中国氢能承压设备风险分析和对策的深度思考.docx

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1、储氢、除氢承压设备发展现状1.1 储氢承压设备氢介质的储存方式主要分为气态储氢（气氢）、液态储氢（液氢）、固态储氢和更合储氢等，相应的储氢承压设备体系见下图.2HIHI内S1.1.仝IMt1.1.1.作用J1.S;内i1.1.1.1.1.1.*1.f1.1.1.1.1.1.1.r1.J（1）气态储氢设备主要用于储存高压氢气，包括固定式储氢压力容器和高压氧气瓶，其优点是充氢放氢速度快、设备结构相对简单、技术相对成熟，是市场需求的主流储氢方式；缺点是体积储氢密度较低，且需要高压力储存，以增大储氢密度。固定式储氢压力容器是加氢站、制氢站、氢储能系统、高压氧循环测试系统、发电站、加氢工艺装置等的主要核

2、心设备。目前，我国加氢站在用的固定式储氢压力容器将近Ic）OO台，大多数为境内制造，境外进口的仅占少数，主要结构形式有单层储氢压力容器（包括大容积无缝瓶式储氢容器、单层整体锻造式储氢压力容器等）和多层储氢压力容器（包括全多层储氢压力容器、层板包扎储氢压力容器等）,临氢材料牌号主要有S31603,4130X,35CrNi3MoVRi20MnMoV,SA372J等,设计压力为41,50,70,98,140MPa等，容积为0.053,0.3,0.9,1.0,2.0,5.0,7.3,10.0m等.复合材料储氢压力容器尚处于试制样机阶段。已经实施的相关国家标准和团体标准有GB/T26466-2011固定

3、式高压储氢用钢带错绕式容器、T/ZJASE001-2019固定式高压储氢用钢带错绕式容器定期检验与评定和T/CATSI05003-2020加氢站储氢压力容器专项技术要求.目前，有的加氢站储氢设备采用了按气瓶规范和标准设计制造的储氢气瓶，其优点是制造比较容易、成本较低，但这种应用未得到相关法规、安全技术规范和标准的支持，也不符合团体标准T/CATSI05003-2020的规定.将来是否可以成为市场需求的一个发展方向，还要看国际、国内技术发展成熟度，以及相应安全技术规范和标准制修订进展情况而定。高压氧气瓶包括钢制高压氢气瓶和豆合材料高压氢气瓶.钢制高压氢气瓶主要用于氢燃料电池叉车；豆合材料高压氢气

4、瓶主要用于氢燃料电池汽车、氢燃料轨道交通、氢燃料无人机等领域.中国在用的豆合材料高压氢气瓶已超过2.5万只绝大多数是境内生产的铝内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶HI型氢气瓶）,少量是境外进口的,公称工作压力为35MPa和70MPa,使用环境温度-4085C,容积283201.;塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶（IV型氢气瓶）目前境内尚处于立项研究试制阶段.已经颁布实施的相应国家标准有GB/T35544-2017车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶.(2)液态储氢设备主要用于储存液氢，分为固定式液氨压力容器(储罐)和液氮瓶，其优点是体积储氢密度高，液氢的密度为70kg11;缺点是氢气液化能耗高(约为氢气能

5、量的1/3)、长时间存放液氢的静态蒸发损失较大.一般液态储氢承压设备的设计压力为0.11.3MPa左右，设计温度为-253。目前，我国液氯行业装重产能大约5吨/天，主要用于航空肮天领域,研制的30Om1.固定式液氢压力容器成功应用于火箭发射场，相应的国家标准氢能汽车用燃料液氢、液氢生产系统技术规范、液氢储存和运输安全技术要求即将颁布实施.随着军用技术的逐步解密和民品化，以及氢气液化、液氯储存技术的进步，民用液氢压力容器、液氢瓶和车载液氢系统的研发正在提速，目前已经研制出样机，而且大型液氢球推也处于研制开发阶段.(3)固态储氢容器固态储氢是通过氢与材料发生化学反应或者物理吸附将氢储存于固体材料中

