陳志偉，賈曉亮，李 翔，薄 柯，吉 方

(1.中國特種設備檢測研究院,北京 100029;2.全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會,北京 100029)

0 引言

由于傳統的化石能源造成的環(huán)境污染日趨嚴重以及溫室氣體排放的迅速增加，許多國家開展了新能源的研究及產業(yè)布局工作。氫能作為綠色清潔能源，以其高效、無污染的優(yōu)勢成為開發(fā)熱點之一。隨著氫能應用及氫燃料電池汽車的飛速發(fā)展，為氫燃料電池補充氫氣的加氫站也開始在全球各地廣泛布局和建設[1]。

美國計劃到2030年，要建成并投用5 600座加氫站；到2050年，氫能將占據美國能源需求的14%[1]。日本計劃到2030年，投放市場的氫燃料電池車達到200萬輛，加氫站建設規(guī)模超過900座。歐盟則計劃到2030年加氫站建設規(guī)模達到3 750座[2-3]。截至2022年，我國已建成加氫站超過250座，約占全球總數的40%。加氫站分為氣氫加氫站和液氫加氫站，目前我國建成和規(guī)劃的加氫站，大多采用高壓氣氫加氫站模式，暫無正式投入運營的液氫加氫站[4-5]。中國“十四五”規(guī)劃中，氫能的定位為戰(zhàn)略新興產業(yè)及需要進行前瞻謀劃的未來產業(yè)。中國石化也明確提出，要在“十四五”期間加快發(fā)展以氫能為核心的新能源業(yè)務，擬規(guī)劃布局1 000座加氫站或油氫合建站[6-7]。

加氫站中的氫氣通常以高壓氣體的形式儲存于壓力容器中。目前可用于高壓氣態(tài)儲氫的壓力容器分為4種，分別為多層包扎容器、鋼帶錯繞式容器、單層旋壓無縫容器、纖維纏繞式容器。4種容器的結構示意圖如圖1所示。多層包扎容器和鋼帶錯繞式容器雖然具有容積大、抗氫脆性良好的優(yōu)點，但也存在制造工藝較復雜、生產及維護成本較高且定期檢驗困難等問題。單層旋壓無縫壓力容器一般采用管材通過旋壓成形工藝制造，具有制造、運維成本低的優(yōu)點且定期檢驗方便，故目前廣泛作為加氫站高壓儲氫容器存儲單元。本文中將該類容器簡稱為“旋壓無縫容器”。

圖1 4種高壓氣態(tài)儲氫壓力容器

以下對國內外標準中有關高壓氣態(tài)儲氫容器材料、設計制造、在役檢驗及管理維護等環(huán)節(jié)的技術要求進行對比研究，主要分析這些標準在選材依據、試驗測試、結構設計、所考慮的失效模式等方面的差異，并對未來相關標準化工作及基礎研究工作提出一些建議。

1 國內外高壓氣態(tài)儲氫技術標準

為保障加氫站的安全運行及氫能產業(yè)的健康發(fā)展，世界各主要工業(yè)發(fā)達國家均制定了適合于本國加氫站技術特點的氫能技術標準。國際標準化組織(ISO)已發(fā)布了61項氫能技術標準。美國機械工程師協會(ASME)、美國航空航天學會(AIAA)、加拿大標準協會美國分會(CSA)等機構制定了23項美國氫能技術標準。為支撐我國氫能產業(yè)發(fā)展，我國也制定了84項加氫站相關的氫能技術標準[7]。現有氫能技術標準中，與高壓氣態(tài)儲氫容器相關的國內外標準統計見表1[8]。

從表1可以看出，當前高壓氣態(tài)儲氫容器標準主要涉及材料、設計制造、在役檢驗及管理維護三個類別。在材料方面，ISO、美國及中國均發(fā)布了多項標準，這些標準通過測試相應的指標，對材料在高壓氫環(huán)境下的性能進行評定；在設計方面，ISO正在起草適用于長期固定式存儲的大容積高壓儲氫氣瓶(組)的專項建造標準，美國則是在壓力容器通用建造方法中增加了關于高壓儲氫容器設計的特殊要求，中國發(fā)布了鋼帶錯繞式儲氫容器的專項建造標準；在在役檢驗及管理維護方面，ISO和美國尚無此類標準，中國已發(fā)布了1項團體標準并有2項行業(yè)標準正在制訂中。

