加氫站用高壓儲(chǔ)氫容器

摘要：加氫站用儲(chǔ)氫容器的儲(chǔ)存壓力高，介質(zhì)易燃易爆，且容器材料有可能發(fā)生

氫脆，具有潛在的泄漏和爆炸危險(xiǎn)?？偨Y(jié)了加氫站用儲(chǔ)氫容器的基本特點(diǎn)，介紹

了銘鋁鋼的高壓氫環(huán)境氫脆特性，以及美國(guó)、日本對(duì)儲(chǔ)氫容器的安全技術(shù)要求，

并車I對(duì)我國(guó)加氫站用高壓儲(chǔ)氫容揩存在的安全隱患，提出了相關(guān)建議。

引言

氫能具有來(lái)源廣泛、儲(chǔ)運(yùn)便捷、利用高效、清潔環(huán)保等特點(diǎn)，既是清潔能源,

又是支撐化石能源清潔化、可再生能源規(guī)?；闹匾侄巍！笆濉眹?guó)家科技

創(chuàng)新規(guī)劃（2016?2020；指出，氫能是新一代引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性能源技術(shù)。氫

燃料電池汽車是氫能利用的重要產(chǎn)業(yè)之一，加氫站是為氫燃料電池汽車及其他氫

能利用裝置提供氫氣的核心基礎(chǔ)設(shè)施。中央和地方政府（廣東省、上海市、蘇州

市等）相繼出臺(tái)了加氫站補(bǔ)助政策（最高補(bǔ)貼600萬(wàn)元），國(guó)家能源集團(tuán)、中石化

及中石油等企業(yè)也紛紛布局氫能產(chǎn)業(yè)鏈。隨著氫燃料電池公交車、物流車、郵政

車等開始商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，我國(guó)加氫站（含油、天然氣、氫氣合建站）建設(shè)顯著提速。

目前，我國(guó)正在運(yùn)營(yíng)的加氫站有10多座，在建或已獲批準(zhǔn)建設(shè)的加氫站超過(guò)30

座。到2020年，我國(guó)加氫站數(shù)量將超過(guò)100座。

目前，高壓儲(chǔ)氫是加氫站的主流儲(chǔ)氫方式"2。根據(jù)氫氣加注壓力，加氫站

分為35MPa和70MPa兩類。我國(guó)絕大多數(shù)在用或在建的是35MPa加氫站。為了適

應(yīng)燃料電池汽車供氫系統(tǒng)壓力逐漸從35MPa增加到70Mpa的需求，加氫站的加注

壓力提高到70MPa己到了十分緊迫的地步。

由于加氫站主要利用儲(chǔ)氫容器和車載供氫系統(tǒng)間的壓力差進(jìn)行加氫，因此儲(chǔ)

氫容器的壓力應(yīng)當(dāng)高于供氫系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)壓力往往超過(guò)40MPa,比石油加氫反應(yīng)

器、煤加氫反應(yīng)器、普通氫氣瓶的壓力都要高。由于儲(chǔ)存壓力高，儲(chǔ)存介質(zhì)易燃

易爆，且容器材料有發(fā)生氫脆的傾向，加氫站用高壓儲(chǔ)氫容器（以下簡(jiǎn)稱儲(chǔ)氫容

器）具有潛在的泄漏和爆炸危險(xiǎn)⑶。在加氫站建設(shè)初期，研究?jī)?chǔ)氫容器的特點(diǎn)、

風(fēng)險(xiǎn)及其建造和使用管理基本安全技術(shù)要求，對(duì)保障儲(chǔ)氫容器安全、促進(jìn)氫能健

康發(fā)展具有重要意義。

在充分查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料?、調(diào)研分析和試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，本文總結(jié)儲(chǔ)氫容

器的基本特點(diǎn)，歸納Cr-Mo鋼高壓氫環(huán)境氫脆特性，介紹美國(guó)、日本對(duì)儲(chǔ)氫容器

的特殊技術(shù)要求，并針對(duì)我國(guó)儲(chǔ)氫容器存在的安全隱患，提出相關(guān)建議。

1儲(chǔ)氫容器基本特點(diǎn)

1.1基本特點(diǎn)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外典型加氫站調(diào)研發(fā)現(xiàn)，與石油加氫反應(yīng)器、煤加氫反應(yīng)器等高

壓高溫臨氫容器和傳統(tǒng)氫氣瓶式容器相比，儲(chǔ)氫容器具有以下4個(gè)基本特點(diǎn)。

(1)高壓常溫且氫氣純度高，具有高壓氫環(huán)境氫脆的危險(xiǎn)。

35MPa加氫站儲(chǔ)氫容器的設(shè)計(jì)壓力一般取45,47,50MPa；70MPa加氫站儲(chǔ)

