加氢站钢带错绕式高压储氢容器检验相关问题探讨

李赵

上海市特种设备监督检验技术研究院（上海 200062）

面对能源安全和环境污染带来的双重挑战，人们迫切寻求一种不依赖于传统化石燃料的新能源。清洁、高效、绿色、可再生的氢能已成为近几年的关注重点和研究热点。

在全球汽车总量逐年递增的背景下，能源危机和环境污染的矛盾日益增长。氢能源作为具有远大发展潜能的二次能源[1]已经成为全球各大汽车厂商研发的热点。其中，丰田汽车公司是汽车领域最早开始布局氢燃料电池的厂家。近几年，我国也开始积极研发氢能源汽车，并注重实施产业化布局。新能源汽车产量持续大幅增长，新能源产业已成为国家战略性新兴产业。中央和地方政府相继颁布了一系列扶持和培育政策，我国的氢能源汽车还有较大发展空间。我国颁布实施的《国家创新驱动发展战略纲要》[2]等重要文件对于氢能源汽车发展也具有一定指导作用，并明确提出预计到2030年，我国氢燃料电池汽车数量将达到200万辆。另外，我国汽车工程学会预测，我国氢能源汽车产业生产总值将会达到万亿元以上，与之同时氢燃料电池汽车也将成为氢能源利用的主要产业之一。氢燃料电池汽车和其他氢能利用装置的核心基础设施是加氢站，加氢站的补助政策也已相继出台以完善氢能产业链。目前，我国氢能源汽车主要集中在商用车领域，为了促进氢能源汽车在商用车和乘用车领域的共同发展，加氢站的建设成为氢能源汽车及其他氢能源产业发展的重要一环。我国加氢站建设已由起步阶段逐步走向快速发展阶段，随之而来的风险及安全隐患不容忽视。一方面，为了满足人们对汽车更高性能的要求和对缩短操作时间的期望，加氢站的储氢压力逐渐向70，90 MPa等更高的压力方向发展，使得相关设备、管道更容易发生泄漏、爆炸等事故；另一方面，氢燃料汽车的发展必将导致加氢站更多地出现在人流量较大的地方，发生意外事件可能会造成严重的后果。所以，若能及时发现或者识别潜在风险，进而采取有效措施，将显著降低危害发生率。

目前，钢带错绕式高压储氢容器（以下简称“储氢容器”）被广泛应用于加氢站中，也是当前主要的储氢设备，其压力高于供氢系统[3]。为了适应氢能源电池汽车以及氢能源相关产业的快速发展需求，继续提高加氢站的加注压力迫在眉睫。然而，由于在实际使用中所存在的问题，例如储存压力高、容器材料的氢脆倾向及储存介质易燃易爆，加氢站用储氢容器存在泄漏和爆炸等潜在风险。截止到2021年，上海地区已完成的加氢站为9座，陆续将达到检验周期[4]。因此，研究储氢容器的基本特性、在定期检验的基础上进行风险评估，对于保障储氢容器的基本安全，促进氢能源汽车及其产业长期稳定发展具有重要作用。

本研究在分析加氢站用储氢容器基本情况的基础上，对可能存在的安全隐患进行综述，并对其检验提出参考建议。

1 站用储氢容器要求

对于储氢容器的材料选择、设计制造等方面，T/CATSI 05003—2020《加氢站储氢压力容器专项技术要求》提出了具体的规范要求，适用于设计压力大于41 MPa、设计温度介于-40～85℃，主要在车用氢燃料储氢容器的应用下完成储存。此外，针对实际应用中的塑性垮塌、局部过度应变等失效模式评估提出了相应的评价指标。焊接试验需要在临氢环境中，在焊接试件的奥氏体不锈钢上，沿焊接接头垂直方向取6件拉伸试样，将试样分成2组，分别在氢气和空气中进行慢应变速率拉伸试验，氢气和空气中断面收缩率平均值的比在0.9以上。铬钼钢储氢容器在检验中，需要对其筒（瓶）体热处理后的材料性能实施批量检验；奥氏体不锈钢衬里储氢容器，需要一台台实施磁性相检测，且对其临氢纵向焊接接头焊接试件性能进行批量检测。在使用过程中，应充分考虑储氢容器的疲劳寿命，同时也需要实时监测和记录储氢容器在使用过程中的压力、温度，以确保容器压力波动范围始终保持在120%的设计压力内，并保证记录装置完好，能够实现对相关数据的长期记录、保存。

