论文部分内容阅读
摘要：近年来伴随着世界能源革命技术的快速发展，同时环境保护全球战略地位的进一步提升，氢能产业的发展进入了快车道，在清洁能源方面占据着重要地位。我国在能源生产消费、节能环保领域愈来愈发挥着举足轻重的示范引领作用，也相继研究出台了一系列的产业引导政策，在资金和技术方面都提供了良好的发展支撑，鼓励加速发展绿氢制取、储运和应用等氢能产业链技术装备，促进氢能燃料电池技术链、氢燃料电池汽车产业链发展。通过分析该类型的容器的技术路径，掌握其发展动向。
关键词： 加氢站;储氢容器;设计标准
引言：储氢容器作为加氢站的核心装置，一直以来也是制约技术发展的瓶颈，从管理角度也是涉及到造价、安全和强制检验管理等各种问题，目前国内的加氢站的储氢容器研究水平相对落后于国际发达国家，随着氢能各领域的发展，其发展的技术路线也是多元化的，相关标准也在不断完善。
1各种技术路线的储氢容器的优劣势比较
氢气是一种无色、无味、无嗅、易燃易爆、无毒的气体。它是地球上已知最轻的一种气体，其密度为0.083 kg/m3 （1atm，21.1℃），相对密度仅为0.07。氢在空气中燃烧时发出几乎看不见的淡蓝色。它和氯、氧、一氧化碳或空气的混合物均有爆炸的危险。氢气与空气混合物的爆炸限为4%～75%，与氧气混合物的爆炸限为4%～95%。
1.1无缝气瓶或容器（无缝容器）
该类型容器的主要优点为：无缝钢管端部旋压成形，结构简单、形状连续整个容器没有明显的应力集中，耐疲劳性能好。产品标准化、系列化，批量生产，产品生产效率高、性能稳定，成本较低。国外已有大批量氢气站使用案例，运行时间久，可以堆码式安装，匹配靈活，性价比最高，为加氢站主流储氢容器。
该类型容器的主要缺点为：单支容器容积小，组装成储气瓶组后容器数量多，管路复杂，相对的泄漏点多，储气瓶组多用于卧式结构，占地面积较大，Ⅱ型和Ⅲ型碳纤维缠绕无缝容器，碳纤维成本较高。
1.2钢带错绕式容器，包扎式容器（焊接容器）
该类型容器的主要优点为：单容器容积大，可以做到单容器5m?甚至更大，规格多，管路连接件少，泄露点少，内筒采用奥氏体不锈钢，耐氢脆性能好，设计中无需考虑氢脆对疲劳寿命的影响，研发设计成本较低，并且其立式结构节约占地空间。
该类型容器的主要缺点为：单支容器爆炸当量大，容器为焊接结构，工艺性复杂，单台制造，质量不稳定，制造成本高。
2储氢瓶式容器和瓶组的使用注意事项
2.1瓶式容器的运行
氢气应符合GB/T3634.1《工业氢》或GB/T3634.2《纯氢、高纯氢和超纯氢》的要求。用于燃料电池电动汽车的氢气，应符合GB/T34872《质子交换膜燃料电池供氢系统技术要求》或SAE J2719《燃料电池驱动车辆氢燃料质量》的规定。瓶式容器有以下情况不得使用：
超过定检周期未经检验合格的;
介质不符合标准要求的;
容器内无余压的;
外部有损伤的及其它影响安全的缺陷的;
对其安全性有怀疑的。
2.2瓶式容器的定期检验
瓶式容器的定期检验应严格遵守TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》中第8章：定期检验的规定，容器定期检验机构应当按照TSG Z7001-2004《特种设备检验检测机构核准规则》规定，取得容器定期检验核准证。定期检验应核查瓶式容器运行以来的有效压力循环范围和循环次数，并检测有无裂纹状缺陷以及裂纹扩展情况，评估后续允许的循环次数。如果经检测确定不存在裂纹状缺陷，可将检测前的循环次数清零。钢质储氢容器必须专用，不得改装使用。瓶式容器发生事故时，发生事故单位必须按照锅炉压力容器压力管道及特种设备事故处理规定及时报告和处理。
2.3储气瓶组的使用注意事项
