丁莉麗

(中石化青島安全工程研究院有限公司，山東青島 266104)

0 前言

國際氫能委員會曾發(fā)布報告稱，氫能源是能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要方式，氫能具有來源廣泛、利用高效、清潔環(huán)保等特點，既是清潔能源，又是支撐化石能源清潔化、可再生能源規(guī)模化的重要手段，基于這些特點，氫能產(chǎn)業(yè)鏈正在不斷延伸和完善，氫的電解制取、儲氫材料、氫的運輸、燃料電池等氫能技術(shù)不斷發(fā)展。

為積極推動氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，各國政府都加大力度推進加氫站的建設(shè)，根據(jù)公開資料統(tǒng)計，截至2020年底，全球運營中的加氫站共有553座，另外有225座加氫站正在計劃投建。僅2020年，全球共有107座加氫站投入使用，其中，歐洲29座，亞洲72座，北美洲6座。有4個國家在擴張方面表現(xiàn)出了特別的活力：德國增加了14座加氫站，中國增加了18座，韓國增加了26座，日本增加了28座。

氫氣易燃易爆，燃燒范圍寬(4%～75%)、點火能量低、擴散系數(shù)大且易對材料力學(xué)性能產(chǎn)生劣化，在制備、儲存、運輸、加注和使用過程中均具有潛在的泄漏和火災(zāi)爆炸危險，因此，氫能安全是車用氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前提。

1 國內(nèi)外車用氫能安全事故統(tǒng)計分析

通過查詢2000—2020年間美國H2Tools數(shù)據(jù)庫、日本High Pressure Gas Safety Act數(shù)據(jù)庫、歐盟HIAD數(shù)據(jù)庫和我國化學(xué)品事故信息網(wǎng)，共查得90例車用氫能產(chǎn)業(yè)鏈的制取提純、供氫母站、公路運輸、加氫站4大環(huán)節(jié)的國內(nèi)外有關(guān)事故，事故主要發(fā)生在以下5方面：①設(shè)計缺陷：未按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行臨氫設(shè)備的設(shè)計或制造；②密封失效：包括閥門、法蘭、墊片等位置的密封結(jié)構(gòu)失效；③設(shè)備失效：臨氫設(shè)備或安全設(shè)施故障；④操作失誤或維護不當(dāng)：人為失誤或未按照相關(guān)規(guī)定進行設(shè)備維護；⑤交通事故：氫氣運輸車輛事故。

1.1 氫能制取和提純環(huán)節(jié)事故統(tǒng)計

當(dāng)前氫能大規(guī)模制取80%主要是通過化石燃料制取，包括煤制氫、天然氣制氫等，主要的提純工藝是變壓吸附分離(PSA)。無論是化石燃料制氫還是PSA工藝，在煉油、化工、化肥等行業(yè)均有數(shù)十年的應(yīng)用實踐并形成了較為可靠的安全管控措施，因而氫能制取和提純環(huán)節(jié)事故并不頻發(fā)。相關(guān)數(shù)據(jù)庫中氫能制取和提純環(huán)節(jié)事故案例共12例，其中設(shè)備失效5例，密封失效4例，這兩種失效導(dǎo)致了75%的事故，見圖1，同時上述事故中共有9例最終發(fā)展成為火災(zāi)或爆炸。氫能制氫及提純環(huán)節(jié)應(yīng)從設(shè)計安全和運行安全兩個方面提升該環(huán)節(jié)的安全性。

圖1 氫能制取和提純環(huán)節(jié)安全事故統(tǒng)計分類

1.2 運輸環(huán)節(jié)事故分析

車用氫能運輸主要通過管束車和儲氫瓶，涉及到的設(shè)備相對簡單。相關(guān)數(shù)據(jù)庫中車用氫能運輸相關(guān)事故案例共24例，見圖2，其中9例為交通事故，占比最高。儲氫瓶、閥門、管道連接件、安全泄放裝置等導(dǎo)致的設(shè)備失效和密封失效也是事故高發(fā)的另一誘因。此外，還有部分事故是因工作人員錯誤操作引發(fā)。這些事故中，33%最后發(fā)展為火災(zāi)或爆炸事故。

