站用瓶式容器和大容積氣瓶的對(duì)比分析與探討

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

0 引言

我國(guó)在20世紀(jì)初就開始了天然氣作為汽車燃料的應(yīng)用，進(jìn)入21世紀(jì)以后，國(guó)家加快了氣體燃料的推廣，加氣站的數(shù)量也越來(lái)越多。但對(duì)加氣站內(nèi)儲(chǔ)氣設(shè)備而言，中國(guó)走過(guò)了一條不平凡的路，具有自己的特色。從小瓶組到小球罐，再到儲(chǔ)氣井和大容積鋼瓶，儲(chǔ)氣設(shè)備一直在改進(jìn)和變化。目前，在中國(guó)應(yīng)用最多的加氣站儲(chǔ)氣設(shè)備是儲(chǔ)氣井和大容積瓶組，其中儲(chǔ)氣井具有鮮明的中國(guó)特色。

從某種意義上說(shuō)，大容積站用儲(chǔ)氣瓶組是由長(zhǎng)管拖車上的瓶組演化而來(lái)，兩者在很多方面都大致相同。但由于采用的規(guī)范不同，現(xiàn)在加氣站儲(chǔ)氣瓶組基本分為兩類：一類是按壓力容器設(shè)計(jì)的瓶式容器；一類是按氣瓶設(shè)計(jì)的大容積氣瓶。

1 儲(chǔ)氣瓶組的特點(diǎn)

TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[1](以下簡(jiǎn)稱固容規(guī))中增加了“非焊接瓶式容器”(以下簡(jiǎn)稱瓶式容器)的相關(guān)規(guī)定，而且在A2.1中給出了明確的定義，即采用高強(qiáng)度無(wú)縫鋼管(公稱直徑大于500 mm)旋壓而成的壓力容器。此定義對(duì)瓶式容器的管材、制造方法和規(guī)格做出了限定。TSG R0006—2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[2](以下簡(jiǎn)稱瓶規(guī))中對(duì)大容積氣瓶也有明確的規(guī)定，一是在容積方面，要求大于150 L；二是在公稱工作壓力方面，要求不大于35 MPa；三是在材料性能方面也有所限定。但無(wú)論是按固容規(guī)設(shè)計(jì)的瓶式容器還是按瓶規(guī)設(shè)計(jì)的大容積氣瓶，都有一些共同的特點(diǎn)：使用相同的低合金高強(qiáng)鋼、旋壓制造、瓶口較小、容積不大、常溫使用、沒(méi)有覆蓋層以及一般臥式安裝在地面。正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)，為儲(chǔ)氣瓶組的安裝、檢驗(yàn)、維修、拆裝帶來(lái)了很大的便利；也為提升儲(chǔ)氣瓶組的監(jiān)管模式提供了有利條件。此外，目前這類容器一般造價(jià)較低。

2 加氣站儲(chǔ)氣設(shè)備的發(fā)展歷程

中國(guó)汽車加氣站已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷程，早期加氣站使用的儲(chǔ)氣設(shè)備主要是小型氣瓶。在20世紀(jì)90年代初，四川川西南礦區(qū)開發(fā)了地下儲(chǔ)氣設(shè)備，從此開啟了儲(chǔ)氣井在中國(guó)的大規(guī)模應(yīng)用。之后東方鍋爐廠制造了體積為3～4 m3的小型球罐，在四川南部地區(qū)的加氣站中得到一些應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著長(zhǎng)管拖車引進(jìn)中國(guó)，中國(guó)企業(yè)開始陸續(xù)制造長(zhǎng)管拖車用氣瓶，并在以后的發(fā)展中將一部分大容積氣瓶應(yīng)用到汽車加氣站中，收到了良好的效果。在汽車加氣站儲(chǔ)氣設(shè)備的后續(xù)發(fā)展中，由于小氣瓶組漏點(diǎn)多、小球罐造價(jià)高等主要弊端，這兩種儲(chǔ)氣設(shè)備基本退出了中國(guó)的汽車加氣站市場(chǎng)。

3 瓶式容器與大容積氣瓶的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)