氫容器的設(shè)計(jì)壓力通常取82,87.5,98,103MPao在正常工作條件下,儲(chǔ)氫容

器殼體金屬溫度主要取決于大氣環(huán)境溫度。為滿足氫燃料電池汽車用氫氣的高純

度要求，儲(chǔ)氫容器中氫氣的純度在99.999%以上⑷.長(zhǎng)期在高壓和常溫氫氣環(huán)境

中工作，儲(chǔ)氫容器材料可能會(huì)產(chǎn)生高壓氫環(huán)境氫脆，導(dǎo)致塑性損減、疲勞裂紋擴(kuò)

展速率加快和耐久性下降，嚴(yán)重威脅儲(chǔ)氫容器的安全使用。

(2)壓力波動(dòng)頻繁且范圍大，具有低周疲勞破壞危險(xiǎn)(商用站尤為如此)。

目前，在設(shè)計(jì)壽命期限內(nèi)加氫站用儲(chǔ)氫容器的壓力波動(dòng)次數(shù)通常為103?

105次，屬于低周疲勞范疇。其中移動(dòng)(示范)站儲(chǔ)氫容器的壓力波動(dòng)次數(shù)較少，

而固定(商用)站的波動(dòng)次數(shù)較多。此外，站用儲(chǔ)氫容器的壓力波動(dòng)范圍較大，通

常為20%?80%的設(shè)計(jì)壓力(或者對(duì)應(yīng)氣瓶公稱工作壓力)。因此，加氫站用儲(chǔ)氫

容器的疲勞失效問(wèn)題非常突出，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮疲勞失效。與加氫站用儲(chǔ)氫容器

相似，壓縮天然氣加氣站用儲(chǔ)罐也儲(chǔ)存有大量易燃易爆介質(zhì)，且壓力也有波動(dòng)，

但其壓力波動(dòng)范圍小，疲勞失效問(wèn)題并不突出。

(3)容積大，壓縮能量多，氫氣易燃易爆，失效危害嚴(yán)重。

根據(jù)GB50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)加氫站的

最大儲(chǔ)氫量分別為8000,4000,lOOOkgo對(duì)于三級(jí)站，按儲(chǔ)存壓力45MPa、溫度

20C計(jì)算，儲(chǔ)氫容器的容積約為35/,即需用900L的高壓容器至少39臺(tái)。每臺(tái)

容器的物理爆炸能量相當(dāng)于18.4kg******,一旦發(fā)生爆炸，產(chǎn)生的沖擊波、碎

片、高溫危害嚴(yán)重。

(4)面向公眾，涉及公共安全。

加氫站（特別是城市建成區(qū)加氫站）一般靠近道路，其附近往往人流較密集、

車流量較大，因此面向公眾，涉及公共安全，一旦發(fā)生爆炸，將會(huì)危及人民生命

和財(cái)產(chǎn)安全，造成巨大損失，引起恐慌，社會(huì)影響惡劣。

1.2常用材料

儲(chǔ)氫容器常用材料為Cr-Mo鋼、6061鋁合金、316L等。對(duì)于Cr-Mo鋼，我

國(guó)常用材料為ASTMA5194130X（相當(dāng)于我國(guó)材料30CrMo）,日本為SCM435和

SNCM439、美國(guó)為SA372Gr.J。4130X和日本SCM430、美國(guó)SA372Gr.E具有相近

的化學(xué)成分和力學(xué)性能。

2Cr-Mo鋼高壓氫環(huán)境氫脆

2.1高壓氫環(huán)境氫脆

氫脆可大致分為氫反應(yīng)氫脆、內(nèi)部可逆氫脆和高壓氫環(huán)境氫脆。氫反應(yīng)氫脆

是指溶解在金屬晶格中的原子氫與自身結(jié)合成氫分子也或與基體中的其他化學(xué)

元素（如碳等）反應(yīng)生成氣體，或者自發(fā)地、或在應(yīng)變誘導(dǎo)下與基體中的合金元素

產(chǎn)生氫化物MHX,從而引起材料的不可逆損傷。內(nèi)部可逆氫脆是指金屬材料在冶

煉或加工過(guò)程（如電鍍、酸洗）中吸收了過(guò)量氫并溶解到金屬晶格內(nèi)，在應(yīng)力作用

卜.，晶格內(nèi)的氫擴(kuò)散、偏聚在裂紋尖端等應(yīng)力三軸度較大的局部區(qū)域并達(dá)到飽和，

進(jìn)而引起的塑性損減和氫致開裂。高壓氫環(huán)境氫脆是指高壓氫氣環(huán)境中的氫進(jìn)入

金屬后，在應(yīng)力及氫的聯(lián)合作用下，局部氫濃度達(dá)到臨界值時(shí)，發(fā)生金屬延性和

韌性損減或氫致滯后斷裂的現(xiàn)象?測(cè)。

高壓氫環(huán)境氫脆與內(nèi)部可逆氫脆都存在氫的溶解、擴(kuò)散和偏聚過(guò)程，都會(huì)引

起氫致開裂失效，但由于氫的來(lái)源不同，二者的失效機(jī)理和主導(dǎo)控制因素并不相

同。顯然，儲(chǔ)氫容器面臨的氫脆為高壓氫環(huán)境氫脆，氫的來(lái)源為高壓氫氣，其特

點(diǎn)為氫的侵入傳輸與受力（變形）同時(shí)發(fā)生。

2.2氫脆試驗(yàn)方法

金屬材料氫脆試驗(yàn)方法大致可分為兩類：一類用于材料初步篩選，快速評(píng)價(jià)

