我国首部氢系统安全国家标准简介*

张俊峰 欧可升 郑津洋 赵永志 陈霖新 王 赓

(1. 浙江大学化工机械研究所；2. 中国电子工程设计院；3. 中国标准化研究院)

我国首部氢系统安全国家标准简介*

张俊峰1**欧可升1郑津洋1赵永志1陈霖新2王 赓3

(1. 浙江大学化工机械研究所；2. 中国电子工程设计院；3. 中国标准化研究院)

氢系统安全可靠运行及其相关规范标准的研制是氢能高效利用与推广使用的基础。主要介绍了新颁布的国家标准GB/T 29729-2013的关键技术内容：金属与氢相容性、燃烧与爆炸风险控制等；对比分析了GB/T 29729-2013与国际标准ISO/TR 15916的差异，如氢浆系统和固态氢储存系统的安全要求及可再生能源制氢等。

氢系统 氢安全 国家标准

氢能作为重要工业原料，因具有来源多样、洁净环保及可储运等优点，亦被誉为21世纪最具发展前景的能源载体。氢系统是氢能利用的基础部件，主要包括制取、储存和输送系统，其典型设备有高压氢气储罐、氢气瓶、压缩机及长管拖车等[1]。然而，由于技术、基础设施及成本等因素，实现氢经济仍需一个过渡阶段[2，3]。2008年北京奥运会和2010年上海世博会氢能示范项目的开展，有效推广了我国的氢能技术。然而，与许多其他国家一样，我国氢能技术仍有待于进一步推广使用。其中，安全问题仍是氢能技术走向商业化的障碍之一。氢能安全领域的规范标准是氢能技术商业化和实现氢经济的关键。由此，国际氢能技术标委会(ISO/TC 197)和世界各国氢能标准化组织均在不断努力开展氢能安全标准化工作[4]，并已在氢制取、储存及应用等方面颁布了一系列安全标准。

GB/T 29729-2013是我国氢系统安全的第一部国家标准。笔者主要介绍了GB/T 29729-2013的关键技术内容：金属与氢相容性、燃烧与爆炸风险控制等；并对比分析了GB/T 29729-2013与国际标准ISO/TR 15916[5]的差异，如氢浆系统和固态氢储存系统的安全要求及可再生能源制氢等。

1 标准关键技术内容

氢的特殊性质使其成为有价值的燃料，但也决定了其具有一定的危险性[2]。氢系统的危险因素主要包括：氢脆、泄漏和渗漏、超压、低温、固态储氢的危险因素和生理危险。

控制上述危险因素是确保氢系统安全的关键，也是GB/T 29729-2013的主要内容。考虑到相关危险因素的控制难度及其后果的严重性，GB/T 29729-2013重点对金属与氢相容性、燃烧与爆炸风险控制作出安全规定。

1.1金属与氢相容性

氢系统金属材料应与氢具有良好的相容性。常温高压环境下，高纯氢会严重影响金属材料的力学性能[6]。金属材料氢脆是指氢进入金属后，局部氢浓度达到饱和时，会引起金属塑性下降、诱发裂纹或产生滞后断裂的现象[7，8]。因此，压力容器和管道常用金属材料往往不能直接应用于氢系统。根据氢的来源不同，氢脆可分为内部氢脆和环境氢脆，前者是金属材料在冶炼和加工过程中吸收了过量氢而造成的。后者是金属在氢环境中，氢进入金属造成的；两者通常同时发生并相互作用。由氢造成的材料性能劣化使得氢系统的突发型失效风险增加。

常温高压下的氢脆机理研究在世界范围内尚不成熟，美国、日本及加拿大等国家的研究人员对此进行了广泛研究，包括模拟仿真、裂纹萌生扩展预测及氢脆试验等[9～13]。奥氏体不锈钢通常具有较好的抗氢脆性能，但其氢脆现象受环境温度的影响。环境温度升高，其氢脆现象加剧，在200～300K时达到最大值，之后随环境温度升高而减弱，但当其镍当量高于27%时，无论环境温度如何变化，均不会发生氢脆现象[14]。鉴于此，GB/T 29729-2013提出了对金属材料的基本要求和氢脆工程控制方法。

防止氢脆的最有效方法是选择氢脆敏感性低的金属材料，并验证氢系统用金属材料与氢的相容性。

降低金属材料氢脆敏感性的措施有：限制材料硬度和强度在合适水平、最小化残余应力、避免或减少材料的冷塑性变形、考虑受温度变化对金属材料氢脆敏感性的影响以及进行氢脆试验选择抗氢脆材料等。

GB/T 29729-2013在资料性附录中提供了氢环境常用金属材料的相关数据，其中推荐使用的材料有S31603、S31608及6061等。其中，S31603和S31608已成功应用于加氢站用高压储氢容器。