加氫站建設標準大多引用了高壓氣態(tài)儲氫容器材料和設計制造標準作為支撐。對于材料方面，ISO 19880和CSA HGV 4.9中規(guī)定在選材時應依據相應的標準確定氫環(huán)境下的材料性能；GB 50516規(guī)定高壓氣態(tài)儲氫設備金屬材料在氫環(huán)境下的性能測試應符合GB/T 34542.2及GB/T 34542.3的規(guī)定。對于設計方面，ISO 19880規(guī)定高壓氣態(tài)儲氫容器的設計方法應符合相關國家標準的要求；CSA HGV 4.9規(guī)定高壓氣態(tài)儲氫容器的設計應符合ASME Ⅷ的要求；與ISO及美國標準不同，GB 50156中僅原則性地規(guī)定在進行高壓氣態(tài)儲氫容器設計時，必須對容器的塑性垮塌、局部過度應變、疲勞和泄漏失效模式進行評定，而未引用具體的壓力容器建造標準進行支撐，這主要是因為我國壓力容器建造方法國家標準中尚未明確針對不同的失效模式應采用何種方法進行設計，且目前只有針對鋼帶錯繞式儲氫容器建造的國家標準。

表1 國內外高壓氣態(tài)儲氫容器相關標準

2 材料標準

高壓氣態(tài)儲氫容器在氫環(huán)境下的材料性能標準可分為兩類，一類為測試方法標準；一類為分級評價標準。這兩類標準中用于評定氫環(huán)境下材料性能的指標主要包括氫脆敏感度系數、氫致開裂應力強度因子門檻值、疲勞裂紋擴展速率曲線、慢應變速率拉伸曲線、光滑圓棒試樣的疲勞壽命、試件斷裂的臨界氫含量等。統計的國內外11項高壓氣態(tài)儲氫容器材料技術標準如表2所示。

表2 國內外高壓氣態(tài)儲氫容器材料技術標準

2.1 國際標準

氫環(huán)境下材料性能測試方法標準主要涉及6種試驗：圓片試驗、恒載荷拉伸試驗、氫致開裂應力強度因子門檻值試驗、慢應變速率拉伸試驗、疲勞裂紋擴展速率試驗、疲勞壽命試驗。通過表2可知，ISO 11114-4，ANSI/CSA CHMC 1，ASME Ⅷ標準均要求對材料進行多項試驗后，綜合所有試驗結果評定材料在氫環(huán)境下的性能；而ISO 16573,ASTM F1459,ASTM F1624及ASTM G142標準則是通過單項試驗評定氫環(huán)境下材料的性能。此外，ISO標準與美國標準所包含的試驗類型也有所不同，如ISO 16537給出了基于恒載荷拉伸試驗的試件斷裂臨界氫含量的測試方法，而美國的標準不包含該方法；同時，美國的ANSI/CSA CHMC 1標準給出了基于光滑圓棒的疲勞試驗方法用于材料性能的測定，而ISO標準中不包含該方法。

目前，只有ISO發(fā)布了ISO 11114-1和ISO/TR 15916兩項氫環(huán)境下的材料性能分級評價標準用于指導涉氫設備的選材工作。其中，ISO/TR 15916根據不同金屬在氫環(huán)境下的氫脆嚴重程度將氫脆敏感性分為極度脆化、嚴重脆化、輕度脆化、基本不脆化4個等級，并且以表格的形式給出了6個鋁合金牌號、1個合金鋼牌號、3個碳鋼牌號、1個鎳基合金牌號、9個不銹鋼牌號和4個鈦和鈦合金牌號的氫脆敏感性級別。同時，ISO/TR 15916將金屬對氣態(tài)氫系統的適用性分成了3個級別(適用、不適用、通過評估確定適用性)，并且以表格的形式給出了不同種類材料的推薦級別。ISO 11114-1以分類評價的方式給出了碳鋼、合金鋼、奧氏體不銹鋼、鋁合金及鎳基合金5種鋼材對氫的相容程度，并給出了影響氫環(huán)境下金屬材料性能的關鍵因素。

2.2 中國標準

GB/T 34542.2和GB/T 34542.3均為試驗方法標準。其中，GB/T 34542.2規(guī)定根據金屬材料在高壓氫氣環(huán)境下的氫致開裂應力強度因子門檻值試驗、慢應變速率拉伸試驗、疲勞裂紋擴展速率試驗及疲勞壽命試驗結果評定金屬在氫環(huán)境下的性能。GB/T 34542.3規(guī)定基于圓片試驗獲得的氫脆敏感系數判斷材料的氫脆敏感程度。與美國標準類似，我國氫環(huán)境下的材料性能試驗方法標準不包含基于恒載荷拉伸試驗的試件斷裂臨界氫含量測試方法。

2.3 標準對比

ISO的高壓氣態(tài)儲氫容器材料標準覆蓋了試驗方法與分級評價兩個類別，而中國和美國的高壓氣態(tài)儲氫容器材料標準均只包含試驗方法標準，尚缺乏分級評價標準。

