物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在瓶式高壓儲氫容器損傷監(jiān)測中的應(yīng)用

摘 要：瓶式高壓儲氫容器是加氫站的主要儲氫容器，屬于危險程度最高的Ⅲ類壓力容器，需要承受45 MPa以上的內(nèi)壓載荷和充放過程的循環(huán)載荷，且氫氣易燃易爆，瓶式高壓儲氫容器一旦失效將會造成嚴(yán)重后果。文中闡述了瓶式高壓儲氫容器的損傷機(jī)理研究現(xiàn)狀，并對監(jiān)測需求進(jìn)行了分析；針對瓶式高壓儲氫容器腐蝕損傷、疲勞損傷、氫脆損傷和加工損傷4種損傷類型，制定了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能監(jiān)測方案，旨在降低瓶式高壓儲氫容器的定期檢驗(yàn)成本，縮短停產(chǎn)周期，提升其服役質(zhì)量和管理效能。

關(guān)鍵詞：加氫站；瓶式容器；高壓儲氫；損傷機(jī)理；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；智能監(jiān)測

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-000-02

0 引 言

目前，世界各國迫切需要解決或緩解環(huán)境惡化和能源短缺問題。在當(dāng)今社會，氫能源作為一種清潔綠色能源，變得越來越重要，并且在國內(nèi)外市場都有廣闊的應(yīng)用前景。加氫站在氫能源利用過程中起到關(guān)鍵作用，其中儲氫裝置通常采用瓶式高壓儲氫容器。瓶式高壓儲氫容器以鋼制無縫氣瓶為主，目前CrMo鋼材是制造大型無縫鋼制氣瓶的主要材料。瓶式高壓儲氫容器能夠承受較高的氣體壓力，存在潛在危險，其安全性能一直倍受關(guān)注。分析可能導(dǎo)致容器失效的原因主要包括腐蝕性開裂、疲勞性開裂、氫致開裂以及制造損傷等。如果長期未對容器進(jìn)行充分監(jiān)測，則微小裂紋有可能擴(kuò)展，最終導(dǎo)致脆性斷裂，進(jìn)而引發(fā)介質(zhì)泄漏等嚴(yán)重事故。我國在瓶式高壓儲氫容器監(jiān)測方面仍存在缺乏統(tǒng)一規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的問題。因此，需要對瓶式高壓儲氫容器的損傷機(jī)理進(jìn)行研究，從而針對不同的損傷類型提出有效的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測方案。

1 損傷機(jī)理研究現(xiàn)狀

1.1 腐蝕損傷

文獻(xiàn)[1]的研究中提出：承裝介質(zhì)的純度不夠會導(dǎo)致鋼瓶產(chǎn)生腐蝕裂紋。在濕H2S環(huán)境和拉應(yīng)力的同時作用下，鋼瓶會發(fā)生局部腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致裂紋形成，拉應(yīng)力會破壞裂紋頂端的脆性氧化膜，從而暴露出新的陽極；裂紋側(cè)面受到鈍化作用形成陰極，出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。文獻(xiàn)[2]對盛裝不同純度氫氣的氣瓶進(jìn)行了比較分析，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)含有大量硫化物和水分，在內(nèi)部壓力作用下容器內(nèi)的殘余液體會在凝聚的位置引發(fā)腐蝕性開裂和腐蝕坑的問題，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致裂紋穿透。文獻(xiàn)[3]研究了材質(zhì)為34CrMo4鋼的氣缸失效機(jī)理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氣缸內(nèi)表面凝結(jié)的CO2酸性水汽會使得鋼材表面出現(xiàn)嚴(yán)重的點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象。以上研究說明，氫氣介質(zhì)中含有其他雜質(zhì)化合物，例如硫化物和CO2，會與水發(fā)生反應(yīng)，形成對瓶體有害的腐蝕環(huán)境，導(dǎo)致氣瓶局部出現(xiàn)腐蝕性損傷。

