我國氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

鄭津洋，馬 凱，葉 盛，顧超華，花爭立，彭文珠

(浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所，杭州 310027)

0 引言

氫能具有來源多樣、利用高效、清潔環(huán)保、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，是全球能源轉(zhuǎn)型升級的重要方向，也是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要途徑[1-2]。美國、日本、歐盟等主要發(fā)達(dá)國家早在20世紀(jì)就開始布局氫能產(chǎn)業(yè)，中國近期也頒布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》?！丁笆奈濉币?guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》指出：“在氫能與儲能等前沿科技和產(chǎn)業(yè)變革領(lǐng)域，組織實(shí)施未來產(chǎn)業(yè)孵化與加速計劃，謀劃布局一批未來產(chǎn)業(yè)”。 科技部“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃將“氫能技術(shù)”列為重點(diǎn)專項(xiàng)。在政策和市場驅(qū)動下，我國氫能產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，超過1/3中央企業(yè)布局氫能產(chǎn)業(yè)鏈，并取得了一批技術(shù)研發(fā)和示范應(yīng)用成果[3]。預(yù)計到2050年，氫能將在我國交通運(yùn)輸、儲能、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域廣泛使用，氫能產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值有望超過10萬億元[4]。

氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制氫、儲氫、運(yùn)氫及用氫，其中氫能儲運(yùn)是連接產(chǎn)業(yè)鏈上下游的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，氫能儲運(yùn)主要包括氣態(tài)儲運(yùn)、液態(tài)儲運(yùn)和固態(tài)儲運(yùn)三種方式，其中高壓氣態(tài)儲運(yùn)以其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、充放氫速度快、適應(yīng)溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，成為目前主流的氫能儲運(yùn)方式[5-8]。

氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備是指用于氫能儲存、運(yùn)輸?shù)母邏涸O(shè)備。儲氫高壓設(shè)備包括固定式儲氫高壓容器和高壓氫氣瓶，輸氫高壓設(shè)備則包括道路輸氫設(shè)備和氫氣管道[9]。由于高壓氫氣儲量大、充放頻繁且易導(dǎo)致氫脆，因此，氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備具有潛在的泄漏和爆炸危險。近年來，國內(nèi)外已發(fā)生數(shù)起事故[9-11]。2019年6月，美國加州圣塔克拉拉發(fā)生長管拖車氫氣泄漏爆炸事故；同月，挪威桑威卡發(fā)生加氫站儲氫容器爆炸事故；2021年8月，沈陽市發(fā)生氫氣罐車軟管破裂爆燃。這為氫能安全儲運(yùn)敲響了警鐘。

隨著氫能快速發(fā)展，我國氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備的種類和數(shù)量快速增長，使用條件極端化，風(fēng)險程度加大，安全保障面臨新的挑戰(zhàn)。本文介紹氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備的基本特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀和面臨挑戰(zhàn)，并提出若干研究建議。

1 基本特點(diǎn)

與壓縮天然氣儲運(yùn)設(shè)備、加氫反應(yīng)器等高壓設(shè)備相比，氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備具有以下三個基本特點(diǎn)。

(1)氫氣易漏易燃易爆且儲量大，一旦失效，危害嚴(yán)重。

與汽油和天然氣相比，氫氣的密度小、擴(kuò)散系數(shù)大、點(diǎn)火能量低、燃燒和爆炸范圍寬、燃燒火焰速度快，具有易漏易燃易爆的特性[12-13]。氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備的儲氫量大。例如，根據(jù)GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范(2021年版)》，一級、二級、三級加氫站單臺儲氫高壓容器的最大氫氣容量分別為2 000，1 500，800 kg，一旦泄漏爆炸，危害嚴(yán)重。若氫氣泄漏后被立即點(diǎn)燃，就會形成氫噴射火；若泄漏至受限空間，則易形成可燃?xì)錃庠疲坏┍稽c(diǎn)燃就會產(chǎn)生爆燃、爆轟，對設(shè)備安全運(yùn)行和人民生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重危害[14-15]。

