加氫站鋼帶錯繞式高壓儲氫容器檢驗相關問題探討

李趙

上海市特種設備監督檢驗技術研究院（上海 200062）

面對能源安全和環境污染帶來的雙重挑戰，人們迫切尋求一種不依賴于傳統化石燃料的新能源。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，能源危機和環境污染的矛盾日益增長。氫能源作為具有遠大發展潛能的二次能源[1]已經成為全球各大汽車廠商研發的熱點。其中，豐田汽車公司是汽車領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氫能源汽車，并注重實施產業化布局。新能源汽車產量持續大幅增長，新能源產業已成為國家戰略性新興產業。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展空間。我國頒布實施的《國家創新驅動發展戰略綱要》[2]等重要文件對于氫能源汽車發展也具有一定指導作用，并明確提出預計到2030年，我國氫燃料電池汽車數量將達到200萬輛。另外，我國汽車工程學會預測，我國氫能源汽車產業生產總值將會達到萬億元以上，與之同時氫燃料電池汽車也將成為氫能源利用的主要產業之一。氫燃料電池汽車和其他氫能利用裝置的核心基礎設施是加氫站，加氫站的補助政策也已相繼出臺以完善氫能產業鏈。目前，我國氫能源汽車主要集中在商用車領域，為了促進氫能源汽車在商用車和乘用車領域的共同發展，加氫站的建設成為氫能源汽車及其他氫能源產業發展的重要一環。我國加氫站建設已由起步階段逐步走向快速發展階段，隨之而來的風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展，使得相關設備、管道更容易發生泄漏、爆炸等事故；另一方面，氫燃料汽車的發展必將導致加氫站更多地出現在人流量較大的地方，發生意外事件可能會造成嚴重的后果。所以，若能及時發現或者識別潛在風險，進而采取有效措施，將顯著降低危害發生率。

目前，鋼帶錯繞式高壓儲氫容器（以下簡稱“儲氫容器”）被廣泛應用于加氫站中，也是當前主要的儲氫設備，其壓力高于供氫系統[3]。為了適應氫能源電池汽車以及氫能源相關產業的快速發展需求，繼續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易燃易爆，加氫站用儲氫容器存在泄漏和爆炸等潛在風險。截止到2021年，上海地區已完成的加氫站為9座，陸續將達到檢驗周期[4]。因此，研究儲氫容器的基本特性、在定期檢驗的基礎上進行風險評估，對于保障儲氫容器的基本安全，促進氫能源汽車及其產業長期穩定發展具有重要作用。

本研究在分析加氫站用儲氫容器基本情況的基礎上，對可能存在的安全隱患進行綜述，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、設計制造等方面，T/CATSI 05003—2020《加氫站儲氫壓力容器專項技術要求》提出了具體的規范要求，適用于設計壓力大于41 MPa、設計溫度介于-40～85℃，主要在車用氫燃料儲氫容器的應用下完成儲存。此外，針對實際應用中的塑性垮塌、局部過度應變等失效模式評估提出了相應的評價指標。焊接試驗需要在臨氫環境中，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行慢應變速率拉伸試驗，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行批量檢測。在使用過程中，應充分考慮儲氫容器的疲勞壽命，同時也需要實時監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%的設計壓力內，并保證記錄裝置完好，能夠實現對相關數據的長期記錄、保存。

2 儲氫容器的特點

通過對國內加氫站儲氫容器相關文獻的學習和調研，發現加氫站高壓儲氫容器具有以下特點。

2.1 高純度高壓氫環境下氫脆危險較大

加氫站可以分為兩大類，分別為：35 MPa，其設計壓力取值為45～50 MPa；70 MPa，設計壓力提升到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境溫度。雖然在正常工作條件下溫度不高，但為確保實現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數達到99.999%以上[5]。儲氫容器的使用環境為高壓高純度氫氣，長期置于其中容易出現高壓氫脆，不但會引起容器塑性損減、出現疲勞裂紋，也會進一步加快容器擴展速率，導致耐久性降低等，進而嚴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，疲勞破壞風險大

目前，加氫站用儲氫容器的壓力波動次數在103～105次的低周疲勞范疇，今后會進一步提高，而且壓力波動范圍較大，通常為20%～80%的設計壓力。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，一旦出現失效將會產生嚴重危害。GB 50516—2012《加氫站技術規范》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。本研究假設儲存壓力為45 MPa、溫度為20℃，即使是實現三級加氫站的要求，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，加氫站一般設立在靠近道路的位置，附近人流密集、車流量大，一旦發生爆炸，將嚴重影響人民財產及人身安全，同時造成嚴重的社會影響。

