淺談液氫儲運壓力容器的研制

王惠穎， 孫擁軍， 米輝耀， 高洪如

（北京航天試驗技術(shù)研究所， 北京 100074）

0 引言

氫能作為低碳和零碳能源，具有儲量大、熱值高、零污染等優(yōu)勢，已經(jīng)得到公認(rèn)。儲氫是氫能發(fā)展中的一個重要方面，目前主流的儲氫技術(shù)主要有高壓儲氫、低溫液態(tài)儲氫以及金屬氫化物儲氫， 其中低溫液態(tài)儲氫具有儲氫密度大、能量密度高等特點，具有明顯的優(yōu)勢。

低溫液態(tài)儲氫是先將氫氣液化， 然后儲存在低溫絕熱容器中。 液氫沸點-253°C，與環(huán)境溫度差別極大，易于氣化，其汽化潛熱非常小[1]。 氫氣和空氣形成的混合物都具有較寬的可燃極限和爆炸極限， 在空氣中氫的可燃范圍為4%～75%（體積比），而且著火能極低，所以液氫具有易燃易爆、易氣化、易擴(kuò)散等特點。 液氫儲運壓力容器主要用于儲存、運輸?shù)蜏匾簹?，需滿足安全穩(wěn)定、功能可靠、損耗小等要求。

1 材料的選擇

制造液氫儲運壓力容器用材料要著重考慮材料的力學(xué)性能、工藝性能、理化性能以及與液氫相容性。

選材時，考慮與液氫的相容性是極為重要的。 氫對金屬的腐蝕主要有氫反應(yīng)脆裂、內(nèi)部氫脆、環(huán)境氫脆。 其中，氫反應(yīng)脆裂和內(nèi)部氫脆問題在金屬廠和石油化工廠中經(jīng)常有遇到。 而內(nèi)部氫脆和環(huán)境氫脆都是由于氫原子溶入金屬而引起的。 環(huán)境氫脆的程度取決于基體金屬及其合金組成、金屬的微觀結(jié)構(gòu)、應(yīng)變率、表面缺陷、剩余應(yīng)力、金屬的屈服強(qiáng)度、氫環(huán)境中雜質(zhì)的存在等[2]。 目前，不會發(fā)生氫脆的材料有鋁合金、銅合金和某些奧氏體不銹鋼等。

基于以上幾點的考慮， 液氫儲運壓力容器用鋼材需要具有良好的低溫韌性、充足的強(qiáng)度、良好的可焊接性，且不與氫發(fā)生氫脆。 目前，地面設(shè)備多采用奧氏體不銹鋼特別是超低碳奧氏體不銹鋼鋼板。 對于有重量要求的液氫儲罐多采用鋁板、復(fù)合材料等。 本文主要介紹鋼制液氫儲運壓力容器。

奧氏體不銹鋼鋼材進(jìn)廠后應(yīng)進(jìn)行復(fù)驗。 復(fù)驗合格的鋼材需要進(jìn)行低溫夏比沖擊試驗來驗證其低溫韌性。 試驗試樣的制作、試驗方法均參照GB/T 229 的規(guī)定進(jìn)行制備，并進(jìn)行試驗[3]。目前鑒于經(jīng)濟(jì)性和安全性的考慮，液氫儲罐低溫沖擊試樣一般浸泡在液氮中冷透后進(jìn)行沖擊，所以試驗溫度為液氮溫區(qū)， 沖擊功合格數(shù)值也沒有統(tǒng)一的規(guī)定。 不過，當(dāng)前隨著液氫應(yīng)用的發(fā)展，有關(guān)部門正在進(jìn)行相關(guān)的試驗驗證活動，不久將推出相關(guān)的明確規(guī)定。

液氫儲罐一般采用高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)， 外殼實際上就是一真空容器。 外殼受壓元件用材料應(yīng)具有良好的可焊接性、充足的強(qiáng)度和沖擊韌性，還應(yīng)重點考慮環(huán)境的腐蝕作用。沿海地區(qū)例如海南文昌發(fā)射場的容器、管路還需考慮鹽霧腐蝕問題。