储氢瓶组吊装时，应采用两个吨位相同的吊车平行起吊支架上的吊装孔，防止发生扭曲、影响管路的密封。严禁吊装容器及管路。储氢瓶组安装的地基基础按不低于整体设备和介质最大充装质量之和，按照建筑施工规范布置设备基础，地基基础高度建议高于地平高度，根据设备具体情况预留地脚螺栓浇注孔。所有的储气瓶组瓶式容器的螺塞处的密封均采用了O型圈密封，建议6年内更换一次，防止O型圈老化影响密封。储气瓶组安全阀前可安装截止阀，在安全阀进口处设置，容器在正常运行期间必须保证安全阀前的截止阀处于全开状态（加铅封或者锁定）。使用单位主管压力容器安全的技术负责人批准制定可靠的防范措施，保证异常状态安全阀处于工作状态。
3储氢容器的发展前景简析
从市场前景看，伴随着综合能源站的概念提出和规划，目前在市场的宣传推广上多已不再单独宣传氢气加气站，而是以综合能源站（油、气、电、氢）为概念对外宣传。2020年国内市场上主流的储氢容器为无缝瓶式容器，其次为焊接容器，特别是工作压力为45MPa的储氢容器，后续将有更多的企业介入此类产品的生产制造，目前国内只要较少企业具备批量化生产此类容器的能力，在标准和相关实验完善后会有其它企业相继进入市场，批量化生产和竞争带来的效果是瓶式储氢容器的价位将会有一定程度的降低，用户的选择范围也更大。
从设计方法看，按照ASME相关规定，工作压力大于41Mpa的临氢无缝容器和工作压力大于17Mpa的焊接容器，其疲劳分析应该用断裂力学的方法。基于断裂力学和氢环境下裂纹扩展速率数据的疲劳分析相对以往基于光滑无缺陷小试样疲劳曲线的疲劳分析，更加符合实际情况。随着这种设计方法的普及和设计水平的提高，会有更多类型的储氢容器采用这种设计方法。
从材料问题：瓶式容器材料需要进行材料氢环境下的疲劳裂纹扩展速率试验和氢致开裂应力强度因子阈值试验，并需要采用断裂力学的方法进行设计，以确保预期的疲劳寿命。目前国内具备该试验能力的企业或单位很少，未来伴随着储氢产业的发展，相关材料试验机构和新型材料的研发机构会逐步增多，以适应市场和技术需求。
4 结语
从国际上使用类型和中国未来氢能发展需求上来判断，瓶式容器将成为中国加氢站的首选高压储氢设备。随着加氢站建设的提速以及未来长周期使用的需求，高压储氢容器的安全性特别是保证使用过程中不发生泄漏问题将是未来高压储氢设备的重点研发方向。
中石化石油工程设计有限公司 山东省 东营市 257026
关键词： 加氢站;储氢容器;设计标准
引言：储氢容器作为加氢站的核心装置，一直以来也是制约技术发展的瓶颈，从管理角度也是涉及到造价、安全和强制检验管理等各种问题，目前国内的加氢站的储氢容器研究水平相对落后于国际发达国家，随着氢能各领域的发展，其发展的技术路线也是多元化的，相关标准也在不断完善。
1各种技术路线的储氢容器的优劣势比较
氢气是一种无色、无味、无嗅、易燃易爆、无毒的气体。它是地球上已知最轻的一种气体，其密度为0.083 kg/m3 （1atm，21.1℃），相对密度仅为0.07。氢在空气中燃烧时发出几乎看不见的淡蓝色。它和氯、氧、一氧化碳或空气的混合物均有爆炸的危险。氢气与空气混合物的爆炸限为4%～75%，与氧气混合物的爆炸限为4%～95%。
1.1无缝气瓶或容器（无缝容器）
该类型容器的主要优点为：无缝钢管端部旋压成形，结构简单、形状连续整个容器没有明显的应力集中，耐疲劳性能好。产品标准化、系列化，批量生产，产品生产效率高、性能稳定，成本较低。国外已有大批量氢气站使用案例，运行时间久，可以堆码式安装，匹配靈活，性价比最高，为加氢站主流储氢容器。
该类型容器的主要缺点为：单支容器容积小，组装成储气瓶组后容器数量多，管路复杂，相对的泄漏点多，储气瓶组多用于卧式结构，占地面积较大，Ⅱ型和Ⅲ型碳纤维缠绕无缝容器，碳纤维成本较高。
1.2钢带错绕式容器，包扎式容器（焊接容器）
该类型容器的主要优点为：单容器容积大，可以做到单容器5m?甚至更大，规格多，管路连接件少，泄露点少，内筒采用奥氏体不锈钢，耐氢脆性能好，设计中无需考虑氢脆对疲劳寿命的影响，研发设计成本较低，并且其立式结构节约占地空间。