6、，优点是储氢压力较低、体积储氢定度高、可纯化氢气；缺点是质量储氢密度低、充放氢需要热交换.常用固态储氢方式有金属氢化物固态储氢、配位氢化物固态储氢、碳质材料固态储氢、金属有机骨架化合物储氢等.固态储氢容器的设计压力一般为054.0MPa,设计温度-406(C.固态储氢容器的容积范围比较宽，只有容积大于等于301.的容器才属于安全监察范畴内的压力容器.我国固态储氢容器已在通讯基站、加氢站等场所获得应用，已经实施的相应国家标准有GB/T33292-2016燃料电池备用电源用金属氯化物储氢系统、GB/T34544-2017小型燃料电池车用低压储氢装置安全试验方法。（4）豆合储氢气瓶（容器）为提高储氢

7、密度，近些年出现了高压固态复合储氢气瓶（容器）和高压深冷豆合储氢气瓶（容器）.我国高压固态免合储氢压力容器的充氢压力一般为35,45,90MPa使用温度不超过80最大容积已经达到1.Onrr,并且在某加氢站投入示范试运行.高压深冷储氢气瓶的公称工作压力一般为3050MPa,工作温度-40-24（C.1.2 输氢承压设备输氢承压设备主要用于将气态氢或者液态氢从产地输送或者运输到终端用户，输氢承压设备体系见下图，主要分为气态输氢设备和液态输氢设备。（一伟备）（域诵龙）后6迤）液”.!修W液uff三液U三H三Sf年金U超ure力nifiM置UFR力n三tt介材H0XFK力nf1.（1）气态输氢设备主

8、要用于输送、分配氢气，包括运氢设备和氢气管道。运氢设备主要有氢气长管拖车和氢气管束式集装箱.其适用于运输距图较短、输送量较少、氢气日用量为吨级以内的用户.目前，我国氢气长管拖车和氢气管束式集装箱采用的是钢制大容积无缝高压气瓶和钢质内胆碳纤维环向缠绕气瓶，一股气瓶公称工作压力为20,25,30MPa等，科技部正在立项研制公称工作压力为50MPa、容积不小于3001.的氧气瓶.也有境内物流和气体公司正在尝试采用其他运输模式，如采用公称工作压力为3052MPa的氧气瓶集装格结构形式的运输方式等.另外，还有气瓶公称工作压力为35MPa(70MPa)的移动式撬装加氢系统、气瓶公称工作压力为35MPa(7

9、0MPa)的集装箱式氨气增压装重等.这些系统或装置中的储氢气瓶组和氢气缓冲灌的合规性，以及采用非充装站内的直接加注或者卸载方式的安全性，都需要给予关注.氢气输送管道主要有输氢管道和配氢管道。输氢管道分为两类，一类是用于场(厂)区内装置间或者系统内输送氢气，如企业场(厂)区内输氢管道、工业氢能园区内输氢管道、加氢站内输氢管道、车载供氧系统管道等，其特点是管道压力高、直径小，一般采用压力管路用管或者仪表管，压力等级为44.8MPa(6500psi),46.2MPa(6700psi),103.5MPa(15000psi),137.9MPa(20000PSi)等r管道直径为6.35mm(14),9.5

10、mm(38),12.7mm(12,),14.28mm(916),25.4mm(1)等；另一类用于大规模、长距离输送氯气(掺氢天然气的长输管道,管道设计压力2.020.0MPa直径300WOOmme目前，我国长距离输送氢气压力管道约有400km,最高输氢压力4.0MPa,最大管径508mm.配氢管道一般用于小规模、短距离输送氢气，输氢对象为小规模用户（如民用氢能园区内连接供氢站和用户间的管道），其特点是管道压力较低、直径较小.（2）液态输家设备主要用于输送液氢，包括液氢铁路加注运输车、液氢汽车罐车、液氢罐式集装箱和液氢管道等。液氢承压设备设计压力为0306MPa,设计温度-253t1.C.目前，