使用在局部結(jié)構(gòu)的材料主要有：用于保冷的多層絕熱材料可依據(jù)GB/T 31480 進(jìn)行選擇[4]；用于保持真空的低溫吸附劑應(yīng)滿足液氫儲罐的使用要求，并符合相應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；用于內(nèi)、外容器之間的支撐可選用導(dǎo)熱率低、實際使用溫度在材料允許使用溫度范圍內(nèi)的材料，這些材料還應(yīng)具備真空下表面放氣率低且有良好的低溫韌性等特點。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

液氫儲運壓力容器廣泛應(yīng)用于液氫的生產(chǎn)、 運輸和使用過程中， 均需采取措施以最大限度地減少介質(zhì)的損耗， 所以液氫儲運壓力容器一般采用高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)， 外殼內(nèi)實際上與內(nèi)容器外表面之間共同形成一個封閉的高真空空間，可盡可能減少熱傳導(dǎo)和對流，使用多層絕熱材料可有效降低輻射傳熱，見圖1。

圖1 液氫儲運壓力容器

內(nèi)容器主要用于盛裝液氫， 對于這部分需要結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡可能簡單，工藝管口盡可能合并使用，盡量減少容器開孔數(shù)量和大小。 也應(yīng)減輕焊接件在焊接過程中的受約束程度，盡可能減少各個截面的溫度梯度，避免尖角等易引起結(jié)構(gòu)突然變化，出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。接管端部應(yīng)設(shè)計成圓角，呈現(xiàn)圓滑過渡，確保結(jié)構(gòu)中的韌性。

除去內(nèi)容器殼體的傳熱外，還應(yīng)減少管口、內(nèi)容器支撐或支腿等處的傳熱。 為減少傳熱，通常采用增長熱橋、使用導(dǎo)熱系數(shù)低的非金屬材料等措施， 在這些部位可進(jìn)行對局部應(yīng)力、局部傳熱的仿真分析。

3 制造及檢測

3.1 封頭成形

一般來講，封頭可采用整板或者拼板經(jīng)冷沖壓、熱沖壓、冷旋壓、熱旋壓、冷卷、熱卷等方法成形，也可分瓣成形后再組焊成形。但是對于鋼制液氫儲運壓力容器內(nèi)容器筒體、封頭應(yīng)采用冷成形或溫成形方法加工成所需形狀。 當(dāng)冷成形時后變形率超過GB/T 150.4 規(guī)定的控制指標(biāo)時[5]，應(yīng)按照材料標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行固溶處理，溫成形應(yīng)避開敏化區(qū)。

3.2 焊接

液氫儲運壓力容器采用的奧氏體不銹鋼與碳素鋼相比，具有導(dǎo)熱數(shù)值較小、線膨脹數(shù)值較大等特點，容易出現(xiàn)焊接縫隙收縮變化大、焊接應(yīng)力較大等問題，所以施焊前應(yīng)按NB/T 47014 進(jìn)行焊接工藝評定。

選用焊接材料時應(yīng)當(dāng)考慮焊接接頭力學(xué)性能與液氫儲罐母材的匹配性，且應(yīng)該選用低碳焊材。

奧氏體不銹鋼壓力容器一般都使用氬弧焊接、 埋弧焊接和小孔洞等離子弧焊接技術(shù)。

進(jìn)行液氫儲運壓力容器焊接時需要嚴(yán)格控制線能量，可使用較小焊接線能量，焊條擺動小，層間溫度嚴(yán)格控制在100℃以下。 為了降低層間溫度，采取水冷措施強(qiáng)制冷卻，防止焊縫過熱，晶粒粗大，接頭韌性變差，同時防止產(chǎn)生熱裂紋?？刹扇傂怨潭ǖ姆椒▉砜刂平亲冃危缚p采用鋁基無鐵砂輪打磨清根。 對于沒有辦法進(jìn)行內(nèi)部氣體防護(hù)的最后一次封閉環(huán)形縫焊接， 一般使用有襯環(huán)的手工氬弧焊接技術(shù)，保證全焊透。

焊接工藝評定試件檢驗項目主要有外觀檢查、 無損檢測、力學(xué)性能試驗和彎曲試驗。 此外，液氫儲運壓力容器還應(yīng)對焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行低溫夏比（V 形缺口）沖擊試驗， 并在液氮溫度下滿足一定的沖擊吸收能量和側(cè)向膨脹量的要求。 目前，對于合格數(shù)據(jù)尚未有統(tǒng)一數(shù)值，該數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)需要大量實驗數(shù)據(jù)支撐。