材料是否可用于制造臨氫零部件，如圓片試驗(yàn)、氫致開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值試

驗(yàn)等；另一類用于材料力學(xué)性能原位測(cè)試，為臨氫零部件設(shè)計(jì)或者材料適用性評(píng)

估提供性能數(shù)據(jù)，如慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)、疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)、疲勞壽命試

驗(yàn)等，詳見表嚴(yán)⑶。

表I金屬材料氯脆試聆方法

試驗(yàn)?zāi)康脑囼?yàn)名稱測(cè)試方法概述測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

分別在高壓氯氣和氫氣環(huán)境下對(duì)圓片試樣進(jìn)行ISOIIII4-4

圓片試驗(yàn)爆破試驗(yàn)，以狙氣和氧氣環(huán)境下的爆破壓力之比ASTMH459

作為氫脆系數(shù)，用于評(píng)定材料的氧脆儂感度GB/T34542.3

材料初步篩選ISOIIII4-4

在高壓氧環(huán)境下,對(duì)或等試樣進(jìn)行單調(diào)

氧致開裂應(yīng)力強(qiáng)度crWOLASMEBPVC11-3KD-IO

加或獲得材料的氫致開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻ANSI/CSACHMC1

因子門福值試驗(yàn)

值該試瞼可根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)采用不同的方法ASIMH624

GB/T34542.2

在離壓氫環(huán)境下，對(duì)光滑圓棒試樣或帶缺口試樣ANSI心ACHMC1

慢應(yīng)變速率

進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得材料的屈版強(qiáng)度.抗拉強(qiáng)度、\SIMGI42

拉伸試驗(yàn)

斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率等力學(xué)性旋(；B/T34542.2

在高壓氧環(huán)境下,對(duì)CT試樣儲(chǔ)環(huán)加載,獲福材料ASMEBPVCID-3KI)-10

疲勞裂紋擴(kuò)展

性能原位測(cè)試的疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dV與應(yīng)力強(qiáng)度因子負(fù)\\、m(IIMCi

速率試驗(yàn)

囤的關(guān)系曲蛾GB/T34542.2

在高壓氧環(huán)境下,對(duì)光滑回棒試樣或帶缺口試樣ANSI心ACHMC1

疲勞壽命試驗(yàn)

循環(huán)加栽,獲得材料的應(yīng)力/應(yīng)變-壽命曲線(；B/T34542.2

2.3Cr-Mo鋼氫脆特性

美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(SNI.)、F1本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(AIST)、九州大學(xué)

和浙江大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)對(duì)Cr-Mo鋼的高壓氫環(huán)境氫脆開展了較為系統(tǒng)和深入的

研究。研究表明，Cr-Mo鋼高壓氫環(huán)境氫脆具有以下特點(diǎn)。

(1)對(duì)拉伸性能的影響。當(dāng)熱處理后材料抗拉強(qiáng)度不超過(guò)950MPa時(shí)，在頸縮

之前，高壓氫氣對(duì)材料的拉伸性能幾乎沒(méi)有影響，氫氣的影響主要發(fā)生在頸縮后,

屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度變化很小，但斷面收縮率降低。例如，在92MPa高純氫氣中,

4130X的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度比氨氣中分別減小2.1%和2.3%,而斷面收縮電減

小24.0嫄聞；在“5MPa氫氣中，小M435的抗拉強(qiáng)度比氮?dú)庵袦p小了1%?3%,而

斷面收縮率減小了36%~49%(⑸。

(2)對(duì)疲勞性能的影響。在高壓氫氣環(huán)境下，材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯

加快，通常是惰性氣體環(huán)境下的10倍以上，但高壓氫氣對(duì)裂紋萌生階段的加速

作用相對(duì)較小“6一⑻。例如，在92MPa高純氫氣中，4130X的疲勞裂紋擴(kuò)展速率是

空氣環(huán)境下的30?50倍"％在lOOMPa氫氣中，SA-372GradeJ鋼的疲勞裂紋擴(kuò)

展速率約為在惰性氣體環(huán)境下的100倍容積為35,198L、初始裂紋深度約

為1.3mm的小型儲(chǔ)氫容器的疲勞試驗(yàn)表明，氨氣循環(huán)疲勞壽命往往不到油循環(huán)疲

勞壽命的10機(jī)20］。

(3)對(duì)裂紋開裂的影響。在高壓氫氣環(huán)境下，材料的氫致開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子