目前，汽車加氣站用大容積儲(chǔ)氣瓶主要有?559 mm，?406 mm兩種規(guī)格，安全技術(shù)規(guī)范采用的是固容規(guī)或瓶規(guī)。在標(biāo)準(zhǔn)方面，我國(guó)至今還沒(méi)有出臺(tái)瓶式容器和站用大容積鋼瓶的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(本文不涉及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn))，但有與這兩種產(chǎn)品存在一定相關(guān)性的標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 5099.1—2017《鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶第1部分：淬火后回火處理的抗拉強(qiáng)度小于1100 MPa的鋼瓶》[3]、GB/T 19158—2003《站用壓縮天然氣鋼瓶》[4]和GB/T 33145—2016《大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶》[5]。其中，GB/T 5099.1—2017限定了公稱容積不大于150 L，不屬于大容積氣瓶范疇，因此本文不將其作為分析對(duì)象。雖然GB/T 19158—2003規(guī)定了只適用于天然氣，而且公稱容積不大于200 L，但其材質(zhì)、瓶體型式與在用站用瓶組沒(méi)什么區(qū)別,其產(chǎn)品特征與大容積氣瓶更相近，所以本文納入瓶規(guī)系列。此外，雖然GB/T 33145—2016規(guī)定只適用于移動(dòng)式鋼瓶，但其產(chǎn)品在很多方面與站用鋼瓶幾乎一樣。從實(shí)際情況看，無(wú)論是按固容規(guī)設(shè)計(jì)制造的瓶式容器，還是按瓶規(guī)設(shè)計(jì)制造的大容積氣瓶，都已在天然氣加氣站應(yīng)用多年，近年來(lái)又在向氫能源領(lǐng)域推廣應(yīng)用。為研究站用大容積儲(chǔ)氣瓶的科學(xué)性和合理性，本文將站用大容積儲(chǔ)氣瓶分為瓶式容器和大容積氣瓶，對(duì)不同規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析和探討。

3.1 對(duì)比分析

為了進(jìn)一步了解瓶式容器和大容積氣瓶的特點(diǎn)，以下在界定范圍、材料、設(shè)計(jì)三方面進(jìn)行對(duì)比分析，如表1～3所示。

表1 瓶式容器與大容積氣瓶的界定范圍對(duì)比

表2 瓶式容器與大容積氣瓶的材料對(duì)比

表3 瓶式容器與大容積氣瓶的設(shè)計(jì)對(duì)比

從表1可以看出，在容積、壓力、檢驗(yàn)周期方面，瓶式容器明顯適用范圍更廣，具有一些優(yōu)勢(shì)；對(duì)于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，GB/T 19158—2003只確定了一個(gè)壓力值25 MPa，而GB/T 33145—2016規(guī)定的壓力上限只有30 MPa；在介質(zhì)和溫度方面則各有千秋，但對(duì)于壓縮氣體這一類特定介質(zhì)來(lái)說(shuō)，二者差別不大。

從表2可以看出，在化學(xué)成分有害元素硫磷含量方面，二者差別不是十分明顯，而對(duì)于盛裝天然氣或氫氣的設(shè)備，瓶式容器比大容積氣瓶的要求略嚴(yán)；瓶式容器與大容積氣瓶對(duì)碳含量的要求比較接近；在抗拉強(qiáng)度、屈強(qiáng)比以及熱處理要求方面，二者一致；在韌性和塑性方面，瓶式容器的要求更為嚴(yán)格一些，增加了沖擊吸收能量和側(cè)膨脹值指標(biāo)。綜合來(lái)看，無(wú)論對(duì)于哪種規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，二者使用的都是Cr-Mo系中碳低合金鋼，并通過(guò)熱處理的方式獲得足夠強(qiáng)度。因此，二者在材料方面差別不大。

為了直觀分析表3中設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果的差異，結(jié)合實(shí)際瓶組的工況，作如下算例。介質(zhì)為天然氣，工作壓力Pw=20 MPa，設(shè)計(jì)壓力Pd=1.1Pw，氣瓶試驗(yàn)壓力Ph=5Pw/3,材料4130X,Rm=855 MPa，ReL=550 MPa，Do=559 mm。按表3中不同計(jì)算公式得出的計(jì)算厚度分別為：18.77 mm(GB 150.3—2011)，20.77 mm(GB/T 19158—2003)，16.47 mm(GB/T 33145—2016)。如果瓶式容器按分析設(shè)計(jì)，則計(jì)算厚度為16.74 mm。此外，瓶式容器一般要考慮腐蝕裕量，因此無(wú)論按規(guī)則設(shè)計(jì)還是分析設(shè)計(jì)，瓶式容器的壁厚都要大于按氣瓶設(shè)計(jì)的壁厚，這在實(shí)際應(yīng)用中也證明了這一點(diǎn)。

