鉅大LARGE | 點擊量：819次 | 2019年05月23日
如何確保氫能儲運設備安全，打造氫能產業順利發展
5月21日，由中國電池聯盟、中國電子節能技術協會電池專委會和中國化學與物理電源行業協會氫能及燃料電池分會(籌)聯合舉辦的“2019新型制氫技術與加氫站建設高峰論壇”在蘇州隆重召開，中國特種設備檢測研究院研究員石坤作了題目為“氫能儲運裝備檢測有關問題探討”的演講。以下為石坤演講速記全文：
很榮幸有這個機會跟大家交流一下，關于氫能設備方面的問題。上午很多專家從不同角度對氫能產業的發展做了詳細的闡釋。聽了很多很受啟發，但是更多是講氫能的效率，我不關心氫怎么來，也不關心你們怎么用，我關心設備是否安全。因為在氫產業當中，大量使用了特種設備。比如說煤化工也好、甲醇化工也好，包括儲氫、用氫都是使用了大量的特種設備。
今天我的講述是分幾個方面，一個是設備的情況，第二個是損傷模式，以及標準規范的相關要求，目前我們開展的設備檢驗情況，以及有關檢驗技術的探討。
從人類的視角來看，人類使用的燃料也是不斷更新換代，從遠古以來，從使用木材，到后期的大量使用煤炭，包括現在還在使用煤炭資源。以及到近現代石油的開發、天然氣的開采，到一定時間以后，我估計可能是到50年到100年以后，基本上以固態燃料為基礎的煤炭，基本上會退出人類燃料歷史的舞臺，最終是到以燃氣為主，氫氣、天然氣發展的模式。當然當中還有特種的發展，比如說核裂變的發展模式。這個從我個人的視角是這樣考慮的，無論是以碳、氫、氧為主要材料的，或者是以碳、氫為液態的石油，人類使用的模式，逐漸地是碳含量越來越少，氫和碳逐漸分離的這樣一個過程。而氫作為一種能源和燃料來說，它可以實現再生。從水電解來說，可以來自于水，推動它的反應又變成水。而且上午大家也介紹了，氫的能量密度是天然氣的3.4倍，汽油的3.3倍，煤炭的1.8倍。而且目前是有兩個情況，這跟大家的商業價值有不同的地方，中國有大量的過剩能源，一個是有1000億，棄光、棄水、棄風，過剩的電能，當然怎么應用是一個過程，每年多場一千萬噸的化工氫，你在這里不值錢，到加氫站又變成了另外一種。利用氫組成電能，這也是國家為什么發展的方面。另外從儲氫方式，從固態儲氫、液體儲氫還有比如說高壓儲氫、液態儲氫等幾個方面。目前在中國的加氫站，基本上都是物理高壓固態儲氫的方式，盡管氫目前有很多的方式，在半商業運營的層面上，還沒有像液體儲氫和固體儲氫的應用，聽說在新疆有的集團開發應用這方面的工作，這也是幾個儲氫方式的比較。
第三個是大量使用氫，氫運回來怎樣儲存，這是非常值得大家考慮和面對的瓶頸問題。從目前來說，近幾十年來，全世界包括中國在儲氫方面應用了各種各樣的設備，因為儲存的量越來越高，就增加了它的壓力，在獨特的能量情況下，增加儲存的能量就需要壓力，需要它的包裝度需要很強的強度，最開始使用的都是鍛造設備，這種設備造價非常高。后來不說氫的成本，這種設備的成本就遠高得多。然后為的降低成本，無論是美國、日本、中國的標準，就開發了纏繞式的儲氫方式。包括浙大開發的里面是U鋼，外面是碳纖維多層材料的方式，還有鋼板纏繞以及熱套的方式，都是不同的材料、不同的結構，以不同的工藝組裝到一塊兒，來達到分層制造，降低它的成本。包括目前所有的使用的瓶式容器，但是瓶式容器有一個很大的問題。目前來說，三型這種纖維增強的容器，國家還沒有有效的標準，還有一種儲氫設備，是地下儲氫容器、儲氫井，這種占地面積小。