門檻值(降)明顯降低，且壓力越高,降幅越大。例如，在45,70MPa高壓氫氣中,

1/2

4130X的KIH分另ij為52,32MPa?m,與空氣中的值(125MPa?m"?)相比，下降幅

度達(dá)58.4%和74.4媾”;在45,115MPa高壓氫氣中,SCM435的降值相較于空氣

中分別下降了10.2%和72.現(xiàn)㈤°

2.4氫脆影響因素

Cr-Mo鋼儲(chǔ)氫容器的服役性能受到材料、制造、環(huán)境、應(yīng)力等因素的綜合影

響，機(jī)理極為復(fù)雜，至今仍未完全探明。

2.4.1材料

強(qiáng)度越高，在高壓氫氣環(huán)境下材料的塑性損減越明顯，疲勞裂紋擴(kuò)展速率越

快，氫致開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值越小?咒Cr,Mo,V,Nb,W,Ti等元冢，

在鋼中能形成比Fc3c更穩(wěn)定的微細(xì)碳化物，可提高材料的抗氫脆性能；P,S,

Si,Mn等元素，在鋼的冶煉和軋制過(guò)程中易形成夾雜或偏聚，破壞了基體的連

續(xù)性，在拉應(yīng)力作用下易在界面處形成微孔隙和應(yīng)力集中，促進(jìn)鋼的氫脆［23］.

2.4.2制造

材料表面越粗糙，疲勞壽命越低，這在高壓氫氣環(huán)境中尤為明顯⑵］。熱處理

工藝、成形方式也會(huì)影響材料的組織、強(qiáng)度和抗氫脆性能也⑼。

2.4.3環(huán)境

Oz,S02,CO,CS2,月0等雜質(zhì)在鋼表面的吸附能力較強(qiáng)，能夠阻礙氫侵入材

料內(nèi)部，降低材料對(duì)氣脆的敏感程度，對(duì)氫脆起加制作用您"。

112s等雜質(zhì)能夠破壞材料表面的氧化膜，并使得材料表面變得粗糙，增播材

料對(duì)氫脆的敏感程度，因此對(duì)氫脆有促進(jìn)作用.間。水蒸氣的作用較為復(fù)雜，在

一些情況下起抑制作用，在另一些情況下起促進(jìn)作用㈤。

隨著氫氣壓力增加，材料對(duì)氫脆的敏感性增加如刈。例如，當(dāng)氫氣壓力從IMPa

增加至90MPa,SCM435的疲勞裂紋擴(kuò)展速率增加約30倍⑻。氫氣壓力對(duì)材料力

學(xué)性能的影響在低壓時(shí)比在高壓時(shí)更明顯，但當(dāng)壓力增大至某閾值時(shí)，材料力

學(xué)性能不再發(fā)生明顯變化的。

溫度也是金屬材料氫脆的重要影響因素，通常在某一溫度或溫度范圍時(shí)，金

屬材料的氫脆更為嚴(yán)重⑶如。4130X鋼在室溫下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率最大㈣。

2.4.4應(yīng)力

加載速率越小，材料的氫脆敏感程度越高，但在一定的條件下，當(dāng)加載速率

降低至一定值時(shí)，材料的氫脆敏感程度反而突然間降低⑼。疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨

應(yīng)力強(qiáng)度因子增大而加快胸。

3儲(chǔ)氫容器失效預(yù)防

3.1失效模式

儲(chǔ)氫容器的失效模式主要包括塑性垮塌、脆性斷裂、疲勞、局部過(guò)度應(yīng)變和

泄漏等5種。

(1)塑性垮塌。儲(chǔ)氫容器的壓力源是壓縮機(jī)，儲(chǔ)氫容器設(shè)計(jì)壓力通常取壓縮

機(jī)的最高排氣壓力。容器因物理超壓發(fā)生塑性垮塌的可能性不大，但因置換不當(dāng)

等原因，有可能引起化學(xué)爆炸，導(dǎo)致儲(chǔ)氫容器失效。

(2)脆性斷裂。儲(chǔ)氫容器往往存在制造缺陷或者使用中產(chǎn)生的缺陷。在高壓

氫氣環(huán)境下，材料的氫致開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值降低，這有可能導(dǎo)致缺陷快速

擴(kuò)展，使儲(chǔ)氫容器發(fā)生脆性斷裂。

(3)疲勞。在頻繁的壓力波動(dòng)作用下，儲(chǔ)氫容器會(huì)在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生局部

的永久損傷，并在一定壓力波動(dòng)次數(shù)后形成裂紋或者裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展造成斷裂。

高壓氫氣會(huì)加速疲勞裂紋擴(kuò)展速率，降低應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值，疲勞是儲(chǔ)氫容器