通過(guò)比較，可以看出瓶式容器和大容積氣瓶存在如下相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。

(1)瓶式容器和大容積氣瓶的設(shè)計(jì)壽命差別不大。

(2)瓶式容器和大容積氣瓶的計(jì)算壁厚差異較大。按氣瓶設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)壓力比較高，但計(jì)算厚度較小。GB 150.3與GB/T 19158的壁厚計(jì)算規(guī)則基本一致。瓶式容器的許用應(yīng)力較低，而大容積氣瓶的許用應(yīng)力較高，因此在計(jì)算厚度上有明顯不同，但是大容積氣瓶無(wú)法通過(guò)提高抗拉強(qiáng)度來(lái)降低計(jì)算厚度[9-10]。相比氣瓶來(lái)說(shuō)，瓶式容器的壁厚一般都要考慮腐蝕裕量，使得瓶式容器的實(shí)際壁厚值相比氣瓶更大。

(3)作為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的手段，氣瓶一般要求做設(shè)計(jì)文件鑒定和型式試驗(yàn)，因此更嚴(yán)格更復(fù)雜。

(4)在耐壓試驗(yàn)方面，氣瓶的壓力系數(shù)明顯高于瓶式容器，而且往往還要同時(shí)測(cè)量容積的殘余變形率。

3.2 存在的問(wèn)題與對(duì)策

3.2.1 存在的問(wèn)題

(1)由于規(guī)范和理念的不統(tǒng)一，有些地方將按氣瓶設(shè)計(jì)的儲(chǔ)氣瓶組按固定式壓力容器注冊(cè)登記，這種局面往往讓檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)無(wú)所適從。

(2)我國(guó)的壓力容器按安全技術(shù)管理規(guī)范分為4類：固定式壓力容器、移動(dòng)式壓力容器、氣瓶和氧艙，4個(gè)規(guī)范已經(jīng)對(duì)這四類設(shè)備在適用范圍方面做了明確的限定，但有的企業(yè)對(duì)于作為固定使用的大容積儲(chǔ)氣瓶(包括公稱直徑大于500 mm)仍然采用氣瓶設(shè)計(jì)，造成設(shè)備的功能和定位混亂。

(3)天然氣加氣站和氫氣加氣站都在蓬勃發(fā)展，但我國(guó)至今沒(méi)有出臺(tái)站用大容積儲(chǔ)氣瓶的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，也沒(méi)有明確Cr-Mo鋼儲(chǔ)存氫氣的適用范圍，已經(jīng)影響了產(chǎn)業(yè)的高效健康發(fā)展。

(4)使用工況一樣，材料基本相同，規(guī)格、制造方法包括瓶體型式也一樣，就是因?yàn)椴捎貌煌?guī)范而出現(xiàn)不同的設(shè)計(jì)壓力、壁厚、耐壓試驗(yàn)壓力和技術(shù)要求，然而卻都能滿足使用要求。但值得思考的是，執(zhí)行哪種規(guī)范既安全、可靠又經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。

(5)從第3.1節(jié)的對(duì)比分析也不難發(fā)現(xiàn)，采用固容規(guī)設(shè)計(jì)的大容積儲(chǔ)氣瓶范圍更寬，工作壓力沒(méi)有上限，但是公稱直徑必須大于500 mm的限定，使得氫氣站公稱直徑為406 mm的大容積儲(chǔ)氣瓶不能按固定式壓力容器的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

(6)相對(duì)瓶式容器而言，按氣瓶設(shè)計(jì)的大容積儲(chǔ)氣瓶壁厚薄，但卻存在要求水壓試驗(yàn)壓力更大的問(wèn)題；此外，還有是否需要進(jìn)行外側(cè)法水壓試驗(yàn)，并測(cè)量容積的殘余變形率的問(wèn)題。

(7)對(duì)于儲(chǔ)存甲烷、氫氣或天然氣這一類致脆性介質(zhì)，幾乎使用完全一樣的材料，但卻存在要求瓶式容器材料的純凈度更高的問(wèn)題。

3.2.2 采取的對(duì)策

針對(duì)以上問(wèn)題，為了使站用大容積儲(chǔ)氣瓶的設(shè)計(jì)、使用、檢驗(yàn)更加科學(xué)合理，綜合分析固定式壓力容器和氣瓶的有利因素，提出以下一些建議。

