），能有效提高儲氣井抗腐蝕能力。為加強(qiáng)儲氣井的固定效果，降低失效風(fēng)險(xiǎn)，減小事故后果，設(shè)計(jì)開發(fā)了儲氣井鋼筋混凝土加固處理技術(shù)（見圖6），并研究提出了相應(yīng)加固評價(jià)方法。

圖5 儲氣井陰極保護(hù)裝置及其遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

圖6 加固處理現(xiàn)場照片

●1.3.3 儲氣井定期檢驗(yàn)技術(shù)

儲氣井位于地下，采用傳統(tǒng)的壓力容器檢驗(yàn)方法開展檢測與測試極為困難。筆者單位在充分研究分析油氣井檢測平臺的基礎(chǔ)上，對適于儲氣井檢測的技術(shù)開展理論研究，在已有無損檢測技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，充分應(yīng)用高新技術(shù)，研究適用于儲氣井井筒壁厚檢測的無損檢測技術(shù)和評價(jià)方法，開發(fā)了多通道陣列厚水層水浸超聲檢測儀器（見圖7），集成開發(fā)了井下電視檢測儀器。結(jié)合壓力容器檢驗(yàn)規(guī)范，建立了儲氣井檢驗(yàn)技術(shù)體系，形成了適用于儲氣井的安全檢測與評價(jià)系列方法。

圖7 井筒壁厚腐蝕自動(dòng)超聲檢測系統(tǒng)及檢測示意

東北石油大學(xué)等單位[17]開展了儲氣井漏磁檢測的理論分析、有限元模擬，研制了相應(yīng)檢測設(shè)備系統(tǒng)。該方法可以不需要耦合介質(zhì)，對于介質(zhì)純凈度要求更高的儲氫井的檢測來說比較有利，但它對檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷尺寸大小難以定量確定，目前評價(jià)較為困難。該項(xiàng)技術(shù)目前以科研或試用為主，工程應(yīng)用較少。

●1.3.4 儲氣井綜合試驗(yàn)及智能監(jiān)測技術(shù)

筆者單位[18，19]建造了儲氣井試驗(yàn)驗(yàn)證基地和裝備，在試驗(yàn)井中進(jìn)行儲氣井固井檢測、自動(dòng)超聲測厚等檢驗(yàn)方法的驗(yàn)證試驗(yàn)，并且實(shí)施了應(yīng)力測試（見圖8）、抗拔力測試（見圖9）等試驗(yàn)。獲得了全尺寸真實(shí)儲氣井的應(yīng)力狀況、疲勞性能、抗拔能力，以及儲氣井的安全狀態(tài)參數(shù)。

圖8 儲氣井地下井筒應(yīng)力測試

圖9 儲氣井抗拔力測試

研制了儲氣井移動(dòng)式檢測試驗(yàn)平臺（檢測工程車），見圖10?？捎糜谛轮圃靸饩喙叹|(zhì)量檢測及在用儲氣井定期檢驗(yàn)，配置有固井檢測儀、自動(dòng)超聲腐蝕檢測儀、井下電視、陰極保護(hù)以及常規(guī)無損檢測儀器設(shè)備。該移動(dòng)檢測試驗(yàn)平臺設(shè)置有儀器存放單元、鋼纜動(dòng)力單元、檢測操作單元和駕駛單元。

圖10 儲氣井移動(dòng)式檢測平臺

筆者單位聯(lián)合儲氣井制造企業(yè)開發(fā)了儲氣井智能監(jiān)測管理平臺（見圖11），可實(shí)時(shí)進(jìn)行儲氣井井筒垂直位移監(jiān)測（上冒下沉監(jiān)測）及預(yù)警、壓力循環(huán)監(jiān)測、井口泄漏監(jiān)測與預(yù)警、井下泄漏監(jiān)測報(bào)警、泄漏修復(fù)處置以及井區(qū)視屏監(jiān)測與報(bào)警等，可實(shí)現(xiàn)多層次多維度網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)控與管理功能，提升儲氣井安全水平。

圖11 儲氣井智能安全管理數(shù)據(jù)中心大屏展示

2 檢驗(yàn)檢測與使用的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

我國在加氫站儲氫設(shè)備檢驗(yàn)與使用方面的主要標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 加氫站儲氣設(shè)備檢驗(yàn)與使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

在氣態(tài)儲氫容器的檢驗(yàn)和使用方面，已有部分標(biāo)準(zhǔn)，提出了部分要求，但目前還缺乏瓶式壓力容器和纖維纏繞類儲氫容器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，尚未出臺固定式高壓儲氫容器定期檢驗(yàn)的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在加氫站儲氫容器的使用管理方面，GB／T 34583—2017《加氫站用儲氫裝置安全技術(shù)要求》做出了相關(guān)規(guī)定。加氫站承壓設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評估及在線監(jiān)測技術(shù)方面的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已立項(xiàng)，正在起草中。在加氫站儲氫井方面，雖有儲氣井的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，但檢驗(yàn)技術(shù)和輔助工作還需進(jìn)一步研究完善及工程化驗(yàn)證。儲氫井使用和檢修（包括介質(zhì)置換、清潔等方面）、儲氣井（儲氫井）漏磁無損檢測技術(shù)等尚需研制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。我國在真空絕熱液氫壓力容器的性能測試標(biāo)準(zhǔn)方面仍是空白。

3 問題與建議

1）檢驗(yàn)檢測技術(shù)方面。在加氫站儲氫設(shè)備檢驗(yàn)檢測方面，各科研和檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)開展了大量研究工作。筆者單位采用聲發(fā)射、超聲導(dǎo)波等無損檢測技術(shù)開展了瓶式容器定期檢驗(yàn)，并制訂了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但還需要進(jìn)一步針對高壓儲氫容器的損傷模式，開發(fā)專用檢測方法和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。容器在高壓氫環(huán)境下長期運(yùn)行，金屬材料主要表現(xiàn)為韌性降低、疲勞裂紋擴(kuò)展速率加快等，因此定期檢驗(yàn)還需要考慮容器內(nèi)壁的微小缺陷，建立內(nèi)壁微小缺陷的檢驗(yàn)檢測能力和在線、不拆卸的檢驗(yàn)方法。鋼帶錯(cuò)繞容器高效的相控陣檢測技術(shù)，儲氫井定期檢驗(yàn)中的介質(zhì)置換、儀器脫脂等技術(shù)，是目前亟須解決的關(guān)鍵技術(shù)難題，建議相關(guān)機(jī)構(gòu)投入科研力量進(jìn)行攻關(guān)。

2）智能監(jiān)測方面。通過將儲氫設(shè)備檢驗(yàn)檢測技術(shù)與先進(jìn)傳感器[22]、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)融合，構(gòu)建加氫站儲氫設(shè)備智能化網(wǎng)絡(luò)，是加氫站儲氫設(shè)備安全保障技術(shù)未來發(fā)展的重要趨勢。儲氫設(shè)備監(jiān)測技術(shù)目前還處于研究和試點(diǎn)階段，應(yīng)加快儲氫設(shè)備智能監(jiān)測技術(shù)的推廣應(yīng)用，不斷積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步完善智能監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系。

3）法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)方面。我國在儲氫井、瓶式容器、真空絕熱液氫容器等儲氫設(shè)備的檢驗(yàn)、檢測、維修、測試方面的標(biāo)準(zhǔn)還比較缺失，或已有相近標(biāo)準(zhǔn)但適用性不強(qiáng)。我國在加氫站儲氫設(shè)備充裝使用、完整性管理等方面的國家／行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還很不健全，亟須通過集智攻關(guān)完善我國加氫站儲氫設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。