关于高压气态储氢罐防雷防静电措施分析

刘 姣 杨礼科 杨 军

（1.成都市防雷中心，四川 成都 610041；2.中国科学院大学，北京 100049）

前言：

氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源，可有效减轻废气排放所造成的空气污染、缩减外国石油进口和减少温室气体排放，因此，大力发展氢能源汽车是我国转变能源消费结构、保障能源安全、使经济保持可持续发展的重要举措。加氢站有利于实现氢能利用，它是氢能燃料电池汽车、氢能燃料分布式发电等氢能利用技术推广应用的必备基础设施。

加氢站氢气储罐是高压气态氢储存的关键设备，高压储氢罐由于材料结构上的缺陷和氢的理化性质，很容易遭受雷击或产生静电而引发火灾。因此，做好储氢罐的防雷防静电措施，具有十分重要的意义。本文分析了储氢装置技术的发展和高压气态储氢罐的结构材质，从高压储氢罐遭受雷击或静电引发火灾的原因入手，提出防雷防静电的技术措施，以加强加氢站的高压储氢罐的安全管理。

1.储氢技术的发展

1.1 氢的储存技术

现有的氢气储存技术包括高压气态储氢、液氢储存、金属氢化物储氢、低温吸附储氢、纳米碳管高压吸附储氢以及液体有机氢化物储氢等 ；高压储氢可在常温下使用，具有储氢罐结构简单、压缩氢气制备的能耗较少、充装速度快等优点, 已成为现阶段氢能储运的主要方式。低温液态储氢是将氢气冷却至-253℃，液化储存于低温绝热液氢罐中，储氢密度较高，但液化过程能耗较高，储存过程中存在蒸发损耗问题。国内液氢已在航天工程中成功使用，民用还未开发。后面几种储氢方式现正在研发当中。

目前国内外已建汽车加氢站，基本上采用氢气储气瓶组或固定储氢罐两种方式，氢气储氢瓶组有集装式长管储气瓶，其储氢量较大可达数千至数万立方米，也有采用小容积氢气钢瓶储气，但氢气储气量较小，且占地面积较大。20MPa高压储氢瓶组，通过长管拖运车运到加氢站，作一级储氢。目前，车用氢气储瓶压力有35MPa和70MPa两种，车用35MPa氢瓶最高储罐压力为45MPa，车用70MPa氢瓶最高储罐压力为90MPa。

1.2 高压气态储氢容器的发展

固定式储氢高压容器包括单层钢质高压容器、多层钢质高压容器和复合材料高压容器，多层钢质高压储存容器又分为层板包扎储氢高压容器和全多层储氢高压容器。复合材料高压容器又分为钢内胆玻璃增强纤维储氢容器、钢内胆碳纤维全缠绕容器、铝内胆碳纤维全缠绕容器和塑料内胆全缠绕容器。

高压储氢罐，从单层到多层到复合层，可分四型：Ⅰ型瓶由金属钢组成；II型瓶采用金属材质为主，但是外层已经缠绕玻璃纤维复合材料；III型、IV型瓶则主要是基于碳纤维增强塑料材料，前者内胆多为铝合金，后者内胆为塑料，铝合金和塑料内衬为防止钢材的氢脆发生，外部通过碳纤维增强塑料缠绕加工而成。从Ⅰ型到Ⅳ型，壁厚降低了75%。Ⅰ型、Ⅱ型重容比大，是目前加氢站主要采用固定储氢方式；Ⅲ型、Ⅳ型因采用了纤维全缠绕结构，具有抗疲劳性能好、重容比小、单位质量储氧密度高等优点，但由于容积受限的原因，且成本太高，目前主要用于氧燃料电池汽车。

1.2.1 单层钢质容器

单层旋压无缝储氢高压容器（大无缝瓶式储氢高压容器），设计压力41MPa、50MPa，外直径≤559mm，有效容积1000L，生产企业有安瑞科、蓝能、南亮。

1.2.2 多层钢质储氢高压容器

全多层储氢高压容器：浙江大学研制，双层半球形封头+钢带错绕筒体；设计压力50MPa、70MPa、98MPa，容积2.0m3、5.0m3、7.3m3、10.0m3等。

层板包扎储氢高压容器：结构：单层半球形封头+多层包扎筒体，设计压力为41MPa、50MPa、70MPa、98MPa；容积为0.053m3、 0.3 m3、0.9m3、1.0m3、2.0m3、 5.0m3、7.3m3。

