钜大LARGE | 点击量：808次 | 2019年05月23日
如何确保氢能储运设备安全，打造氢能产业顺利发展
5月21日，由中国电池联盟、中国电子节能技术协会电池专委会和中国化学与物理电源行业协会氢能及燃料电池分会(筹)联合举办的“2019新型制氢技术与加氢站建设高峰论坛”在苏州隆重召开，中国特种设备检测研究院研究员石坤作了题目为“氢能储运装备检测有关问题探讨”的演讲。以下为石坤演讲速记全文：
很荣幸有这个机会跟大家交流一下，关于氢能设备方面的问题。上午很多专家从不同角度对氢能产业的发展做了详细的阐释。听了很多很受启发，但是更多是讲氢能的效率，我不关心氢怎么来，也不关心你们怎么用，我关心设备是否安全。因为在氢产业当中，大量使用了特种设备。比如说煤化工也好、甲醇化工也好，包括储氢、用氢都是使用了大量的特种设备。
今天我的讲述是分几个方面，一个是设备的情况，第二个是损伤模式，以及标准规范的相关要求，目前我们开展的设备检验情况，以及有关检验技术的探讨。
从人类的视角来看，人类使用的燃料也是不断更新换代，从远古以来，从使用木材，到后期的大量使用煤炭，包括现在还在使用煤炭资源。以及到近现代石油的开发、天然气的开采，到一定时间以后，我估计可能是到50年到100年以后，基本上以固态燃料为基础的煤炭，基本上会退出人类燃料历史的舞台，最终是到以燃气为主，氢气、天然气发展的模式。当然当中还有特种的发展，比如说核裂变的发展模式。这个从我个人的视角是这样考虑的，无论是以碳、氢、氧为主要材料的，或者是以碳、氢为液态的石油，人类使用的模式，逐渐地是碳含量越来越少，氢和碳逐渐分离的这样一个过程。而氢作为一种能源和燃料来说，它可以实现再生。从水电解来说，可以来自于水，推动它的反应又变成水。而且上午大家也介绍了，氢的能量密度是天然气的3.4倍，汽油的3.3倍，煤炭的1.8倍。而且目前是有两个情况，这跟大家的商业价值有不同的地方，中国有大量的过剩能源，一个是有1000亿，弃光、弃水、弃风，过剩的电能，当然怎么应用是一个过程，每年多场一千万吨的化工氢，你在这里不值钱，到加氢站又变成了另外一种。利用氢组成电能，这也是国家为什么发展的方面。另外从储氢方式，从固态储氢、液体储氢还有比如说高压储氢、液态储氢等几个方面。目前在中国的加氢站，基本上都是物理高压固态储氢的方式，尽管氢目前有很多的方式，在半商业运营的层面上，还没有像液体储氢和固体储氢的应用，听说在新疆有的集团开发应用这方面的工作，这也是几个储氢方式的比较。
第三个是大量使用氢，氢运回来怎样储存，这是非常值得大家考虑和面对的瓶颈问题。从目前来说，近几十年来，全世界包括中国在储氢方面应用了各种各样的设备，因为储存的量越来越高，就增加了它的压力，在独特的能量情况下，增加储存的能量就需要压力，需要它的包装度需要很强的强度，最开始使用的都是锻造设备，这种设备造价非常高。后来不说氢的成本，这种设备的成本就远高得多。然后为的降低成本，无论是美国、日本、中国的标准，就开发了缠绕式的储氢方式。包括浙大开发的里面是U钢，外面是碳纤维多层材料的方式，还有钢板缠绕以及热套的方式，都是不同的材料、不同的结构，以不同的工艺组装到一块儿，来达到分层制造，降低它的成本。包括目前所有的使用的瓶式容器，但是瓶式容器有一个很大的问题。目前来说，三型这种纤维增强的容器，国家还没有有效的标准，还有一种储氢设备，是地下储氢容器、储氢井，这种占地面积小。