無論是50156我標準當中，都給予了這種設備的認可，它的安全比其他的設備阻斷小1/3，其他50米，它這個30米。它埋在地下沒有受輻射靜電的影響，而且它是100—300米，無論是溫度的變化它會有一個調制的過程，而且90%都是地下，受環境影響小。一旦失效它也是往上。從加氣站的發展軌跡來說，早期的加氣站，包括站內使用，都是小鋼氣組。后期，中國開發了小型的儲罐，三立方和四立方，很多的企業還在大量使用。到2000年以后，隨著大容器瓶，從美國引入中國以后，大量的加氫站使用瓶制容器，我的看法是過幾年以后，基本上這幾類設備同時并存，儲氣井、地面瓶式容器，甚至是基礎于混凝土這種材料的容器。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
現在來看，基本上在建的30幾個站的儲氫容器來說，基本上都是全金屬的，它的特點來說主要是單層的這種設備，當然現在孫總那里也有，就是屬于目前定義，氨氣瓶屬于三型的，但是目前沒有三型的，金屬類的全材料的這種容器，在目前的法規中還未給出明確的說法。目前大家談到了為什么加氫站這么少？其中有一個，在這里我跟大家說，也是我個人的觀點，也是事實，因為儲氫設備還未經過國家的允許。某種程度上，所有運行的加氫站都不是嚴格意義上的商業運營站，都僅僅是科研示范站。因為目前所有的儲氫容器是45，是超出了國家的要求，所以不允許使用。為什么加氫站這么少，這是非常大的問題。
第二個從設備的損傷模式來說，常規的設備是有這么幾個方式，一個是腐蝕減薄，碳酸、硫酸包括土壤腐蝕。第二類是硫化物、碳酸鹽氨腐蝕等，第三個是機械疲勞，然后反復的疲勞，會造成開裂。包括高溫的腐蝕，還有是材質劣化，在不銹鋼的腐蝕，反過來氫有哪些損傷？現在為什么氫很多設備沒放開，就跟常規下氫的損傷模式還沒有完全修復有關系。在高溫的狀態下，220度和230度的這種，比如說氫鼓泡，對于來自于材料內部的氫和外部的氫，在材料的聚集形成的靜態壓造成的局部材料的隆起。同時，如果在高溫狀態下，氫可以和金屬碳結合，產生甲烷。它也會是在一個小的封閉空間也會造成一些內部的損傷。同時，如果氫這種原子能小，聚集在不規則的規則中，就會造成氫清脆。還有氫質開裂等，雖然他們具有嚴格開裂的特征，但是這是氫所能造成的損傷。現在來看，我們常溫狀態下使用的氫是否會造成這樣的后果，現在來看，從氫腐蝕這個角度來說，應該問題不是很大，因為我們現在使用的無論是運氫設備還是儲氫設備，基本上都是85以下的，造成氫腐蝕的可能性不是很大，但是造成氫脆還是有可能，所有產生的機理，它現有的資料和一些情況，還沒有有效的定論。如果是對于不銹鋼，包括日本的儲氫設備，里面是不銹鋼，外面為了節省材料省錢慢慢用，目的就是說不銹鋼的這種耐氫的損傷情況比較好。
第三個方面就是規范標準方面，規范標準方面，我們在儲氫容器當中有一個是叫固定式按容器規范，這里面規定，只有工程直徑大于500毫米的，才能屬于這個規范管理的，但是現在有的設備，往往是小于500毫米的。但是它不能屬于壓容器，按照氣瓶去設計。材料的話，基本上我們現在用的都是弱Mo性的，它從場管弱來的，但是結構都是纖維增強金屬內膽瓶式。目前我們的壓力是屬于45Mpa，不算固定容器，現在還有的瓶規沒出來，只有45Mpa，所以現在的氣瓶有的不合法，因為它超出了規定，還沒有有效驗證。所以瓶其的角度來說，只能以4732設定。目前儲氫的氣瓶還沒有一個標準，這也是制約加氫站發展的原因。