1.2燃烧与爆炸风险控制

氢/氧混合物可引起火灾、爆燃和爆轰。氢气的可燃极限为4%～75%(体积分数)，爆轰极限为18.3%～59.0%(体积分数)，点火能量仅为0.017mJ，极易引起氢系统的燃烧和爆炸。 氢气可通过微小孔隙泄漏，甚至可从材料中渗漏。氢气泄漏入受限空间，一旦被点燃，可引起爆炸；若氢气持续泄漏，可形成喷射火，其热辐射可对其他设备造成影响，并可能危及人员安全。氢系统爆炸是由于其内部温度或压力骤升，且火灾造成材料性能劣化而导致的，其往往导致灾难性后果。例如，运动型多功能车(SUV)中的压缩氢储存系统发生爆炸，距车体15m处的压力波仍高达12kPa，火球最大直径为24m，车体碎片最远距离可达107m[15]。氢气爆轰产生的高速爆轰波可对燃烧区域外的环境产生巨大冲击，并伴随有高温气体的迅速传播。此外，若液氢或氢浆输送管道绝热不充分，则管道外的空气冷凝产生富氧浓缩物亦易使管道周围的材料变得易燃。

熟悉掌握氢的燃烧特性是燃烧与爆炸风险控制的基础。GB/T 29729-2013提供了氢气燃烧特性表、氢气与其他常见燃料的燃烧性能比较表等。尽管建立氢燃烧与爆炸风险的精确预测方法难度较大[16]，但该标准已给出相关工程控制方法。

避免形成氢/氧混合物是燃烧与爆炸风险控制的重要方法，具体措施有：氢系统充氢前，进行泄漏检测和充分吹扫；对易导致氢积聚的密闭空间强制通风；合理处理放空氢气；保持系统正压力；定期对液氢和氢浆储存容器进行升温和清洗，并及时去除杂质等。

杜绝点火源也是燃烧与爆炸风险控制的重要方法之一。设计人员、用户和安全评估人员应高度重视氢系统周围的点火源，及时处理各类电、热和机械点火源，具体措施有：确保氢环境中特定电气设备的本质安全性、防止机械碰撞和摩擦及消除明火等。

人类感官具有局限性，故需借助其他手段来检测氢泄漏。在氢气易泄漏和积聚的位置，应安装氢气检测报警仪或氢火焰检测报警仪。同时，应保证氢系统间的安全间距。此外，应确保液氢和氢浆输送管道充分绝热，并及时清除管道外可燃物。

优化储氢容器结构，提高其本质安全性是燃烧与爆炸风险控制的创新之举。加氢站通常使用的高压氢气储罐绝大多数为高强度钢制整体无缝储罐，存在容积小、泄漏点多及在线安全状态检测困难等缺点[17]。为此，在深入研究和总结长期实践经验的基础上，浙江大学化工机械研究所研发了具有承压、抑爆抗爆及缺陷分散等多种功能的全多层高压储氢容器，其结构如图1所示[17～19]。

图1 多功能全多层高压氢气储罐结构图1——大接管；2——封头接管；3——加强箍；4——外保护壳；5——筒体接管；6——钢带层；7——内筒； 8——斜面焊缝；9——外半球形封头； 10——内半球形封头

多功能全多层高压氢气储罐的可靠性分析表明，该结构储罐能够有效避免整体脆性断裂，具有“只漏不爆”的特性[20]。目前，3台设计压力最高为77MPa、容积最大为5m3的多功能全多层高压氢气储罐已在北京某加氢站成功投入使用，其设计标准GB/T 26466-2011也已颁布。

2 与国际标准ISO/TR 15916的差异

国际标准ISO/TR 15916于1997年提出，历时7年，于2004年2月15日颁布[5]。为使其具有更为广泛的通用性，国际氢能技术标委会(ISO/TC 197)于2010年成立第16号工作组(WG16)开展修订ISO/TR 15916的工作。我国氢能标准化技术委员会(SAC/TC 309)作为WG16的主要成员积极参加了修订工作。

新颁布的国家标准GB/T 29729-2013于2008年提出，并于2010年完成，与ISO/TR 15916相比，它涵盖了更为广泛的氢系统安全关键要素，并首次给出了氢浆系统和固态氢储存系统的基本安全要求。笔者主要介绍了两者之间的差异。

2.1氢浆系统

氢浆因其密度大已在航天领域广泛应用。利用氢浆可减轻储氢系统的体积和重量，并可消除或减少液态氢储存所产生的密度低、低潜热所导致的保温时间短以及排放率高等问题[21]。表1中列出了氢系统安全的主要标准。美国宇航局和美国航空航天学会制定的标准NSS 1740.16和AIAA G-095给出了氢浆系统的设计和使用要求[22，23]，此内容在ISO/TR 15916中并未体现。考虑到氢能技术的发展趋势，GB/T 29729-2013给出了氢浆系统安全的基本要求和指导准则。

