加氫站鋼帶錯繞式高壓儲氫容器檢驗相關(guān)問題探討

李趙

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院（上海 200062）

面對能源安全和環(huán)境污染帶來的雙重挑戰(zhàn)，人們迫切尋求一種不依賴于傳統(tǒng)化石燃料的新能源。清潔、高效、綠色、可再生的氫能已成為近幾年的關(guān)注重點和研究熱點。

在全球汽車總量逐年遞增的背景下，能源危機(jī)和環(huán)境污染的矛盾日益增長。氫能源作為具有遠(yuǎn)大發(fā)展?jié)撃艿亩文茉碵1]已經(jīng)成為全球各大汽車廠商研發(fā)的熱點。其中，豐田汽車公司是汽車領(lǐng)域最早開始布局氫燃料電池的廠家。近幾年，我國也開始積極研發(fā)氫能源汽車，并注重實施產(chǎn)業(yè)化布局。新能源汽車產(chǎn)量持續(xù)大幅增長，新能源產(chǎn)業(yè)已成為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。中央和地方政府相繼頒布了一系列扶持和培育政策，我國的氫能源汽車還有較大發(fā)展空間。我國頒布實施的《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》[2]等重要文件對于氫能源汽車發(fā)展也具有一定指導(dǎo)作用，并明確提出預(yù)計到2030年，我國氫燃料電池汽車數(shù)量將達(dá)到200萬輛。另外，我國汽車工程學(xué)會預(yù)測，我國氫能源汽車產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值將會達(dá)到萬億元以上，與之同時氫燃料電池汽車也將成為氫能源利用的主要產(chǎn)業(yè)之一。氫燃料電池汽車和其他氫能利用裝置的核心基礎(chǔ)設(shè)施是加氫站，加氫站的補(bǔ)助政策也已相繼出臺以完善氫能產(chǎn)業(yè)鏈。目前，我國氫能源汽車主要集中在商用車領(lǐng)域，為了促進(jìn)氫能源汽車在商用車和乘用車領(lǐng)域的共同發(fā)展，加氫站的建設(shè)成為氫能源汽車及其他氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要一環(huán)。我國加氫站建設(shè)已由起步階段逐步走向快速發(fā)展階段，隨之而來的風(fēng)險及安全隱患不容忽視。一方面，為了滿足人們對汽車更高性能的要求和對縮短操作時間的期望，加氫站的儲氫壓力逐漸向70，90 MPa等更高的壓力方向發(fā)展，使得相關(guān)設(shè)備、管道更容易發(fā)生泄漏、爆炸等事故；另一方面，氫燃料汽車的發(fā)展必將導(dǎo)致加氫站更多地出現(xiàn)在人流量較大的地方，發(fā)生意外事件可能會造成嚴(yán)重的后果。所以，若能及時發(fā)現(xiàn)或者識別潛在風(fēng)險，進(jìn)而采取有效措施，將顯著降低危害發(fā)生率。

目前，鋼帶錯繞式高壓儲氫容器（以下簡稱“儲氫容器”）被廣泛應(yīng)用于加氫站中，也是當(dāng)前主要的儲氫設(shè)備，其壓力高于供氫系統(tǒng)[3]。為了適應(yīng)氫能源電池汽車以及氫能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展需求，繼續(xù)提高加氫站的加注壓力迫在眉睫。然而，由于在實際使用中所存在的問題，例如儲存壓力高、容器材料的氫脆傾向及儲存介質(zhì)易燃易爆，加氫站用儲氫容器存在泄漏和爆炸等潛在風(fēng)險。截止到2021年，上海地區(qū)已完成的加氫站為9座，陸續(xù)將達(dá)到檢驗周期[4]。因此，研究儲氫容器的基本特性、在定期檢驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行風(fēng)險評估，對于保障儲氫容器的基本安全，促進(jìn)氫能源汽車及其產(chǎn)業(yè)長期穩(wěn)定發(fā)展具有重要作用。