(2)壓縮氫氣壓力高，存在氫脆風(fēng)險。

氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備的儲氫壓力高：加氫站儲氫容器的設(shè)計壓力可達(dá)98 MPa甚至更高；氫燃料電池交通運(yùn)載工具用高壓氫氣瓶的公稱工作壓力為35，70 MPa；長管拖車和管束式集裝箱的公稱工作壓力通常為20～30 MPa；氫氣長輸管道的壓力一般為2～20 MPa。這些設(shè)備長期在高壓氫氣環(huán)境下運(yùn)行，其臨氫材料易因氫脆而產(chǎn)生性能劣化。金屬材料氫脆主要表現(xiàn)為韌性降低、疲勞裂紋擴(kuò)展速率加快、氫致開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值減小等。例如，與空氣環(huán)境相比，4130X在45 MPa氫氣環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率加快10～15倍，斷裂韌度減小70%以上[16-17]。非金屬材料氫脆主要表現(xiàn)為氫氣溶解引起的材料彈性模量、拉伸強(qiáng)度、摩擦系數(shù)等發(fā)生變化，以及快速降壓使材料內(nèi)部產(chǎn)生氫鼓泡和裂紋等缺陷[18-24]。

(3)服役性能影響因素多且機(jī)制復(fù)雜，調(diào)控困難。

氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備的服役性能受到材料(抗拉強(qiáng)度、化學(xué)成分、微觀組織等)、環(huán)境(氫氣壓力、環(huán)境溫度、氫氣純度等)、應(yīng)力(載荷、結(jié)構(gòu)、加載方式等)及制造(成型工藝、熱處理、表面質(zhì)量等)等諸多因素的綜合影響。通常，材料強(qiáng)度越高，疲勞裂紋擴(kuò)展速率越快，氫致開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值越低[25-29]；氫氣壓力越高，氫脆敏感性越高[30-34]；加載頻率越低，材料氫脆越嚴(yán)重；應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK較小時，氫對材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率影響較小，但ΔK超過一定值后，影響顯著[35-37]；臨氫材料表面粗糙度越大，高壓氫氣對設(shè)備疲勞性能的損減越嚴(yán)重[38-39]。此外，各因素之間還可能存在耦合作用。例如：有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氫氣壓力小于40 MPa時，Cr-Mo鋼的氫脆敏感性隨著加載頻率的減小反而降低[40]。由于影響因素眾多且機(jī)制復(fù)雜，對氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備的服役性能預(yù)測和調(diào)控非常困難。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 儲氫高壓設(shè)備

2.1.1 固定式儲氫高壓容器

固定式儲氫高壓容器主要用于加氫站、氫儲能、應(yīng)急電站等，目前在加氫站中應(yīng)用最為廣泛[41-42]。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我國固定式儲氫高壓容器主要包括單層鋼質(zhì)儲氫高壓容器和多層鋼質(zhì)儲氫高壓容器。

單層鋼質(zhì)儲氫高壓容器主要有旋壓式儲氫高壓容器和單層整鍛式儲氫高壓容器。旋壓式儲氫高壓容器由無縫鋼管旋壓而成，其設(shè)計壓力通常不超過50 MPa，目前主要用于35 MPa加氫站。該類容器結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、可批量生產(chǎn)，但其容積受到限制。目前，單臺容器的水容積通常不超過1 000 L，因此多以容器組形式(有的容器數(shù)高達(dá)21臺)使用，需要加強(qiáng)火災(zāi)、撞擊等極端條件下多臺容器間的相互作用機(jī)制及其對失效行為影響的研究。此外，該類容器多采用Cr-Mo鋼(主要為4130X)制造，材料氫脆敏感性較高。

多層鋼質(zhì)儲氫高壓容器主要有鋼帶錯繞式全多層儲氫高壓容器、層板包扎式儲氫高壓容器[43-44]。相比單層鋼質(zhì)儲氫高壓容器，該類容器的儲氫壓力更高，容積也更大。例如，50,98 MPa鋼帶錯繞式全多層儲氫高壓容器的容積分別達(dá)到7.3,1 m3。此外，該類容器的臨氫材料常采用抗氫脆性能好的奧氏體不銹鋼，有利于防止氫脆引起的失效，但該類容器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造周期較長，對焊接接頭質(zhì)量要求較高[45]。

在國家973計劃項(xiàng)目“高壓氫系統(tǒng)大型承載件設(shè)計制造的基礎(chǔ)研究”、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目“氫能儲運(yùn)裝備性能檢測及質(zhì)量評價技術(shù)研究”等持續(xù)支持下，經(jīng)過20多年努力，我國已實(shí)現(xiàn)固定式儲氫高壓容器的自主可控。據(jù)統(tǒng)計，截至2021年底，我國已建成加氫站191座，在役固定式儲氫高壓容器超1 500臺。