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、局部過度應變和泄漏。[6]

3.1 塑性垮塌

在進行儲氫容器壓力設計時，塑性垮塌的判定一般以壓縮機的最高排氣壓力為準。如果在置換過程中儲氫容器存在不當操作，會導致出現化學爆炸，進而出現失效。

3.2 脆性斷裂

氫本身屬于相對活潑的化學元素，可以與大多數元素結合發生反應，導致氫脆現象。根據氫來源差異可以將氫脆分成3類，即氫反應氫脆、高壓氫環境氫脆以及內部可逆氫脆，其機制各不相同。加氫站的儲氫容器在高壓環境中工作，一般只考慮高壓氫環境氫脆。高壓氫氣環境中，金屬受到應力和氫的共同作用，如果局部氫濃度達到臨界值，金屬將發生彈性形變、韌性衰減或氫致滯后斷裂的現象。同時，在制造和使用中產生的缺陷，在高壓氫環境下，也可能發生擴展，引發脆性斷裂。

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備，長期處于高壓氫氣環境中，會導致容器的疲勞裂紋迅速擴展，進而顯著降低氫致開裂的應力因子閾值，嚴重威脅儲氫容器的安全。同時，頻繁的壓力波動如果出現在應力集中位置，會導致儲氫容器局部出現永久損傷，壓力波動次數積累到一定數量后就會出現裂紋。另外，在高壓氫氣的作用下，疲勞裂紋擴展速率會進一步加快。特別需要關注的是，國內外加氫站已發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 局部過度應變

如果儲氫容器存在結構不連續情況，其原因極可能是容器材料韌性在塑性垮塌前消耗完，進而出現裂紋而失效。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，引發材料物理性能以及化學性能劣化的風險較大。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于1964年，其容器結構完全由我國自主研發完成，主要產品包括高壓空氣儲罐、高壓氦氣儲罐和高壓氫氣儲罐等[7]。經過近60年的研究與驗證，我國已有扎實的理論基礎和豐富的實踐經驗。針對該容器實施環向、軸向及其剛度和熱應力等應力應變測試、反復升降液壓疲勞強度試驗，以及計算機自動報警監控試驗發現，鋼帶錯繞式壓力容器在應用中具有較多優勢，其中強度、剛度、疲勞強度、可監控性及失效具有抑爆等多方面優良屬性，在經濟性、可靠性等方面也有獨特的發展前景，因此對其的可靠檢驗也成為需重點關注的問題。

依照TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》對儲氫容器進行定期檢驗，結合儲氫容器特點，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%設計壓力的壓力波動次數記錄，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構，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《承壓設備無損檢測 第7部分：目視檢測》中相關規定對儲氫容器實施目視檢測。容器內部腐蝕以及宏觀缺陷問題，可以在小直徑工業內窺鏡的應用下實施檢查，采用100%內窺鏡實現關于容器內表面母材及焊縫的檢驗，并拍照或錄像進行記錄。

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，尤其應注意對箍和半球形封頭間連接焊縫實施強化。NB/T 47013.4—2015《承壓設備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》和NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》規定，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，優先選擇應用磁粉實現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，也要仔細檢查，以便發現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。檢查過程中一旦發現表面缺陷，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焊。如果發現容器中存在腐蝕和機械損傷等，仔細測定其深度、直徑等基本情況，標記并詳細記錄。如果發現存在非正常腐蝕，要詳細研究其原因。

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《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》相關規定，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，單面單側檢查焊縫外側的封頭表面，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，應對對比試塊和模擬試塊進行工藝試驗并編制作業指導書。對于檢測過程中發現的埋藏問題，必須詳細記錄，還要對其實施評級。消除并補焊超標缺陷，必要時進行缺陷安全性評定。

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，應當及時進行耐壓和泄漏試驗。在計算過程中，試驗壓力、溫度等嚴格依照本次定期檢驗所確定（監控）的參數范圍。另外，需要依照TSG 21—2016中的規定，做好準備工作，如安全防護措施、試驗介質等。

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 結語

為保證加氫站高壓儲氫容器的應用安全性，預防和減少事故，促進氫能產業健康發展，結合我國儲氫容器技術發展現狀，需要加快建立氫安全檢驗檢測體系，引導及資助有實力的科研單位開展氫能安全基礎研究，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，形成氫能安全基礎理論體系。同時制定儲氫容器專項安全技術要求，納入壓力容器監察規范等文件中。規范定期檢驗時間、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行評估，避免潛在事故的發生。