的主導(dǎo)失效模式。

(4)局部過(guò)度應(yīng)變。在儲(chǔ)氫容器結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)，如螺紋根部，有可能在儲(chǔ)氫

容器塑性垮塌之前，就因韌性耗盡產(chǎn)生裂紋而失效。

(5)泄漏。與金屬相比，高壓氫氣更容易侵入非金屬材料，導(dǎo)致材料物理性

能和化學(xué)性能劣化。高壓儲(chǔ)氫容器通常采用。形密封圈，材料為非金屬材料，有

可能在高壓氫氣作用下失效。

3.2失效預(yù)防

3.2.1美國(guó)ASMEBPVCW-3KD-10

2007年，美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)鍋爐壓力容器規(guī)范第VIII篇第3分篇KD-10對(duì)

儲(chǔ)氫容器提出了專項(xiàng)技術(shù)要求(ASMEBPVCVIII-3KD-10SpecialRequirements

forVesselsinHydrogenService)<>

KD-10的適用范圍為：氫氣分壓大于41MPa或者材料抗拉強(qiáng)度大于945MPa

且氫氣分壓大于5.2MPa的無(wú)焊縫容器；氫氣分壓大于17MPa或者材料抗拉強(qiáng)度

大于620MPa且氫氣分壓大于5.2MPa的焊接容器。41MPa壓力下限依據(jù)的是氣瓶

的成功使用經(jīng)驗(yàn)。

KD-10要求測(cè)量材料的平面應(yīng)變斷裂韌度、氫致開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值和

疲勞裂紋擴(kuò)展速率，并采用斷裂力學(xué)方法對(duì)儲(chǔ)氫容器進(jìn)行疲勞評(píng)定。

3.2.2日本JPEC-TD-003

在日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)的資助下，經(jīng)過(guò)日本石油能源中

心(JPEC)、高壓氣體安全協(xié)會(huì)(KHK)、九州大學(xué)等單位專家兩年多時(shí)間的共同努

力，日本近日頒布了JPEC-TD-003《加氫站用低合金鋼制儲(chǔ)氫容器專項(xiàng)技術(shù)要

求》。其目的主要有兩個(gè)：一是提供最佳實(shí)踐，預(yù)防儲(chǔ)氫容器失效；二是指導(dǎo)企

業(yè)獲得KHK的特別許可。

JPEC-TD-003適用于工作壓力超過(guò)40MPa、工作溫度不低于-30℃且不高于

而℃、設(shè)計(jì)壓力不超過(guò)氫氣環(huán)境中材料試驗(yàn)壓力的非焊接容器c

JPEC-TD-003重點(diǎn)關(guān)注儲(chǔ)氫容器材料的氫相容性和力學(xué)性能一致性，以及容

器的強(qiáng)度、壽命和失效模式(要求為未爆先漏)，并從材料、設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)等

方面提出技術(shù)要求。

(1)材料。從儲(chǔ)氫容器內(nèi)表面環(huán)向取拉伸試樣，先以高純氫氣為介質(zhì)，在設(shè)

計(jì)壓力和最低設(shè)計(jì)金屬溫度下進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)，再以空氣或惰性氣體為

介質(zhì)，在設(shè)計(jì)壓力和最低設(shè)計(jì)金屬溫度下進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)，比較兩種試

驗(yàn)的應(yīng)力一位移曲線。如果氫氣環(huán)境中曲線最高點(diǎn)的位移超過(guò)空氣或者惰性氣體

中曲線最高點(diǎn)的位移，則材料與氫相容，否則不相容。

(2)設(shè)計(jì)。規(guī)定許用應(yīng)力確定方法和疲勞壽命評(píng)估方法。

1)許用應(yīng)力。根據(jù)ASMEBPVC訓(xùn)1-1：1998確定許用應(yīng)力,即抗拉強(qiáng)度安全

系數(shù)nb24.0、屈服強(qiáng)度安全系數(shù)nseL5。

2)疲勞分析。先在空氣中進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，通過(guò)應(yīng)力幅(S)-循環(huán)次數(shù)(N)曲線

獲得疲勞極限，再對(duì)儲(chǔ)氫容器進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，計(jì)算最大等效應(yīng)力幅Seq,

然后以高純氫氣為介質(zhì)，在設(shè)計(jì)壓力下按應(yīng)力幅Seq2(取Seq222Seq,且不得超

過(guò)疲勞極限)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試樣不得在儲(chǔ)氫容器設(shè)計(jì)壽命(循環(huán)次數(shù))前失效。

3)疲勞裂紋擴(kuò)展分析。假設(shè)初始允許裂紋尺寸(深度：長(zhǎng)度二1:3,磁粉檢測(cè)、

滲透檢測(cè)和自動(dòng)泯流檢測(cè)時(shí)，裂紋長(zhǎng)度1.6mm；超聲檢測(cè)時(shí)，如果壁厚在16?51mm

之間，裂紋深度為L(zhǎng)hum,壁厚251mm時(shí),裂紋深度為L(zhǎng)6mm）,根據(jù)高壓氫氣

環(huán)境中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率上限，計(jì)算裂紋擴(kuò)展至臨界裂紋深度ac的總循環(huán)次

