高壓氫氣儲(chǔ)運(yùn)過程的泄漏研究

羅啟圭，韓文超，姜永善，何琦

（中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029）

氫能作為清潔能源，已經(jīng)成為各國優(yōu)先發(fā)展的新能源產(chǎn)業(yè)，更是進(jìn)入我國十四五規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要，成為21世紀(jì)優(yōu)先發(fā)展的新能源產(chǎn)業(yè)之一，氫能的儲(chǔ)運(yùn)以及加氫站的建成是氫能利用的重要環(huán)節(jié)。受成本和技術(shù)的影響，目前加氫站用氫以及工業(yè)氫氣的運(yùn)輸以短途運(yùn)輸為主，主要方式為高壓氫氣長管拖車運(yùn)輸。長管拖車是將若干支大容積鋼制高壓儲(chǔ)氫氣瓶裝配一起，并在頭部通過管路連接以進(jìn)行氫氣充裝的移動(dòng)式壓力容器。因長管拖車運(yùn)輸?shù)母邏簹錃鈮毫_(dá)到20MPa，且氫氣存在密度輕、分子小易擴(kuò)散的特點(diǎn)，氫氣在運(yùn)輸或者充卸過程中易出現(xiàn)泄漏擴(kuò)散的情況，另一方面，因氫氣無色無味，泄漏不容易發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)生氫氣聚集，遇明火低燃點(diǎn)爆燃而引起事故。因此，對(duì)高壓氫氣儲(chǔ)運(yùn)過程中的泄漏問題研究對(duì)氫能的安全使用具有積極意義，本文將從長管拖車充卸及運(yùn)輸過程中易產(chǎn)生泄漏的端塞和各類附件入手，研究泄漏機(jī)理并提出應(yīng)對(duì)措施。

1 氫氣長管拖車結(jié)構(gòu)簡述

長管拖車總體分為行走機(jī)構(gòu)、大容積鋼制氣瓶及其連接裝置三部分，承裝高壓氫氣的大容積氣瓶通過兩端螺紋與法蘭連接，再由法蘭固定到行走機(jī)構(gòu)上的前后支撐板上。氣瓶后端通過端塞、管路等連接裝置將所有氣瓶連通并設(shè)置氫氣充卸口、排污管路等，同時(shí)增加了安全泄放附件、緊急切斷裝置等安全裝置，以保證長管拖車安全運(yùn)行，氣瓶前端則簡單布置端塞與安全泄放裝置相連，整體氫氣長管拖車如圖1所示。

圖1 氫氣長管拖車

2 泄漏分析及應(yīng)對(duì)措施

2.1 端塞泄漏

端塞是氣瓶與外部管路或安全泄放附件相連的連接裝置，分為前端塞和后端塞。前端塞主要與超壓泄放裝置相連，后端塞則增加了與充卸主管路相連的閥門接口，有的還增加了排污管路接口。端塞通過螺紋與氣瓶內(nèi)螺紋連接，加密封墊以保證密封性，在密封面外部通常還進(jìn)行膠封處理。經(jīng)過上述密封處理，運(yùn)行過程中氫氣長管拖車的端塞泄漏一般為微漏，用肥皂水檢漏可得到如圖2所示，可見均為細(xì)小的泡沫慢慢鼓出，有的滲漏甚至得持續(xù)觀察一段時(shí)間才能分辨出。

圖2 端塞泄漏

端塞泄漏的原因主要有以下幾點(diǎn)：長管拖車長期運(yùn)行造成端塞與氣瓶連接螺紋松動(dòng)，導(dǎo)致密封面產(chǎn)生間隙從而失效泄漏；氣瓶端塞密封面存在異物或劃傷，密封不嚴(yán)導(dǎo)致泄漏；端塞或氣瓶螺紋存在磨損及損傷，導(dǎo)致氫氣向外擴(kuò)散泄漏。

針對(duì)以上泄漏可以采取如下措施：定期對(duì)長管拖車前后端塞進(jìn)行觀察及測漏，若發(fā)現(xiàn)螺紋松動(dòng)痕跡后，在空車狀態(tài)下及時(shí)進(jìn)行緊固處理；若未發(fā)現(xiàn)端塞松動(dòng)痕跡，使用單位應(yīng)及時(shí)告知維修單位進(jìn)行拆修處理，拆下的端塞進(jìn)行螺紋、密封面、密封材料檢查，依據(jù)泄漏問題進(jìn)行螺紋修復(fù)、密封面清洗打磨、密封材料更換等操作，處理安裝后重新進(jìn)行測漏檢驗(yàn)，氫氣測漏一般可用肥皂水進(jìn)行測漏，若是高純氫氣，可用專業(yè)氫氣測漏儀或準(zhǔn)確性更高的氦檢漏方法進(jìn)行檢測。

