高壓氫氣儲運過程的泄漏研究

羅啟圭，韓文超，姜永善，何琦

（中國特種設備檢測研究院，北京 100029）

氫能作為清潔能源，已經成為各國優先發展的新能源產業，更是進入我國十四五規劃和2035年遠景目標綱要，成為21世紀優先發展的新能源產業之一，氫能的儲運以及加氫站的建成是氫能利用的重要環節。受成本和技術的影響，目前加氫站用氫以及工業氫氣的運輸以短途運輸為主，主要方式為高壓氫氣長管拖車運輸。長管拖車是將若干支大容積鋼制高壓儲氫氣瓶裝配一起，并在頭部通過管路連接以進行氫氣充裝的移動式壓力容器。因長管拖車運輸的高壓氫氣壓力達到20MPa，且氫氣存在密度輕、分子小易擴散的特點，氫氣在運輸或者充卸過程中易出現泄漏擴散的情況，另一方面，因氫氣無色無味，泄漏不容易發現，一旦發生氫氣聚集，遇明火低燃點爆燃而引起事故。因此，對高壓氫氣儲運過程中的泄漏問題研究對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輸過程中易產生泄漏的端塞和各類附件入手，研究泄漏機理并提出應對措施。

1 氫氣長管拖車結構簡述

長管拖車總體分為行走機構、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構上的前后支撐板上。氣瓶后端通過端塞、管路等連接裝置將所有氣瓶連通并設置氫氣充卸口、排污管路等，同時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 泄漏分析及應對措施

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螺紋連接，加密封墊以保證密封性，在密封面外部通常還進行膠封處理。經過上述密封處理，運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，可見均為細小的泡沫慢慢鼓出，有的滲漏甚至得持續觀察一段時間才能分辨出。

圖2 端塞泄漏

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

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

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。因工作承壓達到20MPa且氫氣分子易擴散，這幾種附件在長管拖車運行中都有可能發生泄漏。

閥門布置在后端，主要有進氣瓶閥、進氣主閥、排污閥、壓力表閥幾種，閥門的泄漏原因主要有以下兩點：氫氣長管拖車運行時間長久或反復充裝氣體導致閥門功能失效，造成閥門內漏，這種泄漏以球閥常見并在高壓和低壓狀態都有可能發生；閥門連接處密封面材料因時間長久或腐蝕出現損壞導致密封失效產生外漏，外漏同樣可因閥門未擰緊或螺紋損壞而產生。另外，閥門內漏因為是閥門功能引起且泄漏發生在管路里，在外部難以觀察到，一般在做閥門密封性試驗的時候可檢測到，外漏則可直接通過測漏檢測到具體部位，如圖3所示。接頭的泄漏重點關注充裝氫氣接頭在充卸過程中的泄漏，由于未規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行的關鍵部件，壓力表能反應氣瓶內壓力狀態，爆破片和易熔塞更是保證在瓶內超壓以及發生火災時，氫氣能安全泄放從而預防嚴重事故發生。壓力表的泄漏主要發生在連接密封處，同樣是因為密封材料失效和松動引起，如圖4所示。爆破片和易熔塞的泄漏除了瓶內超壓或火災事故，兩者發揮功能泄放外，還存在未定期更換爆破片裝置導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生萎縮，不再起密封及保護作用。

圖4 壓力表泄漏

附件泄漏的防范措施主要如下：定期進行附件的校準及更換，壓力表按規定半年校準，爆破片裝置控制在兩年一換；定期進行閥門及附件的測漏檢驗，對于泄漏的閥門和接頭應及時進行維修更換處理；氫氣的充卸操作務必規范化，充卸軟管定期檢驗更換，避免充卸接口氫氣大面積泄漏導致事故發生。

3 結語

氫氣儲運過程中泄漏的研究對氫能安全使用具有積極意義，本文以氫氣長管拖車為例，從使用運行過程中易發生泄漏的端塞和附件著手，揭示了短途氫氣運輸過程泄漏原因并提出應對措施，主要有以下幾點：

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

（2）閥門因使用年限長，反復充卸氣體導致氫氣內漏；密封材料損傷、螺紋磨損、連接松動導致閥門外漏；爆破片及易熔塞的超時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）定期進行整車泄漏檢測、定期進行連接附件和安全附件的校準和更換、氫氣充卸過程規范化操作等都能有效降低端塞和附件泄漏的風險，從而避免安全事故的發生。