1.2 疲勞損傷

瓶式高壓儲氫容器在使用過程中會經(jīng)歷典型的疲勞過程。不斷的充壓和泄壓導(dǎo)致容器承受周期性的交替載荷，造成局部區(qū)域應(yīng)力集中，進(jìn)而破壞表面的保護(hù)膜并形成微小裂紋，而這些微小裂紋在有害的腐蝕環(huán)境作用下會加速破壞，最終導(dǎo)致氣瓶的損傷和失效。文獻(xiàn)[4]為了模擬氣瓶的實(shí)際工況，在不同的試驗(yàn)條件下對氣瓶用鋼試樣進(jìn)行腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，結(jié)果表明裂紋擴(kuò)展速率與載荷施加頻率成反比，與應(yīng)力比成正比。文獻(xiàn)[5]通過實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在對瓶式壓力容器充氣時如果操作不規(guī)范，容器內(nèi)壓力很可能超過正常的20 MPa，容器內(nèi)的溫度會隨著壓力的升高而升高，最高溫度可以達(dá)到70～80 ℃，高壓和高溫工況都會加速裂紋擴(kuò)展。以上研究表明，在反復(fù)充放的交變載荷作用下，氣瓶內(nèi)部的氣壓變化和溫度變化都會對氣瓶造成破壞，導(dǎo)致氣瓶局部出現(xiàn)疲勞損傷。

1.3 氫脆損傷

長期的高壓、高純氫氣工況會造成金屬材料的局部塑性降低，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速度加快，設(shè)備耐久性下降，這種現(xiàn)象被稱為高壓氫脆。文獻(xiàn)[6]分析了34CrMo4和30CrNiMo8兩種鋼材的熱處理過程和抗拉強(qiáng)度的變化，研究了氫致應(yīng)力開裂、延遲腐蝕開裂的機(jī)理，針對傳統(tǒng)的和經(jīng)過等溫處理的2類鋼樣本進(jìn)行相同試驗(yàn)條件下的蠕變試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)2類鋼材出現(xiàn)相同的氫致應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象；文獻(xiàn)[3]利用掃描電子顯微鏡觀察鋼材表面裂縫的晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了部分氫脆裂紋，且裂紋起源于腐蝕坑的尖端，其擴(kuò)展受到由氫陷阱產(chǎn)生的空洞的限制。研究表明，在高純度氫工況下，氫原子有可能滲透進(jìn)金屬內(nèi)部，與某些雜質(zhì)結(jié)合形成氫分子；然后逐漸在金屬內(nèi)聚集，逐步對母體材料造成損害，形成一系列氫脆開裂損傷的階梯狀現(xiàn)象。

1.4 制造損傷

由于大型無縫鋼制氣瓶的主要材料為CrMo鋼，一些學(xué)者對CrMo鋼的性能進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[7]通過分析淬火組織應(yīng)力及熱應(yīng)力對34CrMo4鋼淬火裂紋的影響，發(fā)現(xiàn)淬火裂紋主要是由后者造成。文獻(xiàn)[8]在研究中發(fā)現(xiàn)，在生產(chǎn)34CrMo4熱軋無縫鋼管過程中會發(fā)生碎裂現(xiàn)象，通過對其進(jìn)行取樣檢測分析，證明了34CrMo4鋼在淬火、熱軋等工藝中均會產(chǎn)生不同形式的裂紋。文獻(xiàn)[1]中對大型鋼制無縫氣瓶的缺陷進(jìn)行了詳細(xì)分析，研究結(jié)果顯示：在制造氣瓶過程中進(jìn)行高溫擠壓收口時，金屬凝固的層間溫度分布不均勻會導(dǎo)致瓶口部位出現(xiàn)微小裂紋。此外，在制造過程中會產(chǎn)生褶皺和重皮，并在后續(xù)的頻繁充裝和卸載過程中，隨著不斷地膨脹和收縮會形成表面裂紋。以上研究表明，氣瓶在加工過程中會形成加工缺陷，后期使用過程中會進(jìn)一步擴(kuò)展，從而導(dǎo)致氣瓶失效。

2 損傷類型和監(jiān)測需求分析

當(dāng)氣瓶暴露在硫化物或CO2等潮濕環(huán)境時，表面會發(fā)生腐蝕，有效厚度逐漸減小，并在局部區(qū)域形成損傷，損傷區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象會加速腐蝕損傷裂紋的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致氣瓶腐蝕開裂[9-10]。為降低氣瓶腐蝕開裂的風(fēng)險，需要對瓶內(nèi)介質(zhì)中的硫化物或酸性雜質(zhì)濃度、氣瓶關(guān)鍵區(qū)域的厚度變化以及氣瓶內(nèi)外的濕度變化進(jìn)行監(jiān)測，及早發(fā)現(xiàn)潛在的腐蝕損傷問題，采取維護(hù)和修復(fù)措施，確保瓶式高壓儲氫容器的安全運(yùn)行。