本研究在分析加氫站用儲氫容器基本情況的基礎(chǔ)上，對可能存在的安全隱患進(jìn)行綜述，并對其檢驗提出參考建議。

1 站用儲氫容器要求

對于儲氫容器的材料選擇、設(shè)計制造等方面，T/CATSI 05003—2020《加氫站儲氫壓力容器專項技術(shù)要求》提出了具體的規(guī)范要求，適用于設(shè)計壓力大于41 MPa、設(shè)計溫度介于-40～85℃，主要在車用氫燃料儲氫容器的應(yīng)用下完成儲存。此外，針對實際應(yīng)用中的塑性垮塌、局部過度應(yīng)變等失效模式評估提出了相應(yīng)的評價指標(biāo)。焊接試驗需要在臨氫環(huán)境中，在焊接試件的奧氏體不銹鋼上，沿焊接接頭垂直方向取6件拉伸試樣，將試樣分成2組，分別在氫氣和空氣中進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸試驗，氫氣和空氣中斷面收縮率平均值的比在0.9以上。鉻鉬鋼儲氫容器在檢驗中，需要對其筒（瓶）體熱處理后的材料性能實施批量檢驗；奧氏體不銹鋼襯里儲氫容器，需要一臺臺實施磁性相檢測，且對其臨氫縱向焊接接頭焊接試件性能進(jìn)行批量檢測。在使用過程中，應(yīng)充分考慮儲氫容器的疲勞壽命，同時也需要實時監(jiān)測和記錄儲氫容器在使用過程中的壓力、溫度，以確保容器壓力波動范圍始終保持在120%的設(shè)計壓力內(nèi)，并保證記錄裝置完好，能夠?qū)崿F(xiàn)對相關(guān)數(shù)據(jù)的長期記錄、保存。

2 儲氫容器的特點

通過對國內(nèi)加氫站儲氫容器相關(guān)文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)和調(diào)研，發(fā)現(xiàn)加氫站高壓儲氫容器具有以下特點。

2.1 高純度高壓氫環(huán)境下氫脆危險較大

加氫站可以分為兩大類，分別為：35 MPa，其設(shè)計壓力取值為45～50 MPa；70 MPa，設(shè)計壓力提升到80～90 MPa，意味著更高的燃料密度和儲氫量。儲氫容器殼體金屬溫度主要取決于大氣環(huán)境溫度。雖然在正常工作條件下溫度不高，但為確保實現(xiàn)氫燃料電池汽車運行中對氫氣純度的需求，儲氫容器中氫氣的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到99.999%以上[5]。儲氫容器的使用環(huán)境為高壓高純度氫氣，長期置于其中容易出現(xiàn)高壓氫脆，不但會引起容器塑性損減、出現(xiàn)疲勞裂紋，也會進(jìn)一步加快容器擴(kuò)展速率，導(dǎo)致耐久性降低等，進(jìn)而嚴(yán)重影響儲氫容器的使用安全性。

2.2 壓力波動頻繁且范圍大，疲勞破壞風(fēng)險大

目前，加氫站用儲氫容器的壓力波動次數(shù)在103～105次的低周疲勞范疇，今后會進(jìn)一步提高，而且壓力波動范圍較大，通常為20%～80%的設(shè)計壓力。儲氫容器的疲勞失效問題將越來越突出。

2.3 壓縮能量大

儲氫容器壓縮能量大，氫氣本身易燃易爆，一旦出現(xiàn)失效將會產(chǎn)生嚴(yán)重危害。GB 50516—2012《加氫站技術(shù)規(guī)范》確定了不同級別加氫站的最大儲氫量，其中一級、二級、三級加氫站的最大儲氫量分別為8 000，5 000，3 000 kg。本研究假設(shè)儲存壓力為45 MPa、溫度為20℃，即使是實現(xiàn)三級加氫站的要求，所需的容積在35 m3左右，依照這一計算結(jié)果，可以得出最少需要39臺900 L的高壓容器。另外，加氫站一般設(shè)立在靠近道路的位置，附近人流密集、車流量大，一旦發(fā)生爆炸，將嚴(yán)重影響人民財產(chǎn)及人身安全，同時造成嚴(yán)重的社會影響。

3 儲氫容器失效模式

儲氫容器的失效模式主要有5種，分別為塑性垮塌、脆性斷裂、疲勞、局部過度應(yīng)變和泄漏。[6]

3.1 塑性垮塌

在進(jìn)行儲氫容器壓力設(shè)計時，塑性垮塌的判定一般以壓縮機(jī)的最高排氣壓力為準(zhǔn)。如果在置換過程中儲氫容器存在不當(dāng)操作，會導(dǎo)致出現(xiàn)化學(xué)爆炸，進(jìn)而出現(xiàn)失效。

