干货丨超高压临氢系统高压储氢容器的安全性分析

加氢站及氢燃料电池汽车作为氢能的重大方向标，其中产品的性能测试是重中之重。对于市场现有状态，III型瓶、IV型气瓶及高压阀门的公称工作压力集中在35MPa、70MPa，这就需要有一套超高压的临氢系统去对这些产品进行专业的测试。

105MPa超高压临氢系统为一套车载高压储氢罐用高压氢气循环疲劳试验系统，该系统主要可用于公称工作压力为35MPa和70MPa的车载储氢瓶与储氢系统零部件的测试与验证工作。各设备经电气控制系统协调控制完成气瓶的循环充放气测试，系统流程简图如下图所示：

图1 超高压临氢系统原理图

该套系统利用长管拖车给气源缓冲瓶充气，气源缓冲瓶利用高压增压站增压对高压,,气瓶1、2进行充气，高压气瓶1、2通过预冷换热系统/预热换热系统给试验样件进行试验操作，试验完毕后通过回收装置对氢气进行回收，通过回收增压站进入气源缓冲瓶，该套系统具有完整的电气控制系统，可以实现自动化试验的要求。其主要的部分为气源缓冲瓶、高压增压站、高压储气瓶、预冷/预热设备、环境箱、电气控制系统。在整套超高压临氢系统中，高压气瓶作为高压储氢容器的一部分，其设计压力高达98MPa，其安全性成为整个超高压临氢系统中的重中之重。

高压储氢容器的安全性分析

高压储氢容器作为一种储氢装置，有潜在的泄漏和爆炸危险，高压储氢容器的安全性直接影响到整个超高压临氢系统的安全运行，因此对其安全性的研究分析是必不可少的。此套高压临氢系统中的高压储罐的设计压力为98MPa，可满足70MPa、最大230L的储氢气瓶的氢循环试验。为了试验中氢气的纯度要求中，储氢容器中氢气的体积分数通常高于99.999%。

1.1  高压储氢容器分类

常用的固定式储氢容器分为两种结构形式，分别为单层储氢压力容器（包括大容积无缝储氢容器、单层整体锻造式储氢压力容器等）和多层储氢压力容器（包括钢带错绕式储氢容器、层板包扎储氢压力容器等），其中钢质无缝储氢容器有两种类型：固定式（例如加氢站储氢罐）和移动式（例如氢气长管拖车气瓶）。

作为固定式储氢容器的两种不同结构，钢质无缝储氢容器和钢带错绕式储氢容器有着各自的优势和短板，两种储氢压力容器综合对比详见表1

表1 钢质无缝储氢容器和钢带错绕式储氢容器综合对比

1.2  高压储氢容器安全问题分析

可以将高压储氢容器产生的安全问题分为以下4类：①设计问题。由于相关标准设计不够完善或高压储氢容器未能按照相关标准进行设计或制造。②材料问题。高压储氢容器由于长期暴露于氢环境中导致了氢脆或疲劳失效，最终引起设施故障。③连接及密封问题。承力部件包括大螺纹套筒、抗剪螺钉、径向销、大螺栓等结构失效，密封部件包括阀门、法兰、垫片密封结构失效。④操作问题。由于试验操作人员未按照操作手册或相关标准规定对设备进行安装、运行和维护。

1.2.1 设计问题

高压储氢容器是用作储存氢气的特殊设备，是随着氢能发展而出现的新事物。我国对高压储氢容器缺乏系统深入的研究，目前的许多标准都参照国外，因此在技术规范、设计计算等方面可能会存在一些安全隐患。目前，美国储氢容器设计时依照规范标准ASME BPVC VIII《锅炉压力容器规范》，选择材料时依照ASMEⅡ-A《钢基材料》、 ASMEⅡ-D《材料性能》。国际上使用ISO 11114标准对储氢容器进行材料选择，使用ISO11120《150～3000L无缝钢质气瓶设计、制造和试验标准》等对储氢容器进行设计。国内针对站用储氢容器安全性标准规范有《加氢站用储氢装置安全技术要求》，涉及到储氢容器的设计标准主要见表2。

表2  我国储氢容器的设计标准

目前我国无缝管式容器企业在参考设计标准进行疲劳设计过程中，存在两个问题：一是未考虑氢气环境下，容器疲劳寿命是否会发生改变的问题；二是部分新型材料尚未加入标准中，在不考虑氢气影响的情况下，其设计标准是否可用仍是一个问题。随着整个超高压临氢系统的试验频次的增加，充放压次数增加，其气瓶标准下的疲劳寿命可能达不到容器安全运行的条件。因此完善和设立高压储氢容器标准有利于我国氢能的安全发展，最大限度地减小事故发生的可能。

1.2.2 材料问题

高压储氢容器长期暴露于高压氢气的环境下，疲劳裂纹扩展速率显著加快，氢致开裂的应力因子阈值显著降低，严重威胁储氢容器的安全。目前大多数固定式储氢容器筒身多采用细长结构，其中高压储氢容器的直径对其壁厚有着密切的影响，而壁厚又会对储氢容器的制造和使用带来影响，给未来高压储氢容器的正常安全运行带来极大的不稳定性。

氢作为相对活泼的化学元素，可以与大多数元素能发生结合反应，导致容器发生氢脆的现象，而且氢来源不同，其氢脆机理也不相同，其中有氢反应氢脆、内部可逆氢脆、高压氢环境氢脆。由于超高压临氢系统的储氢容器工作在高压环境中，因此一般只考虑高压氢环境氢脆。相对于高压的涉氢环境下，我们必须考虑材料的氢敏感性的问题，选择抗氢脆能力比较好的材质。

1.2.3 连接及密封问题

高压容器的密封装置主要包括两个部分，一部分是承力部件如大螺纹套筒、抗减螺钉、径向销、大螺栓等，其主要用于承担内压引起的轴向力；另一部分是用于保证容器端面及四周能够可靠密封的密封元件，常用的如O形密封圈等。密封元件作为高压储氢容器中极其重要的关键部件，往往是密封装置的一个薄弱环节。由于橡胶在高压和高纯度氢气环境中长期工作，因此可能会发生溶解氢引起的膨胀行为，这将损坏其弹性模量、拉伸强度和其他机械性能。因此在泄露发生的情况下，应首先检查密封装置，确认是否密封圈的损坏及失效。

1.2.4 操作问题

高压储氢容器适用于超高压临氢系统，其存在高压、易燃和易爆炸等潜在的危险因素，若相关操作人员与管理人员的安全意识不足，出现违规操作的情况时，容易引发相应的事故，威胁周边居民及自身的生命。因此，要引导每个操作人员都要参加安全培训，加强一线员工对新安全的认知能力，提高操作人员的技术能力，这是超高压临氢系统安全管理的核心。并且，必须加强对高压容器安全操作的管理力度，在此基础上维护并延长设备的使用寿命，保障高压容器的运行安全。