表1 氢系统安全的主要标准

GB/T 29729-2013给出了氢浆的蒸汽压、体积变化率、热分层及时效等物理性质。氢浆系统除具有氢气和液氢系统中常见的危险因素外，还有其特有的危险因素，如当氢浆的蒸汽压小于大气压时，空气容易进入氢浆系统；氢浆中的固相融化会引起体积急剧增大；氢浆中的固氢颗粒时效会导致颗粒沉降甚至氢浆流超压。

液氢系统的风险控制方法同样适用于氢浆系统。同时，氢浆的特殊性质决定其需要特殊的安全要求和指导准则，如氢浆操作在更低温度下进行，需加倍谨慎；应及时清除积聚在阀座、仪表端口和泄压阀口的固体颗粒，以免阻塞；氢浆输送管道设计应考虑消除流动分离及颗粒沉降等。

2.2固态氢储存系统

ISO/TR 15916仅在资料性附录中提供了常见储氢化合物有关安全的基本数据，并未提及固态氢储存系统的危险因素和固态氢储存系统的设计和使用准则。

近年来，氢化物的应用备受关注，尤其是用于氢储存的金属氢化物。金属氢化物储氢具有体积密度大及安全性能好等优点[24]。目前，固态氢储存已成为一种重要且应用广泛的储氢方法[25]。现有固态氢储存系统分为金属氢化物储存系统、复杂氢化物储存系统等。关于固态氢储存的标准有国际标准ISO 16111[26]。

GB/T 29729-2013给出了有关固态氢储存的危险因素，如金属氢化物具有相对较高的反应热和相对较低的热导率，由此可能引发储存系统的超压；储存有氢的氢化物粉末存在泄漏和燃烧的风险；部分氢化物具有毒性等。

GB/T 29729-2013还提供了固态氢储存系统的设计和使用准则，如设计储存系统时应考虑其特有的压力-温度特性和氢化物的反应动力学问题，储存容器的设计中应含有热交换结构等。

2.3可再生能源制氢

ISO/TR 15916中有关制氢技术特别是可再生能源制氢的内容不多。然而，在过去十年里，制氢技术取得了巨大进步。氢是一种无碳排放的清洁能源，能利用可再生能源制取是其最佳制取方式[27]。可再生能源制氢主要包括太阳能-热化学法、太阳能电解水、风能电解水及生物能电解水等。

在过去的几十年里，因缺乏经济的能源储存技术，使得环境友好型的风能和太阳能的使用仍然受限[28]。将制氢技术与风能或太阳能发电相结合是解决其电能储存问题的重要途径[29]。可再生能源(尤其是风能、太阳能)电解水制氢，是一种相对成熟并且前景光明的制氢方法[30]。

GB/T 29729-2013全面介绍了现有主要的制氢系统，并对典型制氢系统进行了深入介绍，典型制氢系统的结构图均列入资料性附录。图2给出了风能和太阳能联合电解水制氢系统流程框图，此制氢系统可以实现资源的有效利用，并能克服风能和太阳能难以储存的缺点。

图2 风能和太阳能电解水制氢系统流程框图

3 结束语

笔者重点讨论了GB/T 29729-2013中的关键技术内容，即氢脆、燃烧与爆炸的影响因素及其风险控制方法。金属与氢相容性、燃烧与爆炸风险控制是氢系统安全的关键，应予以高度重视。GB/T 29729-2013与国际标准ISO/TR 15916的主要区别包括：氢浆系统和固态氢储存系统安全的基本要求和有关可再生能源制氢的内容。GB/T 29729-2013涵盖了影响氢系统安全的所有因素，以指导氢系统的设计、制造与使用。GB/T 29729-2013作为我国第一部氢系统安全国家标准，将在促进氢能技术发展及提高其市场和社会认可度等方面发挥积极作用。

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NewChinaNationalStandardsonSafetyofHydrogenSystems:KeysforUnderstandingandUse

ZHANG Jun-feng1, OU Ke-sheng1, ZHENG Jin-yang1, ZHAO Yong-zhi1,CHEN Lin-xin2, WANG Geng3

(1.InstituteofProcessEquipment,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China;2.ChinaElectronicsEngineeringDesignInstitute,Beijing100840,China;3.ChinaNationalInstituteofStandardization,Beijing100191,China)

The safe and reliable operation of hydrogen safety system and the preparation of codes and standards thereof benefit hydrogen energy’s widespread use. Key points of the newly-issued GB/T29729-2013 Standard were introduced, including the metal hydrogen compatibility and the risk control of flammability and explosion; the differences between it and ISO/TR 15916 Standard, such as the safety requirements for slush hydrogen systems and solid state hydrogen storage systems were compared and analyzed.

hydrogen systems, hydrogen safety, national standards

*国家高技术研究发展计划“863” 资助项目(2012AA051504)。

**张俊峰，女，1990年9月生，硕士研究生。浙江省杭州市，310027。

TQ086

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0254-6094(2015)02-0157-05

2014-05-19，

2015-03-19)