圖2 氫能運輸環(huán)節(jié)安全事故統(tǒng)計分類

1.3 供氫母站環(huán)節(jié)事故分析

供氫母站主要是為管束車、儲氫瓶充裝氫氣的場所，相關(guān)數(shù)據(jù)庫中供氫母站環(huán)節(jié)事故案例最少，僅有6例，見圖3，均發(fā)生在管束車充裝過程，3例是由閥門、密封件、爆破片失效導(dǎo)致，2例為員工操作失誤導(dǎo)致，1例為設(shè)計問題，其中3例最后發(fā)展成為火災(zāi)或爆炸事故。

圖3 供氫母站環(huán)節(jié)安全事故統(tǒng)計分類

1.4 加氫站及合建站環(huán)節(jié)事故分析

加氫站工藝復(fù)雜，設(shè)備眾多，且涉及高壓、易燃、易爆氣體，各個節(jié)點均存在一定的風(fēng)險。以美日兩國為例，本研究中考慮的日本加氫站類型為使用天然氣或其他能源的現(xiàn)場制氫式，以及接收氣態(tài)氫和液態(tài)氫并進行存儲的外部供氫式。本研究中考慮的部分美國加氫站為使用液態(tài)氫的外部供氫式，其他加氫站的類型尚不清楚。相關(guān)數(shù)據(jù)庫中加氫站及合建站環(huán)節(jié)事故案例共有48例，見圖4，其中占比最高的密封失效，達到46%，大多數(shù)此類事故均由法蘭、墊片、閥門等接頭部位的泄漏導(dǎo)致，其他事故的原因包括設(shè)計問題、設(shè)備失效、人員操作失誤等原因。48例事故中，最終有19%發(fā)展為火災(zāi)或爆炸事故，說明如果能在氫氣泄漏早期及時發(fā)現(xiàn)并采取有效措施，能夠有效防止事故的進一步擴大。

圖4 國外加氫站事故統(tǒng)計分類

由圖4可知，泄漏2(法蘭、閥門、密封件等損壞)是最常發(fā)生的加油站事故類型，大多數(shù)的此類事故是因為密封結(jié)構(gòu)沒有完全上緊導(dǎo)致密封失效。例如2019年6月10日發(fā)生在挪威奧斯陸的加氫站起火爆炸事故起因就是高壓儲存單元的螺栓安裝故障(預(yù)緊力不足)，因螺栓未完全擰緊導(dǎo)致密封圈處有少量泄漏，并進一步導(dǎo)致密封圈磨損，最終泄漏量超過泄漏孔的承受能力，氫氣失控泄漏。

泄漏1(主體設(shè)備和管道故障或損壞)事故的數(shù)量相對較少，此類事故多數(shù)是由于設(shè)計失誤引起，例如在設(shè)計過程中沒有充分考慮到設(shè)備振動等引起的疲勞失效或因使用了與氫氣不相容的材料。

泄漏3(人為操作失誤或其他影響)主要原因在于人工操作，因日本不允許采用自助加氫，因此少見此類事故的報導(dǎo)。如果未來加氫站要像加油站一樣提供更多的自助服務(wù)，需要考慮顧客加油過程中會出現(xiàn)的各種類型的失誤操作，并提供相應(yīng)的保護措施和開發(fā)相應(yīng)的安全設(shè)備。

火災(zāi)和爆炸事故是泄漏引起的更加嚴(yán)重的事故，此類事故中設(shè)計失誤和制造失誤的占比為44%，因此要避免大事故，需要從源頭上對涉氫設(shè)備加強管理。

圖2～圖4是2004—2015年日本、美國兩個國家在加氫站的整個流程中發(fā)生的事故，由圖可見：泄漏2是日本和美國加氫站中最常報告的泄漏類型，大多數(shù)泄漏2事件是由扭矩和密封不足引起的；日本發(fā)生泄漏2事故的數(shù)量相比美國明顯偏高，主要原因是日本在氫氣設(shè)備和管道之間的連接中多采用螺栓連接，而美國更多采用的是焊接，對于氫氣這種高壓儲存和運輸?shù)臍怏w，需要盡量減少密封點的數(shù)量；泄漏1常見的原因主要是設(shè)備設(shè)計錯誤，日本加注系統(tǒng)接頭的振動疲勞和充裝軟管疲勞引起泄漏事故；美國充裝軟管疲勞、管道焊接部件疲勞、卸壓閥使用不合格材料以及充裝軟管的維護不良引起泄漏事故?？梢园l(fā)現(xiàn)在加氫站的全流程中幾乎每個環(huán)節(jié)點都發(fā)生過氫氣事故，因此在每個環(huán)節(jié)上對氫氣泄漏的監(jiān)控都非常重要。