(1)對(duì)固容規(guī)和瓶規(guī)進(jìn)一步協(xié)調(diào)，應(yīng)明確作為固定使用的站用大容積儲(chǔ)氣瓶按照固容規(guī)設(shè)計(jì)制造，將此類設(shè)備轉(zhuǎn)化為瓶式容器，同時(shí)放寬公稱直徑的下限。

(2)為了提升對(duì)天然氣、氫氣、甲烷等有致脆性、應(yīng)力腐蝕傾向氣體的適用性和相容性，應(yīng)該嚴(yán)格控制S，P等有害元素含量，以進(jìn)一步提高純度；同時(shí)，需盡快研究確定Cr-Mo鋼用于儲(chǔ)存氫氣的壓力范圍。

(3)對(duì)于站用大容積儲(chǔ)氣瓶的設(shè)計(jì)應(yīng)重新制定規(guī)則，明確在什么情況下可以進(jìn)行規(guī)則設(shè)計(jì)或分析設(shè)計(jì)，并適當(dāng)減少腐蝕裕量；在什么情況下可以降低設(shè)計(jì)壓力，提高許用應(yīng)力，按巴赫公式計(jì)算，使產(chǎn)品進(jìn)一步輕量化[11]。

(4)水壓試驗(yàn)系數(shù)應(yīng)按固容規(guī)選取，并研究制定壓力和壓力循環(huán)次數(shù)閾值，只有超過(guò)限定時(shí)，才要求進(jìn)行容積的殘余變形率檢測(cè)。

(5)針對(duì)瓶式容器的特殊性，應(yīng)研究和提升瓶組的內(nèi)檢測(cè)能力和全瓶體檢測(cè)能力，并對(duì)于超標(biāo)缺陷開展合于使用評(píng)價(jià)。

3.3 檢驗(yàn)依據(jù)

為了滿足站用大容積儲(chǔ)氣瓶組定期檢驗(yàn)的迫切需要，中國(guó)特檢院編制了兩項(xiàng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并于2018年6月通過(guò)了全國(guó)氣瓶標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)的評(píng)審和備案。一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)是Q/CSEI 06—2018《站用儲(chǔ)氣瓶組定期檢驗(yàn)與評(píng)定》[12]，將檢驗(yàn)的設(shè)備范圍擴(kuò)大至4200 L(公稱水容積)；另一項(xiàng)是Q/CSEI 07—2018《站用儲(chǔ)氫氣瓶定期檢驗(yàn)與評(píng)定》[13]，將檢驗(yàn)的設(shè)備范圍擴(kuò)大至45 MPa(最高公稱工作壓力)。這兩項(xiàng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為開展天然氣和氫氣儲(chǔ)氣瓶組的檢驗(yàn)檢測(cè)提供了有效的依據(jù)。

4 對(duì)儲(chǔ)氣瓶組未來(lái)發(fā)展的探討

首先，目前廣泛使用的儲(chǔ)氣瓶組基本都是Ⅰ型全金屬單層單腔結(jié)構(gòu)，常溫使用，容積小于5 m3，沒(méi)有覆蓋層，并安裝在地面上。這些特征為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氣瓶組的物聯(lián)網(wǎng)智能檢驗(yàn)提供了非常便利的條件。其次，在逐步提升儲(chǔ)存能力的同時(shí)，可以進(jìn)一步研究輕量化，纖維纏繞大氣瓶的研發(fā)和應(yīng)用將越來(lái)越多。最后，為了進(jìn)一步節(jié)省空間，提高瓶組的安全性，可向地下發(fā)展、研發(fā)金屬-水泥復(fù)合結(jié)構(gòu)的站用瓶組也是有意義的創(chuàng)新。

4.1 物聯(lián)網(wǎng)智能檢驗(yàn)