數(shù)Nc和裂紋擴(kuò)展至l/4ac的總循環(huán)次數(shù)Np,取Np和l/2Nc中的較小值為允許

壓力波動(dòng)次數(shù)。在檢驗(yàn)周期內(nèi)，壓力波動(dòng)次數(shù)不得超過(guò)允許值。

（3）制造。規(guī)定了材料強(qiáng)度、硬度、沖擊吸收能量和未爆先漏要求。

1）強(qiáng)度。材料制造單位應(yīng)當(dāng)向儲(chǔ)氫容器制造單位提供與氫氣相容時(shí)材料的最

大抗拉強(qiáng)度，以及設(shè)計(jì)溫度下材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度；儲(chǔ)氫容器制造單位應(yīng)

當(dāng)對(duì)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。

2）硬度。為判斷材料性能的均勻性，沿厚度方向在容器近內(nèi)表面、1/4壁厚、

1/2壁厚、3/4壁厚和近外表面處，測(cè)量維式硬度或者洛氏硬度。根據(jù)硬度和抗

拉強(qiáng)度的關(guān)系，估算最小抗拉強(qiáng)度和近內(nèi)表面處的抗拉強(qiáng)度。近內(nèi)表面的抗拉強(qiáng)

度不得超過(guò)材料制造單位提供的最大抗拉強(qiáng)度，最小抗拉強(qiáng)度不得低于設(shè)計(jì)溫度

下材料的抗拉強(qiáng)度下限值。

3）沖擊吸收能量。為判斷材料在設(shè)計(jì)溫度下的韌性，在儲(chǔ)氫容器近內(nèi)表面

C-R方向（載荷方向?yàn)榄h(huán)向、缺口方向?yàn)閺较颍┤?個(gè)夏比沖擊試樣，3個(gè)試樣沖

擊吸收能量平均值不得低于40J,單個(gè)試樣沖擊吸收能量不得低于32J。

4）未爆先漏。為驗(yàn)證未爆先漏，在儲(chǔ)氫容器近內(nèi)表面C-R方向取緊湊拉伸試

樣，在最低設(shè)計(jì)金屬溫度下測(cè)量平面應(yīng)變斷裂韌度KIC,取兩者的最小值，根據(jù)

KHKS0220進(jìn)行未爆先漏分析。

（4）無(wú)損檢測(cè)。對(duì)儲(chǔ)氫容器內(nèi)表面進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，證實(shí)缺陷尺寸小于允許值。

鍛件采用超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)；無(wú)縫管采用超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲

透檢測(cè)和自動(dòng)渦流檢測(cè)。

4我國(guó)儲(chǔ)氫容器安全隱患

儲(chǔ)氫容器屬丁特殊用途的高壓容器，是隨著氫能發(fā)展而出現(xiàn)的新事物。我國(guó)

對(duì)Cr-Mo鋼瓶式儲(chǔ)氫容器至今仍缺乏系統(tǒng)深入的研究，在技術(shù)規(guī)范、設(shè)計(jì)計(jì)算等

方面存在安全隱患。

4.1技術(shù)規(guī)范風(fēng)險(xiǎn)

TSG21《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定了非焊接瓶式儲(chǔ)氫容器材

料的化學(xué)成分和力學(xué)性能，TSGR0006《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》對(duì)盛裝氫氣的長(zhǎng)

管拖車、管式集裝箱提出了材料力學(xué)性能要求。但這些要求主要針對(duì)的是公稱工

作壓力（設(shè)計(jì)壓力）35MPa以內(nèi)的氫氣瓶（容器）。對(duì)于壓力更高的儲(chǔ)氫容器，其服

役性能不僅僅取決于材料化學(xué)成分和力學(xué)性能，而且與應(yīng)力（應(yīng)力比、加載頻率

等）、環(huán)境（氫氣壓力、溫度、純度等）和制造（熱處理、無(wú)損檢測(cè)等）密切相關(guān)，

需要提出進(jìn)一步的安全技術(shù)要求。

然而，從壓力、容積和介質(zhì)三個(gè)方面來(lái)看，儲(chǔ)氫容器仍在TSG21和.JB/T4732

《鋼制壓力容器一一分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的適用范圍內(nèi)。有的企業(yè)就依據(jù)這兩部規(guī)范

標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、制造和使用儲(chǔ)氫容器，而沒(méi)有考慮這類容器的特殊性。

此外，國(guó)質(zhì)檢鍋[2003]94號(hào)《鍋爐壓力容器制造許可條件》也沒(méi)有對(duì)各種

用途的儲(chǔ)氫容器提出專項(xiàng)要求。

4.2設(shè)計(jì)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)