在對氣瓶反復(fù)充放過程中，較高的充放壓力、充放速率會引起氣瓶壁關(guān)鍵區(qū)域的應(yīng)力和溫度急劇變化，從而增加氣瓶損傷的風(fēng)險。在反復(fù)充放的交變循環(huán)載荷的作用下，氣瓶壁會產(chǎn)生截面膨脹位移，截面膨脹位移產(chǎn)生的微小形變是引發(fā)裂紋的起始點(diǎn)，因此截面膨脹位移是氣瓶疲勞損傷的重要因素。為確保氣瓶在充裝過程中的有效運(yùn)行，需要對氣瓶內(nèi)部的壓力、溫度和截面膨脹位移進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)疲勞開裂損傷，制定維保計劃，提高氣瓶的安全性。

高壓儲氫瓶式容器長期在高壓、高純氫氣環(huán)境中工作極易導(dǎo)致氫致開裂。在氣瓶加工過程中，受加工工藝和后期使用方式的影響，極易出現(xiàn)瓶口和瓶口螺紋表面裂紋。氫脆損傷裂紋和制造損傷裂紋的影響無法避免，但應(yīng)加強(qiáng)對這2類裂紋開裂狀況的監(jiān)測，防止損傷擴(kuò)展造成氣瓶失效。

3 瓶式儲氫壓力容器智能監(jiān)測方案

根據(jù)對瓶式壓力容器損傷機(jī)理的分析可知，瓶式壓力容器損傷主要有腐蝕開裂、交變載荷下疲勞開裂以及高壓氫脆開裂。本文重點(diǎn)對這些損傷情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。高壓儲氫容器智能監(jiān)測方案的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

針對氣瓶腐蝕開裂損傷狀況，利用超聲波測厚傳感器對氣瓶腐蝕減薄狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，可以實(shí)時監(jiān)測壁厚的變化；利用硫化氫監(jiān)測傳感器對氣瓶內(nèi)硫化氫等雜質(zhì)含量進(jìn)行監(jiān)測；利用濕度監(jiān)測傳感器對氣瓶內(nèi)外的濕度進(jìn)行監(jiān)測，以此實(shí)現(xiàn)對腐蝕開裂損傷狀況的實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警。針對充放過程中產(chǎn)生的交變載荷疲勞損傷，利用壓力傳感器對氣瓶充放過程中瓶體所受壓力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，利用渦流位移傳感器對充放過程中瓶身截面的膨脹量變化進(jìn)行監(jiān)測。針對氣瓶高壓氫脆損傷和制造損傷，利用聲發(fā)射傳感器對裂紋擴(kuò)展?fàn)顩r進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，利用溫度傳感器對氣瓶本體溫度變化進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。針對超聲測厚、渦流位移、聲發(fā)射、硫化氫、濕度、溫度、壓力等類型的傳感器開發(fā)多源數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理；利用數(shù)據(jù)無線傳輸模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸；開發(fā)搭建后臺瓶式壓力容器監(jiān)測預(yù)警平臺，并實(shí)現(xiàn)平臺與監(jiān)測采集系統(tǒng)的對接。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)調(diào)研結(jié)果總結(jié)了瓶式高壓儲氫容器的主要損傷類型為腐蝕損傷、疲勞損傷、氫脆損傷和加工損傷4類；針對不同的損傷類型，設(shè)計了聲發(fā)射、渦流、壓力、溫度、超聲測厚等方面的監(jiān)測手段，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)制定了完整的智能監(jiān)測方案，旨在降低瓶式高壓儲氫容器的定期檢驗(yàn)成本，縮短停產(chǎn)周期，提升其服役質(zhì)量和管理效能。

注：本文通訊作者為徐巍。

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作者簡介：蔡康?。?990—），男，碩士，中級工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)器人設(shè)計與控制、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

徐 ?。?981—），男，博士，中級工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

郭新然（1992—），女，碩士，中級工程師，研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)視覺、機(jī)器人控制技術(shù)。

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周云奕（1997—），女，碩士，中級工程師，研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)視覺、機(jī)器人控制技術(shù)。

石 坤（1971—），男，碩士，研究員，研究方向?yàn)樘胤N設(shè)備智能檢驗(yàn)、人工智能、大數(shù)據(jù)、智慧管理。

收稿日期：2023-09-26 修回日期：2023-10-25

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目（2019YFB1505304）