3.3 無損檢測

無損檢測是指在不破壞試樣的前提下， 通過物理或者化學(xué)的方法， 憑借先進(jìn)的檢測技術(shù)， 對壓力容器的結(jié)構(gòu)、 內(nèi)部和表面的試樣性能、 狀態(tài)進(jìn)行檢測和試驗的方法。無損檢測是目前應(yīng)用較廣泛的檢測技術(shù)，常用的方法有射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測、滲透檢測、激光全息無損檢測和聲發(fā)射檢測等無損檢測技術(shù)和新型檢測技術(shù)。

在鋼制液氫儲運壓力容器制造中， 無損檢測主要用于檢測焊縫的質(zhì)量。 對于盛裝液氫的內(nèi)容器的A、B 類對接接頭是要求進(jìn)行100%射線檢測的，并且射線技術(shù)等級不低于AB 級， 達(dá)到NB/T 47013.2中Ⅱ級合格[6]；C、D、E 類焊接接頭和先拼板后成形的封頭上所有拼接接頭進(jìn)行100%滲透檢測，達(dá)到NB/T 47013.5 中Ⅰ級合格。

形成真空腔的外殼體的A、B 類對接接頭（合攏B 類焊接接頭除外）進(jìn)行局部射線檢測，檢測長度不少于各條焊接接頭長度的20%，且不小于250mm，其射線檢測技術(shù)等級不低于AB 級，達(dá)到NB/T 47013.2 中Ⅲ級合格；C、D、E類焊接接頭和先拼板后成形的封頭上所有拼接接頭進(jìn)行100%表面檢測，應(yīng)能達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.5 中Ⅰ級。

4 相關(guān)試驗

一般的壓力容器在制造廠應(yīng)進(jìn)行耐壓試驗和密封性試驗等項目。此外，液氫儲運壓力容器還應(yīng)進(jìn)行冷沖擊試驗，真空性能的檢查，絕熱性能的蒸發(fā)率試驗等。

冷沖擊試驗是以設(shè)定的速度向內(nèi)容器充注液氮，使內(nèi)容器在規(guī)定的時間內(nèi)冷卻到預(yù)定的溫度，用于考察整個內(nèi)容器耐受溫差應(yīng)力變化速度和幅度的能力。 在試驗時，封閉進(jìn)液口和排氣口以外的所有其他管口，并且應(yīng)用液氮將內(nèi)容器充分浸漬。 試驗后，可對內(nèi)容器和夾層管路進(jìn)行耐壓試驗和氦質(zhì)譜檢漏。 合格后方可進(jìn)入下一項試驗。

真空夾層封結(jié)真空度、 夾層的漏放氣速率以及夾層冷態(tài)真空度測量是保證真空性能的主要手段， 一般來說夾層的真空性能應(yīng)能滿足5 年以上的使用要求。

絕熱性能可通過測量靜態(tài)蒸發(fā)率的方法進(jìn)行測定[7]。目前， 對于液氫儲運壓力容器的靜態(tài)蒸發(fā)率一般依據(jù)各使用單位的實際工況進(jìn)行圖樣規(guī)定。 現(xiàn)有試驗水平一般采用液氮介質(zhì)進(jìn)行試驗， 得出試驗數(shù)據(jù)后通過計算轉(zhuǎn)換為液氫蒸發(fā)率， 極少情況下采用真實介質(zhì)液氫進(jìn)行蒸發(fā)率試驗。

5 結(jié)束語

液氫儲運壓力容器在實際設(shè)計、 生產(chǎn)中技術(shù)難點很多，需要技術(shù)人員考慮充分、分析準(zhǔn)確，并根據(jù)設(shè)備的實際使用場合和工況，進(jìn)行個性化的設(shè)計。對于頻繁有交變應(yīng)力變化的工況， 可進(jìn)行判別按照應(yīng)力分析容器進(jìn)行研究，并在使用中進(jìn)行定期檢查，確保壓力容器運行正常，避免出現(xiàn)安全事故。