目前，瓶式容器企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均按JR/T4732《鋼制壓力容器一一分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》

進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)。這存在兩個(gè)問(wèn)題：一是沒(méi)有考慮高壓氫氣對(duì)疲勞的損減（隨著設(shè)

計(jì)壓力的增高，這一問(wèn)題更為突出）；二是4130X尚未列入JB/T4732,即使不考

慮氫氣影響，設(shè)計(jì)疲勞曲線是否適用也有待驗(yàn)證。

目前，我國(guó)在役加氫站大多數(shù)屬于示范站，加氫量不大，儲(chǔ)氫容器的氫氣充

放次數(shù)少，均在幾十到幾百次之間，最多也不到800次，不能作為儲(chǔ)氫容器對(duì)比

經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的依據(jù)，也不能據(jù)此證明此類容器不會(huì)發(fā)生疲勞失效。值得特別關(guān)注的

是，國(guó)內(nèi)外加氫站已發(fā)生多起疲勞引起的筒體、氣缸、隔膜、彈簧等零部件開裂

/斷裂事故。

有的瓶式容器端塞材料為35CrMo鍛件。按NB/T47008規(guī)定，35CrMo鍛件的

使用溫度下限為-20℃,難以滿足儲(chǔ)氫容器最低工作溫度-40C的要求。

4.3瓶式容器風(fēng)險(xiǎn)

按氣瓶標(biāo)準(zhǔn)設(shè)沖制造的鋼質(zhì)氣瓶直接用作加氫站用儲(chǔ)氫氣瓶，需要考慮風(fēng)

險(xiǎn)，制訂專項(xiàng)技術(shù)要求。氣瓶壽命一般不超過(guò)15000次，通常是通過(guò)液壓疲勞試

驗(yàn)驗(yàn)證的，循環(huán)壓力上限為水壓試驗(yàn)壓力、下限不超過(guò)上限的10%,沒(méi)有考慮氫

氣的影響。儲(chǔ)氫容器的壓力波動(dòng)次數(shù)取決于加氫站規(guī)模、加注工藝和設(shè)計(jì)使用年

限。對(duì)于商用站或者加注頻繁的示范站，儲(chǔ)氫容器的壓力波動(dòng)次數(shù)有可能超過(guò)

10萬(wàn)次，氣瓶壽命難以滿足要求。據(jù)報(bào)道，日本已開發(fā)成功疲勞壽命達(dá)12萬(wàn)次

的儲(chǔ)氫容器。IS0/TS19880-1（GaseousHydrogenFuellingStation,General

Requirements））規(guī)定：氣瓶、長(zhǎng)管拖車用于加氫站儲(chǔ)氫時(shí)，應(yīng)充分考慮氣瓶和容

器的差異，特別是壓力波動(dòng)的影響。

4.4標(biāo)準(zhǔn)解讀風(fēng)險(xiǎn)

與2005年版相比，2017年頒布的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IS011114-4取消了工作壓刀上

限30MPa的限制，規(guī)定經(jīng)淬火+回火處理的Cr-Mo鋼，如果實(shí)際抗拉強(qiáng)度不超過(guò)

950MPa,不經(jīng)氫脆試驗(yàn)，就可用于制造移動(dòng)式氣瓶。但若據(jù)此認(rèn)為熱處理后抗拉

強(qiáng)度不超過(guò)950MPa的Cr-Mo鋼制氣瓶可不經(jīng)氫脆試驗(yàn)直接用作儲(chǔ)氫容器，則未

免對(duì)移動(dòng)式氣瓶和站用固定式氣瓶的差別缺少考慮。

如前所述，當(dāng)熱處理后抗拉強(qiáng)度不超過(guò)950MPa時(shí)，高壓氫氣對(duì)Cr-Mo鋼的

抗拉強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。對(duì)于主導(dǎo)失效模式為塑性垮塌的氣瓶，這意味著設(shè)計(jì)制

造時(shí)不必考慮高壓氫氣的影響.但是，高壓氫氣以境會(huì)顯著加速疲勞裂紋擴(kuò)展速

率，明顯降低氫致開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值，增大對(duì)裂紋的敏感性。對(duì)于疲勞為

主導(dǎo)失效模式的儲(chǔ)氫容器，應(yīng)當(dāng)考慮高壓氫氣的影響。正因?yàn)榭紤]到這點(diǎn)，美國(guó)、

日本等國(guó)家均對(duì)儲(chǔ)氫容器提出了專項(xiàng)技術(shù)要求。

此外，IS011114-4前言指出：氫脆與以下5個(gè)因素有關(guān)：微觀組織、刀學(xué)