2.1.2 高壓氫氣瓶

高壓氫氣瓶主要用于氫能交通運(yùn)載，如氫燃料電池乘用車、物流車、大巴車、叉車、重卡、輪船、無人機(jī)等。氫燃料電池叉車主要采用鋼質(zhì)高壓氫氣瓶，其余則采用鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氫氣瓶(簡稱Ⅲ型瓶)和塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氫氣瓶(簡稱Ⅳ型瓶)。除具有氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備的基本特點(diǎn)外，高壓氫氣瓶還具有以下特點(diǎn)[46]：(1)體積、重量受限，受車內(nèi)空間限制，氣瓶的容積通常不大于450 L，其質(zhì)量越輕，越有利于提高整車性能及降低成本；(2)充裝要求特殊，氣瓶充裝速度快且需與加氫機(jī)實(shí)時通訊，乘用車的充裝時間通常為3～5 min，氫氣快充會導(dǎo)致溫升，進(jìn)而影響氣瓶性能[47-49]；(3)使用壽命長，設(shè)計使用年限通常為10～15年，甚至更長；(4)使用環(huán)境復(fù)雜多變，使用環(huán)境和車輛所在的地域、路況條件等有關(guān)，存在機(jī)械損傷、環(huán)境侵蝕等風(fēng)險。

在國家市場監(jiān)督管理總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局領(lǐng)導(dǎo)下，我國高壓氫氣瓶的總體發(fā)展思路是：結(jié)構(gòu)從Ⅲ型到Ⅳ型，壓力從低到高，穩(wěn)步推進(jìn)。目前，公稱工作壓力為35 MPa和70 MPa的Ⅲ型瓶已實(shí)現(xiàn)自主設(shè)計制造和批量生產(chǎn)，質(zhì)量儲氫密度3.8%～4.5%，達(dá)到國際先進(jìn)水平，廣泛用于氫燃料電池電動汽車等氫燃料電池交通運(yùn)載工具，目前在役數(shù)量超過4萬只。Ⅳ型瓶在國外的研發(fā)和應(yīng)用較早，美國Hexagon、日本豐田、韓國ILJIN等都已研發(fā)出了70 MPa的Ⅳ型瓶產(chǎn)品，質(zhì)量儲氫密度已達(dá)5.7%?？萍疾坑?019年立項(xiàng)支持“70 MPa車載高壓儲氫瓶技術(shù)”研究，2019年和2020年我國分別頒布了團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CATSI 02 005—2019《液化石油氣高密度聚乙烯內(nèi)膽玻璃纖維全纏繞氣瓶》和T/CATSI 02 007—2020《車用壓縮氫氣塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》，有力推動了我國Ⅳ型瓶的發(fā)展。目前，我國LPG-Ⅳ型瓶產(chǎn)能已超100萬只/年，Ⅳ型氫氣瓶產(chǎn)品也已面市。

2.2 輸氫高壓設(shè)備

2.2.1 道路輸氫設(shè)備

道路輸氫設(shè)備通過公路、鐵路等輸送、分配氫氣，適用于距離短、氫氣使用量較少的場合，主要包括長管拖車和管束式集裝箱[50]。我國已有較成熟的長管拖車和管束式集裝箱設(shè)計制造和使用經(jīng)驗(yàn)。該類設(shè)備的公稱工作壓力通常為20～30 MPa，容積不大于3 000 L，單車運(yùn)氫量不超過500 kg，運(yùn)輸效率低、成本高。為提高單車氫氣運(yùn)輸量，科技部于2020年將“公路運(yùn)輸用高壓、大容量管束集裝箱氫氣儲存技術(shù)”列入“可再生能源與氫能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)，研制50 MPa以上大容量碳纖維纏繞儲氫瓶與管束式集裝箱。

2.2.2 氫氣管道

氫氣管道分為工業(yè)管道、長輸管道、公用管道和專用管道。工業(yè)管道用于制氫、冶金、電子、建材、電力、化工等企業(yè)內(nèi)輸送氫氣；長輸管道用于遠(yuǎn)距離集中輸送氫氣；公用管道是指城鎮(zhèn)氫氣管道；專用管道是指加氫站、氫燃料電池汽車供氫系統(tǒng)、氫安全試驗(yàn)設(shè)備等的氫氣管道。氫氣管道具有種類多、管徑和壓力范圍大、量大面廣等特點(diǎn)。目前，歐美地區(qū)已建成多條氫氣長輸管線，總長度逾5 000 km。相比之下，我國雖然在氫氣工業(yè)管道、專用管道方面積累了較為豐富的管道設(shè)計、施工、運(yùn)行和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，但氫氣長輸管道建設(shè)起步較晚，總里程約500 km，詳細(xì)情況見表1[51]。