无论是50156我标准当中，都给予了这种设备的认可，它的安全比其他的设备阻断小1/3，其他50米，它这个30米。它埋在地下没有受辐射静电的影响，而且它是100—300米，无论是温度的变化它会有一个调制的过程，而且90%都是地下，受环境影响小。一旦失效它也是往上。从加气站的发展轨迹来说，早期的加气站，包括站内使用，都是小钢气组。后期，中国开发了小型的储罐，三立方和四立方，很多的企业还在大量使用。到2000年以后，随着大容器瓶，从美国引入中国以后，大量的加氢站使用瓶制容器，我的看法是过几年以后，基本上这几类设备同时并存，储气井、地面瓶式容器，甚至是基础于混凝土这种材料的容器。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
现在来看，基本上在建的30几个站的储氢容器来说，基本上都是全金属的，它的特点来说主要是单层的这种设备，当然现在孙总那里也有，就是属于目前定义，氨气瓶属于三型的，但是目前没有三型的，金属类的全材料的这种容器，在目前的法规中还未给出明确的说法。目前大家谈到了为什么加氢站这么少？其中有一个，在这里我跟大家说，也是我个人的观点，也是事实，因为储氢设备还未经过国家的允许。某种程度上，所有运行的加氢站都不是严格意义上的商业运营站，都仅仅是科研示范站。因为目前所有的储氢容器是45，是超出了国家的要求，所以不允许使用。为什么加氢站这么少，这是非常大的问题。
第二个从设备的损伤模式来说，常规的设备是有这么几个方式，一个是腐蚀减薄，碳酸、硫酸包括土壤腐蚀。第二类是硫化物、碳酸盐氨腐蚀等，第三个是机械疲劳，然后反复的疲劳，会造成开裂。包括高温的腐蚀，还有是材质劣化，在不锈钢的腐蚀，反过来氢有哪些损伤？现在为什么氢很多设备没放开，就跟常规下氢的损伤模式还没有完全修复有关系。在高温的状态下，220度和230度的这种，比如说氢鼓泡，对于来自于材料内部的氢和外部的氢，在材料的聚集形成的静态压造成的局部材料的隆起。同时，如果在高温状态下，氢可以和金属碳结合，产生甲烷。它也会是在一个小的封闭空间也会造成一些内部的损伤。同时，如果氢这种原子能小，聚集在不规则的规则中，就会造成氢清脆。还有氢质开裂等，虽然他们具有严格开裂的特征，但是这是氢所能造成的损伤。现在来看，我们常温状态下使用的氢是否会造成这样的后果，现在来看，从氢腐蚀这个角度来说，应该问题不是很大，因为我们现在使用的无论是运氢设备还是储氢设备，基本上都是85以下的，造成氢腐蚀的可能性不是很大，但是造成氢脆还是有可能，所有产生的机理，它现有的资料和一些情况，还没有有效的定论。如果是对于不锈钢，包括日本的储氢设备，里面是不锈钢，外面为了节省材料省钱慢慢用，目的就是说不锈钢的这种耐氢的损伤情况比较好。
第三个方面就是规范标准方面，规范标准方面，我们在储氢容器当中有一个是叫固定式按容器规范，这里面规定，只有工程直径大于500毫米的，才能属于这个规范管理的，但是现在有的设备，往往是小于500毫米的。但是它不能属于压容器，按照气瓶去设计。材料的话，基本上我们现在用的都是弱Mo性的，它从场管弱来的，但是结构都是纤维增强金属内胆瓶式。目前我们的压力是属于45Mpa，不算固定容器，现在还有的瓶规没出来，只有45Mpa，所以现在的气瓶有的不合法，因为它超出了规定，还没有有效验证。所以瓶其的角度来说，只能以4732设定。目前储氢的气瓶还没有一个标准，这也是制约加氢站发展的原因。