性能、應(yīng)力、導(dǎo)致應(yīng)力集中的缺陷、環(huán)境（成分、純度、壓力等）；IS011114僅

考慮了微觀組織、力學(xué)性能和環(huán)境3個(gè)因素，應(yīng)力和缺陷控制應(yīng)滿足IS09809

的要求。

5若干建議

5.1加強(qiáng)Cr-Mo鋼氫脆機(jī)理和性能研究

對(duì)于儲(chǔ)氫容器常用材料SA372Gr.J和SCM435、SNCM439,美國(guó)、日本對(duì)其高

壓氫環(huán)境氫脆特性進(jìn)行了系統(tǒng)深入地研究，積累大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。美國(guó)正在制訂

儲(chǔ)氫容器疲勞裂紋評(píng)估方法。

我國(guó)瓶式容器的材料為4130X,由于化學(xué)成分、力學(xué)性能不同，不能照搬美

國(guó)、日本的專項(xiàng)技術(shù)要求。在高壓氫氣環(huán)境下，4130X力學(xué)性能數(shù)據(jù)極度匱乏，

亟待加強(qiáng)氫脆機(jī)理和抗氫性能研究。

5.2制訂專項(xiàng)安全技術(shù)要求

為保障儲(chǔ)氫容器安全使用，預(yù)防和減少事故，促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，需結(jié)

合我國(guó)儲(chǔ)氫容器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，借鑒JPEC-TD-003和ASMEBPVCVIII-3KDT0,對(duì)設(shè)

計(jì)壓力40MPa及以上的儲(chǔ)氫容器，盡快制訂專項(xiàng)安全技術(shù)要求。

(1)設(shè)計(jì)條件。設(shè)計(jì)條件不應(yīng)簡(jiǎn)單地只對(duì)儲(chǔ)氫容器壓力和容積提出要求，而

應(yīng)當(dāng)至少包括以下內(nèi)容：安裝地點(diǎn)和安裝方式(臥式、立式)；最高工作壓力、壓

力波動(dòng)范圍和預(yù)計(jì)波動(dòng)次數(shù)；內(nèi)直徑、容積、進(jìn)氣口和排氣口的尺寸；氫氣成分;

露點(diǎn)檢測(cè)方法和合格要求；泄漏檢測(cè)方法和合格要求。

(2)材料。材料制造單位應(yīng)當(dāng)進(jìn)行原位力學(xué)性能測(cè)試，證明材料與高壓氫氣

相容，并提供設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度下氫氣環(huán)境中的力學(xué)性能，包括屈服強(qiáng)度、抗

拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率、疲勞裂紋擴(kuò)展速率、氫致開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子

門檻值，空氣中的材料斷裂韌度(KIC),以及厚度方向的硬度和沖擊韌性。

(3)設(shè)計(jì).對(duì)塑性垮塌、脆性斷裂、疲勞、局部過(guò)度應(yīng)變、泄漏等失效模式

進(jìn)行評(píng)定。

(4)制造。對(duì)成形工藝、熱處理工藝、無(wú)損檢測(cè)和內(nèi)表面粗糙度等提出要求。

(5)檢驗(yàn)。規(guī)定定期檢驗(yàn)時(shí)間、方法和安全等級(jí)判定方法。

(6)使用。對(duì)儲(chǔ)氫容器的壓力、溫度等運(yùn)行參數(shù)，以及壓力循環(huán)、泄漏等提

出實(shí)時(shí)監(jiān)控要求。

5.3研究加氫站用氣瓶附加技術(shù)要求

氣瓶和容器的用途、設(shè)計(jì)理念和壁厚計(jì)算公式均不相同，直接將氣瓶用于加

氫站高壓儲(chǔ)氫，仍面臨諸多挑戰(zhàn)。IS0/DIS19884給出了儲(chǔ)氫容器淺疲勞轉(zhuǎn)化為

氣瓶深疲勞的公式和氫敏感放大系數(shù)。

考慮高壓氫環(huán)境氫脆的影響因素多，我國(guó)是否引入其理念和方法，還需認(rèn)真

研究。為綜合考慮材料、應(yīng)力、制造和環(huán)境對(duì)壽命的影響，應(yīng)及早開展4130X

疲勞試驗(yàn)研究，獲得高壓氫氣環(huán)境中的疲勞設(shè)計(jì)曲線，建立氣瓶壽命評(píng)估方法。

同時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步探討站用儲(chǔ)氫氣瓶氫脆風(fēng)險(xiǎn)的控制方法。

5.4研制瓶式容器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)現(xiàn)有JB/T4732和GB/T150均不包括瓶式容器。目前正在開展JB/T4732

修訂工作。但由于修訂時(shí)間緊，要求今年推出征求意見稿、明年完成報(bào)批，此次

修訂仍未納入瓶式容器。建議結(jié)合國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)氫容器研究成果和使用經(jīng)驗(yàn)，適時(shí)啟

動(dòng)我國(guó)加氫站瓶式儲(chǔ)氫容器標(biāo)準(zhǔn)制訂工作，以更好地推動(dòng)加氫站儲(chǔ)氫容器和氫能

的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

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