為了提升加氣站的整體安全保障能力，應(yīng)該將單一風(fēng)險(xiǎn)向系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)和關(guān)聯(lián)風(fēng)險(xiǎn)過(guò)渡，將單一設(shè)備向一套裝置整合，將靜設(shè)備、動(dòng)設(shè)備和儀器儀表關(guān)聯(lián)起來(lái)，并研究產(chǎn)品的質(zhì)量分級(jí)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)加氣站完整性管理。首先，開展工藝的危險(xiǎn)與可操作性(HAZOP)分析，再對(duì)靜設(shè)備進(jìn)行基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)(RBI)評(píng)估，對(duì)壓縮機(jī)開展以可靠性為中心的維修(RCM)分析，對(duì)安全附件及儀表進(jìn)行安全完整性等級(jí)(SIL)評(píng)價(jià)；其次，基于以上分析和評(píng)價(jià)獲得設(shè)備、系統(tǒng)的損傷模式，安裝相應(yīng)的傳感器；然后，構(gòu)建小型物聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)大數(shù)據(jù)的獲取和分析，開展實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)安全評(píng)估和預(yù)警響應(yīng)；最終做到智能化檢驗(yàn)，實(shí)施“非等壽命”維護(hù)保養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的長(zhǎng)周期或無(wú)周期管理模式。

4.2 高參數(shù)輕量化

隨著我國(guó)環(huán)保要求的提高和清潔能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，氫氣將有望成為重要和主要的車用燃?xì)?。就我?guó)現(xiàn)有的和近幾年規(guī)劃建設(shè)加氫站來(lái)看，液氫技術(shù)應(yīng)用尚未成熟，都還是使用的氣態(tài)氫氣，并進(jìn)行高壓甚至超高壓儲(chǔ)存，這要求儲(chǔ)氣設(shè)備具有很高的承載能力。為了節(jié)省材料，提升容重比，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出近超高壓儲(chǔ)存的纖維纏繞儲(chǔ)氣瓶組，并在個(gè)別加氫站得到了示范應(yīng)用。隨著我國(guó)纖維纏繞容器技術(shù)的不斷提高，這類產(chǎn)品將是重要的發(fā)展方向。

4.3 向地下發(fā)展

我國(guó)加氣站眾多，但布局各有不同，有的加氣站為了節(jié)省空間和提升安全保障能力使用了地下壓力容器，如儲(chǔ)氣井。其實(shí)對(duì)于瓶組而言，也可以將其安置于地下，既可以采用水泥加固直埋的方式；也可以采用水泥環(huán)加固非直埋的方式；還可以采用非加固非直埋的方式。據(jù)了解，水泥環(huán)加固的結(jié)構(gòu)在美國(guó)已有應(yīng)用。無(wú)論哪種方式都可以起到節(jié)省空間、提升壓力、輕量化、降低失效后果、利于排污等一種、幾種或全部作用，因此將儲(chǔ)氣瓶組向地下空間發(fā)展不失為一個(gè)有利的選擇。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)到目前為止，針對(duì)汽車加氣站用壓縮氣體大容積儲(chǔ)氣瓶組，我國(guó)還一直沒(méi)有出臺(tái)相應(yīng)的國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這給產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用帶來(lái)了一些問(wèn)題。但無(wú)論是固定式壓力容器還是氣瓶，其實(shí)都屬于壓力容器的范疇，都有其本質(zhì)共性。尤其對(duì)于批量化生產(chǎn)的站用瓶組，當(dāng)材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、規(guī)格、型式、工況、使用環(huán)境等諸多因素都一致時(shí)，更應(yīng)采用統(tǒng)一的管理規(guī)定，以避免不必要的爭(zhēng)議和混亂。此外，應(yīng)對(duì)站用大容積儲(chǔ)氣瓶進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，摒棄非此即彼的理念，綜合固定式壓力容器和氣瓶的優(yōu)勢(shì)元素，使站用大容積儲(chǔ)氣瓶既安全可靠、又經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

(2)輕量化不僅僅是使用條件更加復(fù)雜和苛刻的移動(dòng)式鋼瓶的發(fā)展方向，固定式使用的站用大容積儲(chǔ)氣瓶同樣也可以實(shí)現(xiàn)輕量化。

(3)應(yīng)根據(jù)加氣站的空間、氣體性質(zhì)、使用等特點(diǎn)，創(chuàng)新儲(chǔ)氣設(shè)備的設(shè)計(jì)，深入研究復(fù)合材料或復(fù)合結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)氣設(shè)備。同時(shí)，結(jié)合加氣站內(nèi)“靜、動(dòng)、儀”三類產(chǎn)品的失效模式和關(guān)聯(lián)影響，推廣物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)智能化檢驗(yàn)和智慧化管理。