對于美國來說，有一個ASME的標準，對于小于6000PSI的規定，如果大于這個儲氫壓力，就必須要做一些認證性實驗。因此閾值的實驗以及疲勞開裂的困難率的測試。還有一個疲勞壽命的驗證，臨界的深度不小于0.25，臨界長度不能小于1.5倍，他們是有一個嚴格的評價體系。現在過能有些已經接受了這樣的準則，要么你做實驗，要么壓力降到45MPa以下，以后這個文件的出臺，要造這個文件必須小于45Mpa，如果一通過，從加氫站的環節，是沒有最后的障礙了。從國內外的標準來說，跟我們相近的大瓶制的，ISO的11120，從容器、壓力、溫度等幾個方面，他們的范圍要比國標大得多。還有材料的含氫量、含硫量，我們的國標要比國外的嚴格得多。從材料的性能來說，也是美國的標準寬松一些，以及其他的一些實驗。一些批量實驗，還有不知檢的實驗等，大部分看出來美國的標準不要求的，而中國的要求非常嚴。我們要求很嚴，同時缺乏很多的實驗支撐，這是很有意思的悖論。從國內的相關標準來看，瓶式容器是兩類，一個是按固定壓容器設計的，一個是按大溶劑氣瓶設計的。按照氣瓶設計的比較松。制造方法全都是一樣的，它僅僅是采用不同的設計規范，完全是無縫管旋壓整體制造，分不清氣瓶和容器，但是設計規范不一樣。
從設計的角度來說，我們可以看到，按瓶容器設計，它要求相對松一些，按瓶來做的話還要有一些的實驗。水壓壓力也比容器的要高，而且還要做產業容器的測試，打壓前和打壓后有沒有變形？小氣瓶可以，大氣瓶難度大。目前市場超過了國家的標準的管理的步伐，然后造成了一些缺失，同時國家鼓勵氫氣的發展，但是管理上沒跟上，而且有人分析說，對有些標準比較嚴，同時同一樣的東西和不同樣的要求，這對加氫站造成了一些風險。
第四個方面是檢驗，檢驗方面，我們院是全國唯一一家長管拖車大溶劑氣瓶檢驗，我們檢驗了10萬多支拖車。在談質量和發展的情況下，安全也是非常重要的。同時我們也是具有全瓶式檢驗容器的單位。為了有效開展，因為有些實驗室盡管是實驗站，但是也存在幾年以后到期的情況，去年發了一個函，我們提供了兩個標準，一個是溶劑增大到42升，壓力提到45Mpa，提到45Mpa，我們可以檢驗氣瓶，否則的話沒人敢檢。這是現場檢驗站的照片，最后以12米長的液氮汽車進行氣瓶實驗，也是非常龐大的系統工程。
第五個是對檢驗情況進行探討。剛才提到高溫下面的氫損傷已經在國內外研究透徹，但是對于常溫下的氫損傷沒有定論，成果不是很多。第二個是Cr—Mo鋼與H2新材料結構的問題，目前我們不知道美國6000PSI，只能說參考它的標準，如果參考它的標準要做各類韌性、強度因子等一些實驗，而且給出最大的壓力值。從目前的分析來說，常溫下的氫損傷最主要的兩點，一個是無論由于材料內部氫的存量，第二個由于外部儲存氫往材料擴展，如果氫進到材料內部才會對它產生損傷或者是嚴重的后果。第二個就是缺口效應，通過做實驗可以發現，使用的鋼瓶和容器，如果內表面加工精度不是很高，我們知道有一點，高氣瓶表面非常順滑的，還有為了規避所有的規范，你45要降到41。這就是瓶式氣瓶的矛盾點。
基于這些問題，因為我們加氫站今年剛剛開始，材料相容性、結果合理性、技術有效性，評價是否準確等都沒有定輪，只能給出FFS（合理使用評價），只能這樣做，但是合理使用評價資質，目前我們院只有兩家有這樣的資質。中國特種設備科檢院有最大的檢驗實驗室，5萬平方米，2個部級工程中心和2個部級實驗室，以及兩個“十三五”的課題。
加氫站我們提供最佳安全保障。
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