2 储氢容器的特点

通过对国内加氢站储氢容器相关文献的学习和调研，发现加氢站高压储氢容器具有以下特点。

2.1 高纯度高压氢环境下氢脆危险较大

加氢站可以分为两大类，分别为：35 MPa，其设计压力取值为45～50 MPa；70 MPa，设计压力提升到80～90 MPa，意味着更高的燃料密度和储氢量。储氢容器壳体金属温度主要取决于大气环境温度。虽然在正常工作条件下温度不高，但为确保实现氢燃料电池汽车运行中对氢气纯度的需求，储氢容器中氢气的体积分数达到99.999%以上[5]。储氢容器的使用环境为高压高纯度氢气，长期置于其中容易出现高压氢脆，不但会引起容器塑性损减、出现疲劳裂纹，也会进一步加快容器扩展速率，导致耐久性降低等，进而严重影响储氢容器的使用安全性。

2.2 压力波动频繁且范围大，疲劳破坏风险大

目前，加氢站用储氢容器的压力波动次数在103～105次的低周疲劳范畴，今后会进一步提高，而且压力波动范围较大，通常为20%～80%的设计压力。储氢容器的疲劳失效问题将越来越突出。

2.3 压缩能量大

储氢容器压缩能量大，氢气本身易燃易爆，一旦出现失效将会产生严重危害。GB 50516—2012《加氢站技术规范》确定了不同级别加氢站的最大储氢量，其中一级、二级、三级加氢站的最大储氢量分别为8 000，5 000，3 000 kg。本研究假设储存压力为45 MPa、温度为20℃，即使是实现三级加氢站的要求，所需的容积在35 m3左右，依照这一计算结果，可以得出最少需要39台900 L的高压容器。另外，加氢站一般设立在靠近道路的位置，附近人流密集、车流量大，一旦发生爆炸，将严重影响人民财产及人身安全，同时造成严重的社会影响。

3 储氢容器失效模式

储氢容器的失效模式主要有5种，分别为塑性垮塌、脆性断裂、疲劳、局部过度应变和泄漏。[6]

3.1 塑性垮塌

在进行储氢容器压力设计时，塑性垮塌的判定一般以压缩机的最高排气压力为准。如果在置换过程中储氢容器存在不当操作，会导致出现化学爆炸，进而出现失效。

3.2 脆性断裂

氢本身属于相对活泼的化学元素，可以与大多数元素结合发生反应，导致氢脆现象。根据氢来源差异可以将氢脆分成3类，即氢反应氢脆、高压氢环境氢脆以及内部可逆氢脆，其机制各不相同。加氢站的储氢容器在高压环境中工作，一般只考虑高压氢环境氢脆。高压氢气环境中，金属受到应力和氢的共同作用，如果局部氢浓度达到临界值，金属将发生弹性形变、韧性衰减或氢致滞后断裂的现象。同时，在制造和使用中产生的缺陷，在高压氢环境下，也可能发生扩展，引发脆性断裂。

3.3 疲劳

储氢容器的另一个常见失效模式是疲劳。高压储氢容器本身是加氢站中重要的储氢设备，长期处于高压氢气环境中，会导致容器的疲劳裂纹迅速扩展，进而显著降低氢致开裂的应力因子阈值，严重威胁储氢容器的安全。同时，频繁的压力波动如果出现在应力集中位置，会导致储氢容器局部出现永久损伤，压力波动次数积累到一定数量后就会出现裂纹。另外，在高压氢气的作用下，疲劳裂纹扩展速率会进一步加快。特别需要关注的是，国内外加氢站已发生多起疲劳引起的筒体、隔膜、弹簧等元件开裂、断裂事故。

3.4 局部过度应变

如果储氢容器存在结构不连续情况，其原因极可能是容器材料韧性在塑性垮塌前消耗完，进而出现裂纹而失效。部分瓶式容器端塞材料选择的是35CrMo锻件，该材料的使用温度最低为-20℃，而储氢容器最低工作温度为-40℃，因此35CrMo锻件无法满足储氢容器的温度要求。

3.5 泄漏

高压氢气侵入非金属材料中，引发材料物理性能以及化学性能劣化的风险较大。高压储氢容器O形密封圈的材料通常不是金属材料，在高压氢气作用下容易出现失效。

4 储氢容器的检验项目及方法

我国加氢站多采用钢带错绕式压力容器。钢带错绕式压力容器首创于1964年，其容器结构完全由我国自主研发完成，主要产品包括高压空气储罐、高压氦气储罐和高压氢气储罐等[7]。经过近60年的研究与验证，我国已有扎实的理论基础和丰富的实践经验。针对该容器实施环向、轴向及其刚度和热应力等应力应变测试、反复升降液压疲劳强度试验，以及计算机自动报警监控试验发现，钢带错绕式压力容器在应用中具有较多优势，其中强度、刚度、疲劳强度、可监控性及失效具有抑爆等多方面优良属性，在经济性、可靠性等方面也有独特的发展前景，因此对其的可靠检验也成为需重点关注的问题。