2 國內(nèi)外車用氫能安全風(fēng)險分析

a) 氫能制取及純化環(huán)節(jié)。化石燃料制氫過程反應(yīng)溫度高，轉(zhuǎn)化爐溫度高達800～900 ℃，壓力達到3～4 MPa，高溫、高壓疊加臨氫環(huán)境以及開停工及檢維修過程涉氫操作是制氫裝置面臨的主要風(fēng)險；水電解制氫系統(tǒng)主要風(fēng)險是氫氣泄漏及爆炸，包括氫氣泄漏、流動過程產(chǎn)生的靜電火花、氫氣的吸附劑動火前未充分置換、制氫站內(nèi)電氣儀表選型不當(dāng)以及防雷接地不當(dāng)；氨分解制氫裝置主要風(fēng)險是氨分解制氫生產(chǎn)過程中涉及的壓力容器或壓力管道有可能因操作失誤或設(shè)備故障發(fā)生超壓導(dǎo)致物理爆炸，以及氨發(fā)生大量泄漏引發(fā)窒息風(fēng)險。

b) 氫氣運輸環(huán)節(jié)。管束車運輸方式上，國內(nèi)常采用20 MPa管束車運氫，國外常采用45 MPa纖維全纏繞高壓氫瓶管束車運氫，主要的危險特征是高壓爆炸；管道運輸方式上，長距離輸氫管道一個很重要的安全問題是氫脆，錳鋼、鎳鋼及其它高強度鋼長期暴露在氫氣中強度會大大降低，導(dǎo)致失效，另外管道內(nèi)氫氣流動流速過大，與管壁摩擦增強，特別是管道內(nèi)含有鐵銹等雜質(zhì)時，易形成火花引發(fā)火災(zāi)、爆炸事故。

c) 供氫母站。普遍存在自動化規(guī)范化水平較低引發(fā)安全隱患的問題，氫氣裝載棧臺設(shè)計不規(guī)范，管線凌亂，閥門缺少有效維護；管束車與裝卸臺依靠螺紋手動連接，密閉性依靠肥皂泡人工測漏，時效性和可靠性較低；管束車、壓縮機等關(guān)鍵設(shè)備的運行狀態(tài)檢查依靠人工，使得設(shè)備狀態(tài)參數(shù)偏離有效范圍不能及時預(yù)警及切斷。

d) 加氫站環(huán)節(jié)。此環(huán)節(jié)的主要風(fēng)險：①高壓作用下臨氫零部件(法蘭、墊片、閥門等)引發(fā)的泄漏，高壓氫氣泄漏容易發(fā)生自燃形成噴射火；②加氫站儲氫容積大，壓縮能量多，氫氣易燃易爆，失效危害嚴(yán)重；③高壓儲氫系統(tǒng)長期工作在高壓、高純氫氣環(huán)境中易發(fā)生氫脆，容易引發(fā)物理爆炸風(fēng)險；④儲氫容器壓力波動頻繁且范圍大，具有低周疲勞破壞危險；⑤氫氣的帶電性致使儲罐出口及輸氣管道處易發(fā)生靜電積聚，當(dāng)儲罐及輸氣管道接地裝置發(fā)生故障時易引發(fā)火災(zāi)爆炸事故。