表1 我國氫氣長輸管線建設(shè)情況Tab.1 Construction situation of hydrogen long-distance transmission pipelines in China

氫氣長輸管道的造價較高。將氫氣以一定比例摻入天然氣，利用現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)輸氫可以大幅降低建設(shè)成本，是解決氫氣大規(guī)模運(yùn)輸?shù)姆桨钢弧Ｄ壳?，摻氫天然氣管道技術(shù)已經(jīng)引起國內(nèi)外高度重視。我國先后在遼寧朝陽、河北張家口等地開展了摻氫天然氣輸送示范，但尚未進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用。摻氫天然氣輸送仍面臨材料與氫相容性、混合與計量、安全評估等技術(shù)難題[52]?？萍疾坑?021年將“中低壓純氫與摻氫燃?xì)夤艿垒斔图捌鋺?yīng)用關(guān)鍵技術(shù)”列入“氫能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)，開展中低壓(≤4 MPa)純氫與摻氫燃?xì)夤艿垒斔图捌鋺?yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究。

2.3 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

為了引導(dǎo)氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備的健康發(fā)展，我國對規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的制定極為重視，已經(jīng)在測試方法、產(chǎn)品等方面制定了系列標(biāo)準(zhǔn)。

在材料氫脆性能檢測評估方面，頒布了GB/T 34542.2—2018《氫氣儲存輸送系統(tǒng) 第2部分：金屬材料與氫環(huán)境相容性試驗(yàn)方法》和GB/T 34542.3—2018《氫氣儲存輸送系統(tǒng) 第3部分：金屬材料氫脆敏感度試驗(yàn)方法》，目前正在起草非金屬氫相容性測試國家標(biāo)準(zhǔn)。在產(chǎn)品性能測試方面，已頒布T/CMES 16003—2021《車用高壓儲氫系統(tǒng)氫氣壓力循環(huán)測試與泄漏/滲透測試方法》等團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。

在固定式儲氫高壓容器方面，已頒布GB/T 26466—2011《固定式高壓儲氫用鋼帶錯繞式容器》、T/CATSI 05003—2020《加氫站儲氫壓力容器專項(xiàng)技術(shù)要求》、T/CATSI 02013—2021《加氫站用高壓儲氫氣瓶安全技術(shù)要求》等標(biāo)準(zhǔn)。在高壓氫氣瓶方面，GB/T 35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》和T/CATSI 02 007—2020均已頒布，Ⅳ型儲氫氣瓶國家標(biāo)準(zhǔn)正在制訂。在道路輸氫設(shè)備方面，已頒布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 10354—2019《長管拖車》和NB/T 10355—2019《管束式集裝箱》。

目前，我國正在組織起草加氫站儲氫壓力容器、氫氣瓶組合閥、氫氣瓶定期檢驗(yàn)、加氫站氫氣充裝協(xié)議等相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。

3 面臨挑戰(zhàn)

3.1 高安全

安全可靠是氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備最基本的要求，目前該類設(shè)備依然在法規(guī)、技術(shù)及管理等方面存在風(fēng)險[9]。法規(guī)方面，現(xiàn)有的特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范缺少針對35 MPa以上氫能儲運(yùn)設(shè)備的基本安全要求；技術(shù)方面，存在材料氫環(huán)境性能數(shù)據(jù)缺失、產(chǎn)品設(shè)計方法選擇不當(dāng)、產(chǎn)品性能一致性差、設(shè)備檢驗(yàn)檢測能力不足及方法缺失等風(fēng)險；管理方面，存在設(shè)備與使用場景不匹配(如氣瓶直接用于加氫站儲氫)、盲目進(jìn)口國外產(chǎn)品等風(fēng)險。此外，隨著從示范階段向商用階段逐步轉(zhuǎn)變，氫燃料電池電動汽車的車載供氫系統(tǒng)壓力逐漸從35 MPa 向70 MPa發(fā)展，加氫站儲氫容器設(shè)計壓力也逐漸從50 MPa提升到98 MPa，這對氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備提出了更高的安全要求。