依照TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》对储氢容器进行定期检验，结合储氢容器特点，检验项目主要为宏观检验、埋藏缺陷检测、壁厚测定、安全附件（含报警装置）检验、表面缺陷检测、密封紧固件检验等，如果有需求也可对其实施耐压试验、泄漏试验等项目[8-9]。资料审查过程中，重点审查储氢容器的压力、温度和压力波动范围超过120%设计压力的压力波动次数记录，掌握储氢容器的疲劳损伤情况。

4.1 宏观检验

宏观检验主要采用目视方法检验储氢容器本体结构，几何尺寸，表面情况（如裂纹、腐蚀、泄漏、变形）和焊缝等。依照NB/T 47013.7—2012《承压设备无损检测 第7部分：目视检测》中相关规定对储氢容器实施目视检测。容器内部腐蚀以及宏观缺陷问题，可以在小直径工业内窥镜的应用下实施检查，采用100%内窥镜实现关于容器内表面母材及焊缝的检验，并拍照或录像进行记录。

4.2 壁厚测定

壁厚测定一般采用超声测厚法对有代表性的部位进行多点测量。测量点主要在接口座部位、密封塞部位、压盖部位，另外也包括宏观检验中的可疑部位等。完成测定后，还需要具体表明异常测厚点。

4.3 表面缺陷检测

储氢容器接口座锻件与半球形封头需要对接焊缝，在其连接过程中，尤其应注意对箍和半球形封头间连接焊缝实施强化。NB/T 47013.4—2015《承压设备无损检测 第4部分：磁粉检测》和NB/T 47013.5—2015《承压设备无损检测 第5部分：渗透检测》规定，对接头外表面实施检测时，可以采用磁粉检测或渗透检测方法实施100%表面检测，优先选择应用磁粉实现对铁磁性材料制储氢容器表面的检测。密封塞及接口座清洗后，也要仔细检查，以便发现存在的损伤和裂纹问题；着重检查螺母和过渡位置，看是否存在环向裂纹，如果需要可以对其实施无损检测。检查过程中一旦发现表面缺陷，需对其实施打磨处理，如果缺陷深度过大，在打磨处理后需要补焊。如果发现容器中存在腐蚀和机械损伤等，仔细测定其深度、直径等基本情况，标记并详细记录。如果发现存在非正常腐蚀，要详细研究其原因。

4.4 埋藏缺陷检测

在储氢容器接口座锻件与半球形封头间对接焊缝检测中，需要按照NB/T 47013.3—2015《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》相关规定，对其实施A型脉冲反射超声检测。实际检测中，探头的选择为两种以上（含两种）不同K值的斜探头，单面单侧检查焊缝外侧的封头表面，直探头和两种以上（含两种）不同K值的斜探头平行扫查焊缝外表面。需要注意的是，超声检测前，应对对比试块和模拟试块进行工艺试验并编制作业指导书。对于检测过程中发现的埋藏问题，必须详细记录，还要对其实施评级。消除并补焊超标缺陷，必要时进行缺陷安全性评定。

4.5 耐压试验、泄漏试验

定期检验过程中，若怀疑储氢容器存在安全隐患，应当及时进行耐压和泄漏试验。在计算过程中，试验压力、温度等严格依照本次定期检验所确定（监控）的参数范围。另外，需要依照TSG 21—2016中的规定，做好准备工作，如安全防护措施、试验介质等。

4.6 安全附件和报警装置检验

安全附件检验过程中，首先需要确保安全阀的有效期，其次检验其安装位置是否正确及操作灵活性。报警装置检验应检查信号孔的密封性、管路的通畅性、防静电接地装置电阻的安全性、传感器探头的校验期及报警仪等。

5 结语

为保证加氢站高压储氢容器的应用安全性，预防和减少事故，促进氢能产业健康发展，结合我国储氢容器技术发展现状，需要加快建立氢安全检验检测体系，引导及资助有实力的科研单位开展氢能安全基础研究，包括高压氢接触部件的耐久性、疲劳、氢脆性能、泄漏等方面的研究，形成氢能安全基础理论体系。同时制定储氢容器专项安全技术要求，纳入压力容器监察规范等文件中。规范定期检验时间、方法和安全等级判定方法，保障加氢站的安全可靠运行。组建国内第三方氢安全检测中心，定期对正在使用的高压储氢容器安全性进行评估，避免潜在事故的发生。