2.2 附件泄漏

氫氣長管拖車的附件主要包含連接附件和安全附件，連接附件主要為管路上的閥門、接頭，安全附件主要為壓力表、爆破片、易熔塞。因工作承壓達(dá)到20MPa且氫氣分子易擴(kuò)散，這幾種附件在長管拖車運(yùn)行中都有可能發(fā)生泄漏。

閥門布置在后端，主要有進(jìn)氣瓶閥、進(jìn)氣主閥、排污閥、壓力表閥幾種，閥門的泄漏原因主要有以下兩點(diǎn)：氫氣長管拖車運(yùn)行時(shí)間長久或反復(fù)充裝氣體導(dǎo)致閥門功能失效，造成閥門內(nèi)漏，這種泄漏以球閥常見并在高壓和低壓狀態(tài)都有可能發(fā)生；閥門連接處密封面材料因時(shí)間長久或腐蝕出現(xiàn)損壞導(dǎo)致密封失效產(chǎn)生外漏，外漏同樣可因閥門未擰緊或螺紋損壞而產(chǎn)生。另外，閥門內(nèi)漏因?yàn)槭情y門功能引起且泄漏發(fā)生在管路里，在外部難以觀察到，一般在做閥門密封性試驗(yàn)的時(shí)候可檢測到，外漏則可直接通過測漏檢測到具體部位，如圖3所示。接頭的泄漏重點(diǎn)關(guān)注充裝氫氣接頭在充卸過程中的泄漏，由于未規(guī)范化操作或者充卸軟管的破損造成大面積泄漏。

圖3 閥門外漏

安全附件是保障氫氣長管拖車安全運(yùn)行的關(guān)鍵部件，壓力表能反應(yīng)氣瓶內(nèi)壓力狀態(tài)，爆破片和易熔塞更是保證在瓶內(nèi)超壓以及發(fā)生火災(zāi)時(shí)，氫氣能安全泄放從而預(yù)防嚴(yán)重事故發(fā)生。壓力表的泄漏主要發(fā)生在連接密封處，同樣是因?yàn)槊芊獠牧鲜Ш退蓜?dòng)引起，如圖4所示。爆破片和易熔塞的泄漏除了瓶內(nèi)超壓或火災(zāi)事故，兩者發(fā)揮功能泄放外，還存在未定期更換爆破片裝置導(dǎo)致爆破片或易熔塞失效泄漏的原因，比如，爆破片長期受壓變形或易熔塞發(fā)生萎縮，不再起密封及保護(hù)作用。

圖4 壓力表泄漏

附件泄漏的防范措施主要如下：定期進(jìn)行附件的校準(zhǔn)及更換，壓力表按規(guī)定半年校準(zhǔn)，爆破片裝置控制在兩年一換；定期進(jìn)行閥門及附件的測漏檢驗(yàn)，對(duì)于泄漏的閥門和接頭應(yīng)及時(shí)進(jìn)行維修更換處理；氫氣的充卸操作務(wù)必規(guī)范化，充卸軟管定期檢驗(yàn)更換，避免充卸接口氫氣大面積泄漏導(dǎo)致事故發(fā)生。

3 結(jié)語

氫氣儲(chǔ)運(yùn)過程中泄漏的研究對(duì)氫能安全使用具有積極意義，本文以氫氣長管拖車為例，從使用運(yùn)行過程中易發(fā)生泄漏的端塞和附件著手，揭示了短途氫氣運(yùn)輸過程泄漏原因并提出應(yīng)對(duì)措施，主要有以下幾點(diǎn)：

（1）端塞與氣瓶連接松動(dòng)、密封面異物或劃傷、連接螺紋磨損這幾個(gè)因素導(dǎo)致了端塞部位的泄漏發(fā)生，且泄漏一般為微漏。

（2）閥門因使用年限長，反復(fù)充卸氣體導(dǎo)致氫氣內(nèi)漏；密封材料損傷、螺紋磨損、連接松動(dòng)導(dǎo)致閥門外漏；爆破片及易熔塞的超時(shí)限使用造成失效泄漏，這些都是造成附件泄漏的主要原因。

（3）定期進(jìn)行整車泄漏檢測、定期進(jìn)行連接附件和安全附件的校準(zhǔn)和更換、氫氣充卸過程規(guī)范化操作等都能有效降低端塞和附件泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，從而避免安全事故的發(fā)生。