3.2 脆性斷裂

氫本身屬于相對活潑的化學(xué)元素，可以與大多數(shù)元素結(jié)合發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致氫脆現(xiàn)象。根據(jù)氫來源差異可以將氫脆分成3類，即氫反應(yīng)氫脆、高壓氫環(huán)境氫脆以及內(nèi)部可逆氫脆，其機(jī)制各不相同。加氫站的儲氫容器在高壓環(huán)境中工作，一般只考慮高壓氫環(huán)境氫脆。高壓氫氣環(huán)境中，金屬受到應(yīng)力和氫的共同作用，如果局部氫濃度達(dá)到臨界值，金屬將發(fā)生彈性形變、韌性衰減或氫致滯后斷裂的現(xiàn)象。同時，在制造和使用中產(chǎn)生的缺陷，在高壓氫環(huán)境下，也可能發(fā)生擴(kuò)展，引發(fā)脆性斷裂。

3.3 疲勞

儲氫容器的另一個常見失效模式是疲勞。高壓儲氫容器本身是加氫站中重要的儲氫設(shè)備，長期處于高壓氫氣環(huán)境中，會導(dǎo)致容器的疲勞裂紋迅速擴(kuò)展，進(jìn)而顯著降低氫致開裂的應(yīng)力因子閾值，嚴(yán)重威脅儲氫容器的安全。同時，頻繁的壓力波動如果出現(xiàn)在應(yīng)力集中位置，會導(dǎo)致儲氫容器局部出現(xiàn)永久損傷，壓力波動次數(shù)積累到一定數(shù)量后就會出現(xiàn)裂紋。另外，在高壓氫氣的作用下，疲勞裂紋擴(kuò)展速率會進(jìn)一步加快。特別需要關(guān)注的是，國內(nèi)外加氫站已發(fā)生多起疲勞引起的筒體、隔膜、彈簧等元件開裂、斷裂事故。

3.4 局部過度應(yīng)變

如果儲氫容器存在結(jié)構(gòu)不連續(xù)情況，其原因極可能是容器材料韌性在塑性垮塌前消耗完，進(jìn)而出現(xiàn)裂紋而失效。部分瓶式容器端塞材料選擇的是35CrMo鍛件，該材料的使用溫度最低為-20℃，而儲氫容器最低工作溫度為-40℃，因此35CrMo鍛件無法滿足儲氫容器的溫度要求。

3.5 泄漏

高壓氫氣侵入非金屬材料中，引發(fā)材料物理性能以及化學(xué)性能劣化的風(fēng)險較大。高壓儲氫容器O形密封圈的材料通常不是金屬材料，在高壓氫氣作用下容易出現(xiàn)失效。

4 儲氫容器的檢驗項目及方法

我國加氫站多采用鋼帶錯繞式壓力容器。鋼帶錯繞式壓力容器首創(chuàng)于1964年，其容器結(jié)構(gòu)完全由我國自主研發(fā)完成，主要產(chǎn)品包括高壓空氣儲罐、高壓氦氣儲罐和高壓氫氣儲罐等[7]。經(jīng)過近60年的研究與驗證，我國已有扎實的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗。針對該容器實施環(huán)向、軸向及其剛度和熱應(yīng)力等應(yīng)力應(yīng)變測試、反復(fù)升降液壓疲勞強(qiáng)度試驗，以及計算機(jī)自動報警監(jiān)控試驗發(fā)現(xiàn)，鋼帶錯繞式壓力容器在應(yīng)用中具有較多優(yōu)勢，其中強(qiáng)度、剛度、疲勞強(qiáng)度、可監(jiān)控性及失效具有抑爆等多方面優(yōu)良屬性，在經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面也有獨特的發(fā)展前景，因此對其的可靠檢驗也成為需重點關(guān)注的問題。

依照TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》對儲氫容器進(jìn)行定期檢驗，結(jié)合儲氫容器特點，檢驗項目主要為宏觀檢驗、埋藏缺陷檢測、壁厚測定、安全附件（含報警裝置）檢驗、表面缺陷檢測、密封緊固件檢驗等，如果有需求也可對其實施耐壓試驗、泄漏試驗等項目[8-9]。資料審查過程中，重點審查儲氫容器的壓力、溫度和壓力波動范圍超過120%設(shè)計壓力的壓力波動次數(shù)記錄，掌握儲氫容器的疲勞損傷情況。

4.1 宏觀檢驗

宏觀檢驗主要采用目視方法檢驗儲氫容器本體結(jié)構(gòu)，幾何尺寸，表面情況（如裂紋、腐蝕、泄漏、變形）和焊縫等。依照NB/T 47013.7—2012《承壓設(shè)備無損檢測 第7部分：目視檢測》中相關(guān)規(guī)定對儲氫容器實施目視檢測。容器內(nèi)部腐蝕以及宏觀缺陷問題，可以在小直徑工業(yè)內(nèi)窺鏡的應(yīng)用下實施檢查，采用100%內(nèi)窺鏡實現(xiàn)關(guān)于容器內(nèi)表面母材及焊縫的檢驗，并拍照或錄像進(jìn)行記錄。