1.2.3 复合材料高压容器

金属内衬+玻璃增强纤维储氢容器：是在单层钢制油罐的基础上外附一层玻璃纤维增强塑料防渗外套，构成双层罐。这种罐具有双层罐的共同特点外，还由于其外层玻璃纤维增强塑料罐体抗土壤和化学腐蚀方面远远优于钢制油罐。

玻璃增强纤维材料，又叫玻璃钢，原材料主要是树脂，树脂是热固性塑料，使用温度高，经玻纤和石棉填充后，阻燃性大大增加，如果给它加热，一般在200℃以上开始分解。具有蠕变性小，形状稳定，电绝缘性能好，绝缘电阻和介质强度高等优点。

在树脂中添加抗静电剂，以改善复合材料的表面性能，提高导电性。防止使用时产生静电的危害。在制造标准中要求玻璃钢罐工作面的表面电阻率不大于1×108欧姆，按照国标《防止静电事故通用导则》“在任何条件下，体积电阻率大于1×106欧姆米，小于1×106欧姆米的物料及表面电阻率大于1×107欧姆米，小于1×1011欧姆米的固体表面”，该玻璃钢罐工作面属静电亚导体。静电亚导体的导静电性能处于静电导体和静电非导体之间。在静电发生率不大的情况下，只要对静电亚导体可靠接地，就能避免静电危害。但在静电发生率很大的情况下，接近电阻率上限的静电亚导体，也能积累较多的静电，因此除接地外，还应采取其他消除或防止静电的措施。

2.储氢罐爆炸风险分析

2.1 氢气的理化性质

氢气在常温常压下为气态，密度仅为0.0899千克/立方米，仅是空气重量的1/14，是质量最轻的气体。作为易燃气体，它属于Ⅰ类危险品（非燃料），空气中爆炸范围为4.0--75.0，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热即发生爆炸；长期以来被作为危化品管理。氢气其重量扩散系数是汽油12倍，氢气无色无味，发生泄漏后不易被发现。氢气在常温常压下不会对钢产生明显的腐蚀，但当温度超过300℃和压力高于30MPa时，会产生氢脆这种腐蚀缺陷，尤其是在高温条件下。

2.2 储氢罐发生燃烧爆炸风险

氢原子是已知元素中的最小原子，在高压工作状态下，氢原子易通过钢材晶格间隙进入钢材内部，聚集在钢材内部的裂纹缺陷中，在裂纹缺陷中氢浓度增大则容易破坏钢材的晶格结构，使钢材裂纹扩大，产生氢脆现象，则钢材强度降低而使容器损坏。目前加氢站单层储氢罐所用的钢材由于造价的原因，多为普通钢材如螺纹钢，易受到氢的腐蚀形成氢脆。多层储罐虽采用了优质钢材，但也主要是在直筒部分进行包裹，封头部分仍采用普通钢材，仍有可能产生氢脆现象。

储罐长期高于一定温度下储存气体，或罐壁长期承受过高压力，其屈服度和强度降低，引起塑性破坏，从而导致压力容器从应力集中地方开始出现微小裂纹，裂纹两端在交变应力作用下不断扩展，最后导致压力容器破坏。阳光直射时储罐里的氢气被加热升温，罐内气体压力升高，气体在顶部空间积聚，达到一定的压力后可燃气体会外泄排出。

直击雷击中储罐，会产生强烈的热效应，其产生的电弧中心温度高达上万度，可以将储罐的罐壁烧穿。站址附近发生雷击时，会在罐体机械密封突出的金属件之间引起火花放电，就形成了危险的点火源。储罐里的氢气因各种原因发生泄漏，遇火源氢气很容易被点燃，引发火灾，另外大量的氢气被释放在空气来不及扩散，当氢气和空气的混合物高于4vol%时，就会发生爆炸。

高压气态氢储罐要做到安全运行，首先是优化储氢罐工艺设计、储存方式，其次是清除雷击或静电火花风险。

3.储氢罐防雷设计

储氢罐为露天布置，主要考虑对储罐防直击雷和防静电感应。雷击事故最严重的情况是雷电直接击中储罐，如果储罐安装有符合要求的防雷设施，能迅速将雷电流泄放到接地装置，能够承受雷电电流的冲击而不被击穿。

3.1 防雷等级划分

按照《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》中有关规定，氢气罐的周围空间规定为1、2区爆炸危险场所，依据《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）3.0.3中有关第二类防雷建筑物规定，1区，且电火花不易引起爆炸或不致造成巨大破坏和人身伤亡者，2区爆炸危险场所的建筑物，有爆炸危险的露天封装钢质气罐，防雷等级为二类。