该类型容器的主要缺点为：单支容器爆炸当量大，容器为焊接结构，工艺性复杂，单台制造，质量不稳定，制造成本高。
2储氢瓶式容器和瓶组的使用注意事项
2.1瓶式容器的运行
氢气应符合GB/T3634.1《工业氢》或GB/T3634.2《纯氢、高纯氢和超纯氢》的要求。用于燃料电池电动汽车的氢气，应符合GB/T34872《质子交换膜燃料电池供氢系统技术要求》或SAE J2719《燃料电池驱动车辆氢燃料质量》的规定。瓶式容器有以下情况不得使用：
超过定检周期未经检验合格的;
介质不符合标准要求的;
容器内无余压的;
外部有损伤的及其它影响安全的缺陷的;
对其安全性有怀疑的。
2.2瓶式容器的定期检验
瓶式容器的定期检验应严格遵守TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》中第8章：定期检验的规定，容器定期检验机构应当按照TSG Z7001-2004《特种设备检验检测机构核准规则》规定，取得容器定期检验核准证。定期检验应核查瓶式容器运行以来的有效压力循环范围和循环次数，并检测有无裂纹状缺陷以及裂纹扩展情况，评估后续允许的循环次数。如果经检测确定不存在裂纹状缺陷，可将检测前的循环次数清零。钢质储氢容器必须专用，不得改装使用。瓶式容器发生事故时，发生事故单位必须按照锅炉压力容器压力管道及特种设备事故处理规定及时报告和处理。
2.3储气瓶组的使用注意事项
储氢瓶组吊装时，应采用两个吨位相同的吊车平行起吊支架上的吊装孔，防止发生扭曲、影响管路的密封。严禁吊装容器及管路。储氢瓶组安装的地基基础按不低于整体设备和介质最大充装质量之和，按照建筑施工规范布置设备基础，地基基础高度建议高于地平高度，根据设备具体情况预留地脚螺栓浇注孔。所有的储气瓶组瓶式容器的螺塞处的密封均采用了O型圈密封，建议6年内更换一次，防止O型圈老化影响密封。储气瓶组安全阀前可安装截止阀，在安全阀进口处设置，容器在正常运行期间必须保证安全阀前的截止阀处于全开状态（加铅封或者锁定）。使用单位主管压力容器安全的技术负责人批准制定可靠的防范措施，保证异常状态安全阀处于工作状态。
3储氢容器的发展前景简析
从市场前景看，伴随着综合能源站的概念提出和规划，目前在市场的宣传推广上多已不再单独宣传氢气加气站，而是以综合能源站（油、气、电、氢）为概念对外宣传。2020年国内市场上主流的储氢容器为无缝瓶式容器，其次为焊接容器，特别是工作压力为45MPa的储氢容器，后续将有更多的企业介入此类产品的生产制造，目前国内只要较少企业具备批量化生产此类容器的能力，在标准和相关实验完善后会有其它企业相继进入市场，批量化生产和竞争带来的效果是瓶式储氢容器的价位将会有一定程度的降低，用户的选择范围也更大。
从设计方法看，按照ASME相关规定，工作压力大于41Mpa的临氢无缝容器和工作压力大于17Mpa的焊接容器，其疲劳分析应该用断裂力学的方法。基于断裂力学和氢环境下裂纹扩展速率数据的疲劳分析相对以往基于光滑无缺陷小试样疲劳曲线的疲劳分析，更加符合实际情况。随着这种设计方法的普及和设计水平的提高，会有更多类型的储氢容器采用这种设计方法。
从材料问题：瓶式容器材料需要进行材料氢环境下的疲劳裂纹扩展速率试验和氢致开裂应力强度因子阈值试验，并需要采用断裂力学的方法进行设计，以确保预期的疲劳寿命。目前国内具备该试验能力的企业或单位很少，未来伴随着储氢产业的发展，相关材料试验机构和新型材料的研发机构会逐步增多，以适应市场和技术需求。
4 结语
从国际上使用类型和中国未来氢能发展需求上来判断，瓶式容器将成为中国加氢站的首选高压储氢设备。随着加氢站建设的提速以及未来长周期使用的需求，高压储氢容器的安全性特别是保证使用过程中不发生泄漏问题将是未来高压储氢设备的重点研发方向。
中石化石油工程设计有限公司 山东省 东营市 257026