3.2 輕量化

輕量化是車載高壓氫氣瓶、長管拖車及管束式集裝箱等氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備的基本要求。實(shí)現(xiàn)輕量化不但有益于提升整車的動力性能，而且有益于提高燃料電池電動汽車的續(xù)航能力，以及長管拖車和管束式集裝箱的輸氫能力。美國能源部(DOE)發(fā)布了車載儲氫氣瓶輕量化發(fā)展目標(biāo):2025年質(zhì)量儲氫密度達(dá)到5.5%，最終目標(biāo)為6.5%。目前，國內(nèi)外Ⅲ型瓶的質(zhì)量儲氫密度可達(dá)4.5%，Ⅳ型瓶的質(zhì)量儲氫密度通常比Ⅲ型瓶高，豐田公司的Ⅳ型瓶已達(dá)到5.7%。

為了推動我國氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備的輕量化發(fā)展，國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目“70 MPa車載高壓儲氫瓶技術(shù)”的技術(shù)指標(biāo)中要求質(zhì)量儲氫密度不小于5.0%。對于長管拖車和管束式集裝箱等設(shè)備，目前主要通過提升儲氫壓力以及優(yōu)化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等方式實(shí)現(xiàn)輕量化，國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目“公路運(yùn)輸用高壓、大容量管束集裝箱氫氣儲存技術(shù)”的技術(shù)指標(biāo)中要求公稱工作壓力不小于50 MPa，質(zhì)量儲氫密度不小于5.5%。

3.3 低成本

氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備在加氫站、氫燃料電池電動汽車等系統(tǒng)中所占的成本比例較高。例如，加注能力為800 kg/天的70 MPa加氫站中儲氫容器所占成本比例約為15%，且加氫站規(guī)模越大，儲氫容器所占成本比例越高[53-54]。因此，降低氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備的成本對氫能產(chǎn)業(yè)整體成本的降低有重要意義。DOE發(fā)布了固定式儲氫容器和燃料電池汽車用氫氣瓶的成本目標(biāo)：固定式低壓(16 MPa)儲氫容器儲存1 kg氫氣的最終成本目標(biāo)為450美元，中壓(43 MPa)和高壓(92.5 MPa)容器為600美元；車載氫氣瓶儲存1 kg氫氣的最終成本目標(biāo)為266美元。

目前，在滿足安全性等基本要求的前提下，降低成本依然是氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)。在氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備的建造成本中，材料成本所占比例最高，因此通過開發(fā)高性能、低成本抗氫材料可以有效降低設(shè)備成本。此外，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、改進(jìn)設(shè)計方法和制造工藝、實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)也可以降低設(shè)備成本。

4 研究建議

基于氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備面臨的諸多挑戰(zhàn)，亟需加強(qiáng)以下研究。

(1)材料高壓氫脆機(jī)制及臨氫性能數(shù)據(jù)庫。

加強(qiáng)高壓氫脆機(jī)制研究，不但有益于更為深刻地認(rèn)識氫脆現(xiàn)象的本質(zhì)，而且有益于高性能、低成本抗氫材料的開發(fā)，以及氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備抗氫脆設(shè)計制造方法的建立和服役性能的調(diào)控。然而，由于高壓氫環(huán)境下材料力學(xué)性能的劣化是氫與損傷交互作用的結(jié)果，該過程涉及氫的侵入、傳輸、偏聚以及氫致?lián)p傷、氫促進(jìn)損傷演化發(fā)展等一系列復(fù)雜行為，且受到材料、環(huán)境、載荷等因素的顯著影響，因此機(jī)制極為復(fù)雜[55-58]。目前，已經(jīng)對氫在材料中的溶解、擴(kuò)散及偏聚等行為開展了深入研究，并提出了諸多氫致開裂理論，包括氫促進(jìn)局域化塑性變形理論、弱鍵理論、氫壓理論、氫吸附降低表面能理論等，然而這些理論雖能夠解釋部分氫脆現(xiàn)象，但還沒有一種理論能夠完全闡釋氫的作用機(jī)制?，F(xiàn)階段，材料高壓氫脆機(jī)制仍不明確，亟需加強(qiáng)該方面的研究。