3.2 直击雷防护

3.2.1 储罐接闪性分析

金属类储氢罐壁壁厚远大于4mm，按规范要求是可利用罐本体作为接闪器。由于氢气特有的理化性质，质量轻、比其他气体更易泄漏，罐体易发生氢脆，所以不能作为接闪器使用。玻璃增强纤维材料作为非金属储罐，雷击的高温及能量足以引起玻璃钢热固体塑料分解甚至气，本体不能作为接闪器，因此需加设避雷针作为防直击雷设施。

3.2.2 防直击雷措施

避雷针能将雷电流引入大地，以保证储罐的安全，避雷针分为独立避雷针和附设避雷针。独立避雷针是离开建筑物单独装设的；附设避雷针是装设在建筑物上的。一套完整的避雷装置包括接闪器、引下线和接地装置。由于避雷针高度较高，并且具有良好的接地，随着雷云的带电，避雷针上因静电感应而聚集了与雷云相反的电荷，使其针上和附近的电场强度显著增强，所以当雷云开始放电时，电场发生畸变，雷云放电途径由原来可能向被保护建筑物发展的方向转到避雷针本身，然后将雷电流按预定通路导入大地。

储罐表面上安装避雷短针。在采用独立避雷针难以实现时，可在储罐罐顶护栏处安装3—4支避雷针。避雷针在护栏处的安装位置应均匀分布。避雷针的规格应满足下列要求：

3.2.2.1 针长＜1m时： 圆 钢为φ12mm；钢 管 为φ20mm。

3.2.2.2 针 长1-2m时：圆 钢 为φ16mm；钢 管 为φ25mm。

3.2.3 引下线设置

引下线不少于两根，采用热镀锌圆钢或扁钢，明敷设置，以最短路径接地，圆钢直径不小于10mm，扁钢截面不小于80mm2，距离储罐壁距离大于0.1m。

3.3 防雷防静电接地

储罐在运行过程中，会在罐体设备壁上产生静电现象，由于电荷量的积累，极易引起电火花，造成火灾，甚至爆炸。因此，需要有良好的接地，将积聚的电荷引入大地进行中和。在气流输送管道中央，加设两端接地的金属线或管道静电消除器，以降低管内静电电位。接地装置宜采用耐腐蚀性较好的金属铜材料，从专用埋设的地线接地体引出的接地线，敷设到储罐的静电接地。对于单独敷设的接地导线通常使用厚度要求应≥25×4mm的镀锌扁钢或用截面≥16mm2的铜芯软线作为罐体的支线单独引入。

玻璃纤维具有很好抗腐蚀能力，其储罐不需要做防腐，不会发生因接地材料与牺牲阳极，和强制电流防腐法发生冲突。根据《防止静电事故通用导则》要求，由于玻璃纤维属于非金属材料，因此在该类储罐安装过程中，用直径不小于8mm的铜棒与罐底内部工作面进行连接，其紧密接触面积应大于20cm2，并加设金属箔保证可靠连接，该铜棒接地线在罐内、外应尽量的短，与罐外接地装置经断接卡可靠连接，该接地线不得与防直击雷地线共用。固定设备与接地线或连接线宜采用螺栓连接，连接端子可设置在设备的侧面、设备联合金属支座的侧面或端部位置。金属管道部件及其他隔离绝缘部件（如法兰、胶管接头、喷嘴等），应采用铜芯软绞线跨接引出接地。

储罐的防雷、防静电接地应纳入站内共用接地装置,其接地电阻不宜大于4Ω。距储罐周围3m，作环形接地体，接地装置采用水平接地体和垂直接地体的装置，接地体的埋深为1m，水平接地体采用直径20mm的圆钢，接地体距离储罐的距离为3m，接地干线采用40×4mm的扁钢。静电导体与大地间的总泄漏电阻值在通常情况下均不应大于106Ω。每组专设的静电接地体的接地电阻值一般不应大于100Ω。

4.结论

加氢站属公众场所，来往车辆较多，人员较为密集，一旦发生火灾爆炸，必将对人民群众生命财产造成重大损失。高压氢气储罐不但有可能发生因罐体强度不足( 特别是高强钢脆化 )引起的物理爆炸,而且有可能发生雷击和静电火花引发的火灾、爆炸事故,且其风险程度随罐体容积增大、压力升高而加大。因此必须做好储氢罐的防雷防静电工作,排除高压储氢罐的爆炸风险隐患,确保加氢站的安全运行。