4.2 壁厚測定

壁厚測定一般采用超聲測厚法對有代表性的部位進(jìn)行多點測量。測量點主要在接口座部位、密封塞部位、壓蓋部位，另外也包括宏觀檢驗中的可疑部位等。完成測定后，還需要具體表明異常測厚點。

4.3 表面缺陷檢測

儲氫容器接口座鍛件與半球形封頭需要對接焊縫，在其連接過程中，尤其應(yīng)注意對箍和半球形封頭間連接焊縫實施強(qiáng)化。NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》和NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測》規(guī)定，對接頭外表面實施檢測時，可以采用磁粉檢測或滲透檢測方法實施100%表面檢測，優(yōu)先選擇應(yīng)用磁粉實現(xiàn)對鐵磁性材料制儲氫容器表面的檢測。密封塞及接口座清洗后，也要仔細(xì)檢查，以便發(fā)現(xiàn)存在的損傷和裂紋問題；著重檢查螺母和過渡位置，看是否存在環(huán)向裂紋，如果需要可以對其實施無損檢測。檢查過程中一旦發(fā)現(xiàn)表面缺陷，需對其實施打磨處理，如果缺陷深度過大，在打磨處理后需要補(bǔ)焊。如果發(fā)現(xiàn)容器中存在腐蝕和機(jī)械損傷等，仔細(xì)測定其深度、直徑等基本情況，標(biāo)記并詳細(xì)記錄。如果發(fā)現(xiàn)存在非正常腐蝕，要詳細(xì)研究其原因。

4.4 埋藏缺陷檢測

在儲氫容器接口座鍛件與半球形封頭間對接焊縫檢測中，需要按照NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》相關(guān)規(guī)定，對其實施A型脈沖反射超聲檢測。實際檢測中，探頭的選擇為兩種以上（含兩種）不同K值的斜探頭，單面單側(cè)檢查焊縫外側(cè)的封頭表面，直探頭和兩種以上（含兩種）不同K值的斜探頭平行掃查焊縫外表面。需要注意的是，超聲檢測前，應(yīng)對對比試塊和模擬試塊進(jìn)行工藝試驗并編制作業(yè)指導(dǎo)書。對于檢測過程中發(fā)現(xiàn)的埋藏問題，必須詳細(xì)記錄，還要對其實施評級。消除并補(bǔ)焊超標(biāo)缺陷，必要時進(jìn)行缺陷安全性評定。

4.5 耐壓試驗、泄漏試驗

定期檢驗過程中，若懷疑儲氫容器存在安全隱患，應(yīng)當(dāng)及時進(jìn)行耐壓和泄漏試驗。在計算過程中，試驗壓力、溫度等嚴(yán)格依照本次定期檢驗所確定（監(jiān)控）的參數(shù)范圍。另外，需要依照TSG 21—2016中的規(guī)定，做好準(zhǔn)備工作，如安全防護(hù)措施、試驗介質(zhì)等。

4.6 安全附件和報警裝置檢驗

安全附件檢驗過程中，首先需要確保安全閥的有效期，其次檢驗其安裝位置是否正確及操作靈活性。報警裝置檢驗應(yīng)檢查信號孔的密封性、管路的通暢性、防靜電接地裝置電阻的安全性、傳感器探頭的校驗期及報警儀等。

5 結(jié)語

為保證加氫站高壓儲氫容器的應(yīng)用安全性，預(yù)防和減少事故，促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，結(jié)合我國儲氫容器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，需要加快建立氫安全檢驗檢測體系，引導(dǎo)及資助有實力的科研單位開展氫能安全基礎(chǔ)研究，包括高壓氫接觸部件的耐久性、疲勞、氫脆性能、泄漏等方面的研究，形成氫能安全基礎(chǔ)理論體系。同時制定儲氫容器專項安全技術(shù)要求，納入壓力容器監(jiān)察規(guī)范等文件中。規(guī)范定期檢驗時間、方法和安全等級判定方法，保障加氫站的安全可靠運行。組建國內(nèi)第三方氫安全檢測中心，定期對正在使用的高壓儲氫容器安全性進(jìn)行評估，避免潛在事故的發(fā)生。