目前，我國已初步形成高壓氫氣環(huán)境下材料、零部件和系統(tǒng)的安全性能檢測能力[59]，并建立了鉻鉬鋼、奧氏體不銹鋼、管線鋼、6061鋁合金等常用材料氫脆數(shù)據(jù)庫，為氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備的發(fā)展提供了重要支撐。但是，高壓氫氣環(huán)境下壓力容器用鋼疲勞設(shè)計曲線、疲勞門檻值等關(guān)鍵數(shù)據(jù)仍在測試，非金屬材料、零部件及氫系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)還極為匱乏，抗氫性能測試評價方法尚需完善。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的缺乏使得氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備在選材、設(shè)計、制造工藝優(yōu)化等方面面臨困難。例如，T/CATSI 05003—2020雖然規(guī)定加氫站儲氫容器的疲勞評定可采用疲勞設(shè)計曲線法，但由于尚無高壓氫環(huán)境下的材料疲勞設(shè)計曲線，該方法在實(shí)際應(yīng)用中受限。

(2)可靠性設(shè)計制造技術(shù)。

可靠性設(shè)計制造技術(shù)是保障氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備本質(zhì)安全的重要手段。我國已在氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備失效模式、失效機(jī)制、設(shè)計方法、服役性能預(yù)測及調(diào)控等方面開展了深入研究[60-64]，但在可靠性設(shè)計制造方面仍存在諸多不足。例如：針對加氫站用固定式儲氫高壓容器，有的直接選用JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))進(jìn)行設(shè)計，然而該標(biāo)準(zhǔn)中的疲勞設(shè)計方法和數(shù)據(jù)未考慮高壓氫環(huán)境的影響；有的則直接將車載儲氫氣瓶用于加氫站儲氫，卻忽視了車載儲氫和加氫站儲氫的載荷差異；我國高壓氫氣瓶的質(zhì)量穩(wěn)定性與國外同類產(chǎn)品相比還存在差距，產(chǎn)品競爭力有待提升。針對目前存在的問題，亟需系統(tǒng)考慮設(shè)備服役條件并甄別可能面臨的失效模式，完善相關(guān)設(shè)計方法。同時，加強(qiáng)生產(chǎn)過程控制，采用統(tǒng)計過程控制等先進(jìn)管理方法對生產(chǎn)過程中的變量進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定、可預(yù)測，為生產(chǎn)過程的分析和優(yōu)化提供依據(jù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能力。

(3)檢驗(yàn)檢測監(jiān)測及診斷評估。

缺陷和損傷在氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備的制造、使用過程中會不可避免地出現(xiàn)，并可能在載荷和環(huán)境的共同作用下引起設(shè)備失效?；谠诰€檢測監(jiān)測技術(shù)對設(shè)備典型缺陷和損傷的演化行為及規(guī)律進(jìn)行檢測和監(jiān)測，并對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行診斷評估，是防止設(shè)備在服役周期內(nèi)發(fā)生突然失效的有效方法。“車載復(fù)合材料儲氫氣瓶服役檢測監(jiān)測及診斷評估”已被列為“十四五”重點(diǎn)專項(xiàng)“氫能技術(shù)”的共性關(guān)鍵技術(shù)，有望突破塑料內(nèi)膽焊接接頭及復(fù)合材料的無損檢測、瓶閥座與塑料內(nèi)膽連接接頭性能預(yù)測與質(zhì)量檢測、缺陷和損傷的在線檢測監(jiān)測、結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)診斷等技術(shù)。此外，對服役過程中設(shè)備關(guān)鍵安全狀態(tài)參數(shù)(壓力、溫度等)及氫濃度等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并依托互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)建立設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，是構(gòu)建和優(yōu)化氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備安全防護(hù)機(jī)制的重要手段，在加氫站等場合中具有廣闊的應(yīng)用前景。

(4)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系完善。

我國雖已頒布系列氫能高壓儲運(yùn)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，但主要是測試方法和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，尚未形成完整體系。亟需加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)體系研究，以及臨氫材料選用、定期檢驗(yàn)、輸氫設(shè)備等標(biāo)準(zhǔn)制定工作。在標(biāo)準(zhǔn)的具體技術(shù)內(nèi)容方面也還需加強(qiáng)研究。例如：T/CATSI 05003—2020雖然規(guī)定了加氫站儲氫容器材料、設(shè)計、制造及使用管理等要求，但大多數(shù)是原則性和指導(dǎo)性規(guī)定，對具體方法和技術(shù)細(xì)節(jié)的規(guī)定不足，亟需補(bǔ)充和完善。