11、中国已经成功研制出0.8511自带汽化器液氢铁路加注运输车（高真空多层绝热结构碓体,设计压力06MPa,设计温度-253C）,并在引进膨胀珍珠岩结构、100m3低温真空绝热罐体的基础上，完成了液氢铁路加注运输车的设计制造.上述液氢铁路加注运输车主要应用于液氢火箭燃料的铁路运输、发射场火箭燃料加注、航天研究院等科研单位的试验研究.科技部正在立项研制40rw民用液氢汽车雁车。2氢能承压设冬风险分析以下从法规、技术、管理三个方面分析氢能承压设备面临的风险。2.1 法规风险法规或者标准覆盖面缺失方面的风睑，主要是指相应的特种设备安全技术规范或者标准缺少针对35MPa以上氢能承压设备的基本安全要求.TS

12、G21-2016固定式压力容器安全技术监察规程中对于非焊接储氢瓶式容器材料的化学成分和力学性能作了规定，TSGR0006-2014气瓶安全技术监察规程规范中对充装氢气长管拖车、管式集装箱的气瓶提出了材料力学性能方面的要求,行业标准NB/T10354-2020长管拖车和NB/T10355-2020管束式集装箱中对充装氢气的气瓶以及管路等材料、设计、制造规定了基本安全要求.除GB/T35544-2017车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶外f这些规范和标准的基本安全要求主要针对的是公称工作压力（设计压力）在35MPa以下的氢气瓶或储氢压力容器。对于压力更高的氢能承压设备，其服役性能不仅仅取决于材料（

13、化学成分、力学性能、微观组织等），而且与应力（应力比、加载频率等）、环境（氢气压力、温度、纯度等）和制造（焊接、旋压、冲压、热处理、无损检测等）等密切相关，急需在现有安全技术规范和相应标准的基础上，增加和补充专项基本安全要求.此外，氢能承压设备安全附件和仪表的相关法规、标准也有待进一步的补充和完善.近期，针对加氢站储氢压力容器，团体标准T/CATSI05003-2020加氢站储氢压力容器专项技术要求已经正式发布实施.该标准对加氢站储氢压力容器有关材料、设计、制造等环节的基本安全要求作出了专项规定.2.2 技术风险2.2.1 基础数据缺失风险基础数据缺失风险主要反映在两个方面，即基础数据匮乏和材

14、料氢脆测试方法不当带来的风险.（1）基础数据匮乏在中国，已发明了140MPa快开式金属材料高压氢脱原位检测装置.对牌号为S31603,S30408的材料在514OMPa高压氢气环境中的性能进行了系统深入研究，获得了一批宝贵的试睑数据，但仍不能满足氢能承压设备快速发展的需要，亟待开展氢环境下材料、零部件和产品（系统）三个方面的试验研究.在材料方面，需要获得液氢（深冷）环境、35MPa以上高压氢气环境中的材料性能，如材料本构方程、疲劳设计曲线、疲劳裂纹扩展速率等；在零部件方面，需要研究氢阀门、氢接头、氢软管等在氢环境下的失效模式及其预测方法；在产品方面，需要模拟使用工况条件，研究高压氢气瓶等产品的

15、性能.中国在零部件和系统层面的试验数据极少，这是影响中国氢能承压设备产品性能一致性的重要因素.（2）氢脆测试方法不当目前，金属材料氢脆试验大致可以分为预充氢试验和原位氢试睑.预充氢试蛉首先采用电化学充氢、高压气相热充氢等方法对试样预充氢，然后在空气中对试样进行力学性能试脸；原位氢试验是指在高压氢气环境中直接对试样进行力学性能试验。预充氨方法是先充氧、后加载，不同于氢能承压设备氧侵入和加载同步的情况，且无法模拟裂尖高应力梯度区氢的动态侵入和偏聚。国外常用的储氢压力容器产品标准（如美国ASMEBPVCVIII-3KD-1O（Specia1.RequirementsforVesse1.sinHydrogenService、日本JPEC-TD0003加氢站用低合金钢制储氢容器专项技术要求等）和临氢材料试验标准(如加拿大ANSI/CSACHMC1(TestMethodsforEva1.uatingMateria1.Compatibi1.ityinCompressedHydrogenApp1.ications-Meta1.s等)均采用原位氢试验法.GB/T34542.22018氢气储存输送系统第2部分：金属材料与氢环境相容性试验方法规定了金属材料在高压氢气环境中慢应变速率拉伸性能、疲劳性能以及断裂力学性能的测试方法；GB/T34542.3-