对于美国来说，有一个ASME的标准，对于小于6000PSI的规定，如果大于这个储氢压力，就必须要做一些认证性实验。因此阈值的实验以及疲劳开裂的困难率的测试。还有一个疲劳寿命的验证，临界的深度不小于0.25，临界长度不能小于1.5倍，他们是有一个严格的评价体系。现在过能有些已经接受了这样的准则，要么你做实验，要么压力降到45MPa以下，以后这个文件的出台，要造这个文件必须小于45Mpa，如果一通过，从加氢站的环节，是没有最后的障碍了。从国内外的标准来说，跟我们相近的大瓶制的，ISO的11120，从容器、压力、温度等几个方面，他们的范围要比国标大得多。还有材料的含氢量、含硫量，我们的国标要比国外的严格得多。从材料的性能来说，也是美国的标准宽松一些，以及其他的一些实验。一些批量实验，还有不知检的实验等，大部分看出来美国的标准不要求的，而中国的要求非常严。我们要求很严，同时缺乏很多的实验支撑，这是很有意思的悖论。从国内的相关标准来看，瓶式容器是两类，一个是按固定压容器设计的，一个是按大溶剂气瓶设计的。按照气瓶设计的比较松。制造方法全都是一样的，它仅仅是采用不同的设计规范，完全是无缝管旋压整体制造，分不清气瓶和容器，但是设计规范不一样。
从设计的角度来说，我们可以看到，按瓶容器设计，它要求相对松一些，按瓶来做的话还要有一些的实验。水压压力也比容器的要高，而且还要做产业容器的测试，打压前和打压后有没有变形？小气瓶可以，大气瓶难度大。目前市场超过了国家的标准的管理的步伐，然后造成了一些缺失，同时国家鼓励氢气的发展，但是管理上没跟上，而且有人分析说，对有些标准比较严，同时同一样的东西和不同样的要求，这对加氢站造成了一些风险。
第四个方面是检验，检验方面，我们院是全国唯一一家长管拖车大溶剂气瓶检验，我们检验了10万多支拖车。在谈质量和发展的情况下，安全也是非常重要的。同时我们也是具有全瓶式检验容器的单位。为了有效开展，因为有些实验室尽管是实验站，但是也存在几年以后到期的情况，去年发了一个函，我们提供了两个标准，一个是溶剂增大到42升，压力提到45Mpa，提到45Mpa，我们可以检验气瓶，否则的话没人敢检。这是现场检验站的照片，最后以12米长的液氮汽车进行气瓶实验，也是非常庞大的系统工程。
第五个是对检验情况进行探讨。刚才提到高温下面的氢损伤已经在国内外研究透彻，但是对于常温下的氢损伤没有定论，成果不是很多。第二个是Cr—Mo钢与H2新材料结构的问题，目前我们不知道美国6000PSI，只能说参考它的标准，如果参考它的标准要做各类韧性、强度因子等一些实验，而且给出最大的压力值。从目前的分析来说，常温下的氢损伤最主要的两点，一个是无论由于材料内部氢的存量，第二个由于外部储存氢往材料扩展，如果氢进到材料内部才会对它产生损伤或者是严重的后果。第二个就是缺口效应，通过做实验可以发现，使用的钢瓶和容器，如果内表面加工精度不是很高，我们知道有一点，高气瓶表面非常顺滑的，还有为了规避所有的规范，你45要降到41。这就是瓶式气瓶的矛盾点。
基于这些问题，因为我们加氢站今年刚刚开始，材料相容性、结果合理性、技术有效性，评价是否准确等都没有定轮，只能给出FFS（合理使用评价），只能这样做，但是合理使用评价资质，目前我们院只有两家有这样的资质。中国特种设备科检院有最大的检验实验室，5万平方米，2个部级工程中心和2个部级实验室，以及两个“十三五”的课题。
加氢站我们提供最佳安全保障。
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