3 車用氫能安全利用對策探討

通過氫能制取與純化、氫能運輸、供氫母站及加氫站風(fēng)險分析和事故統(tǒng)計，結(jié)合氫能性質(zhì)分析可知，氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸，氫能產(chǎn)業(yè)鏈安全風(fēng)險主要集中加氫站環(huán)節(jié)，其主要原因是高壓儲存及氫氣泄漏所致。在參照國外積累的多年安全實踐經(jīng)驗基礎(chǔ)上，本研究形成了相應(yīng)的安全利用思路及對策，分為如下4個方面。

a) 加強氫能產(chǎn)業(yè)頂層設(shè)計，建立健全氫能安全標(biāo)準(zhǔn)體系。氫能產(chǎn)業(yè)涉及到的政府管理部門較多，亟待國家做好頂層設(shè)計，根據(jù)“構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系”的要求及“雙碳”發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，科學(xué)研判我國能源結(jié)構(gòu)特征及發(fā)展趨勢，統(tǒng)籌氫能在我國能源結(jié)構(gòu)中的地位，制訂我國氫能發(fā)展規(guī)劃，提升我國能源供應(yīng)安全性；為保障氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)范化、規(guī)?；l(fā)展，針對我國氫能安全標(biāo)準(zhǔn)體系的短板，建議結(jié)合我國氫能發(fā)展特征及規(guī)劃，從安全設(shè)計、工藝、設(shè)備選型及運行管理、安全風(fēng)險評估、泄漏及燃爆防護、應(yīng)急消防技術(shù)等方面，形成科學(xué)、合理、指導(dǎo)意義較強的氫能安全標(biāo)準(zhǔn)。

b) 強化氫能安全基礎(chǔ)研究，加快建立氫安全檢驗檢測體系。引導(dǎo)及資助有實力的科研單位開展氫能安全基礎(chǔ)研究，包括高壓氫氣及低溫液氫在敞開及受限空間內(nèi)泄漏、擴散、自燃、爆炸等致災(zāi)事故的發(fā)生機制、影響規(guī)律及安全風(fēng)險量化評估，形成氫能安全基礎(chǔ)理論體系；在標(biāo)準(zhǔn)體系建立基礎(chǔ)上，對標(biāo)國際一流氫安全檢測機構(gòu)，組建國內(nèi)第三方氫安全檢測中心，包括氫能產(chǎn)品安全檢驗及認(rèn)證、臨氫設(shè)備性能測試等，比如高壓儲氫用儲氫罐、管道、閥門、安全泄放附件(爆破片、泄壓閥、阻火器等)、加注設(shè)備(加氫槍、軟管)等關(guān)鍵部件測試裝置、高壓氫氣安全泄放自燃檢測試驗裝置，進一步研究關(guān)鍵臨氫部件的材料兼容性、標(biāo)準(zhǔn)化測試方法、失效模式以及關(guān)鍵設(shè)備火災(zāi)爆炸暴露性能，搭建高壓臨氫設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫。

c) 加快氫能安全防護技術(shù)研發(fā)，為氫能安全利用提供技術(shù)支撐。提升高覆蓋率快速氫氣泄漏感知及火焰識別技術(shù)，供氫母站、加氫站安全事故大多數(shù)歸因于法蘭、墊片、閥門等引發(fā)的泄漏，因此如何快速、準(zhǔn)確識別薄弱環(huán)節(jié)的氫氣泄漏技術(shù)是關(guān)鍵，需研發(fā)高覆蓋率、低成本、方便部署和具備智能化監(jiān)測能力的氫氣泄漏感知技術(shù)，實現(xiàn)有效檢測及快速預(yù)警；提升高壓臨氫設(shè)備本質(zhì)安全化水平，包括臨氫材料選擇及臨氫設(shè)備防護，臨氫材料應(yīng)考慮與高壓氫氣、鄰近材料、使用條件、周圍環(huán)境等的相容性，臨氫設(shè)備應(yīng)具有失效-安全設(shè)計、自動安全操作、預(yù)警裝置及必要的安全附件，比如高壓儲氫容器應(yīng)配備泄壓裝置避免超壓，氫氣專用阻火器；針對氫氣生產(chǎn)、儲存、運輸、使用等環(huán)節(jié)，建立氫能全生命鏈條的智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過制氫企業(yè)、供氫母站、管束車、加氫站、燃料電池汽車等平臺采集數(shù)據(jù)并上傳至氫能安全監(jiān)管平臺，實現(xiàn)氫能全生命鏈條的大數(shù)據(jù)監(jiān)測與風(fēng)險預(yù)警，為設(shè)備性能優(yōu)化、安全運營、應(yīng)急處置提供依據(jù)。