雖然我國標準給出了氫環(huán)境下的材料性能試驗方法，但在實際應用中，每個儲氫容器生產企業(yè)在進行儲氫容器建造前均單獨進行試驗來判定所選臨氫材料的性能與容器設計條件是否匹配。如果試驗研究及分析結果表明所選材料性能不滿足設計要求，則需通過調整生產工藝，改善材料性能并重新試驗，這極大地增加了儲氫容器的建造成本。另外，高壓氣態(tài)儲氫容器通常采用牌號為4130X的Cr-Mo鋼制造，但我國現行的壓力容器標準中并未有引入4130X鋼。4130X鋼在氫環(huán)境下的基礎力學性能數據積累不足，尤其是在高壓氫環(huán)境下的疲勞設計曲線、疲勞裂紋擴展速率曲線及材料斷裂韌度數據缺失問題亟待解決。

3 設計制造標準

高壓氣態(tài)儲氫容器具有工作壓力高、壓力波動頻繁且范圍大、容積大、壓縮能量高、儲存的高純氫氣易燃易爆等特點，故高壓氣態(tài)儲氫容器結構易發(fā)生的失效模式主要有以下5種形式：塑性垮塌、局部過度應變、脆性斷裂、疲勞、泄漏。本文收集到7項高壓氣態(tài)儲氫容器建造標準，各標準中包含失效模式的分類統計如表3所示。

表3 國內外高壓氣態(tài)儲氫容器設計相關標準包含的失效模式

3.1 國際標準

在ISO標準中尚無儲氫容器建造的標準，故在本次研究中將ISO/DIS 19884作為對比標準之一。ISO/DIS 19884規(guī)定的無縫金屬制固定式存儲用高壓儲氫氣瓶(組)在結構、體積及操作壓力等方面與我國加氫站用單層旋壓無縫壓力容器類似。

ISO/DIS 19884標準主要給出了水容積不大于10 000 L且操作壓力不大于110 MPa的固定式存儲用無縫金屬制及復合材料制高壓儲氫氣瓶(組)的設計制造方法，并在標準中將固定式存儲用高壓儲氫氣瓶(組)簡稱為“壓力容器”；另外，該標準將ASME BPVC作為規(guī)范性引用文件，并在疲勞評定中引用了ASME Ⅷ-3中針對高壓儲氫容器疲勞評定的斷裂力學法。

ISO/DIS 19884標準要求必須基于有限元方法并考慮幾何及材料力學性能非線性影響進行結構設計。在設計完成后，ISO/DIS 19884要求對容器試制樣品及材料進行氫相容性試驗、氫脆敏感度試驗、耐壓試驗、爆破試驗、未爆先漏試驗、極限溫度下的循環(huán)加載試驗、高應變速率下沖擊試驗、化學爆炸試驗、氫環(huán)境下的循環(huán)加載試驗、火燒試驗等，用以保證容器的安全性。ISO/DIS 19884雖然未在設計計算環(huán)節(jié)采用防止各種可能失效模式的計算方法，但在試驗測試環(huán)節(jié)，根據容器可能發(fā)生的失效模式規(guī)定了對應的試驗，以防止失效的發(fā)生。

美國高壓容器建造標準ASME Ⅷ-3中規(guī)定了塑性垮塌、局部過度應變、快速斷裂等高壓容器常見的失效模式評定方法，并在KD-10章中給出高壓氣態(tài)儲氫容器設計的特殊要求。KD-10章指出，在進行儲氫容器設計時，要測試材料的平面應變斷裂韌度、氫致開裂應力強度因子門檻值和疲勞裂紋擴展速率，并采用斷裂力學方法對儲氫容器進行疲勞評定。在制造方面，ASME標準并未針對儲氫容器給出特殊的規(guī)定。

3.2 中國標準

目前我國的壓力容器核心建造方法標準均未提及對加氫站高壓儲氫容器的特殊要求。雖然JB 4732中已經給出了壓力容器塑性垮塌評定和基于疲勞設計曲線的疲勞評定方法，但一定程度上，高壓氫環(huán)境下疲勞設計曲線缺失問題制約了JB 4732在高壓儲氫容器設計中的應用[9-11]。另外，我國壓力容器建造標準中尚缺少針對高壓儲氫容器局部過度應變、泄漏及基于斷裂力學法的疲勞評定方法。

在壓力容器特定建造方法方面，我國僅有GB/T 26466這一項高壓儲氫容器建造標準，且其只適用于鋼帶錯繞式儲氫容器的建造。針對正處于快速發(fā)展階段的旋壓無縫高壓儲氫容器，尚無用于該類容器建造的國家標準。我國已發(fā)布的團體標準T/CATSI 05003對旋壓無縫儲氫容器的建造提出了原則性要求；同時，我國另一項團體標準T/CATSI 02013對加氫站用高壓儲氫氣瓶(組)的技術要求進行了規(guī)定，其內容與ISO/DIS 19884類似，主要對高壓氫氣瓶用于加氫站儲氫時應滿足的技術要求作出了規(guī)定。

當前我國對于儲氫容器建造參照的標準如下：鋼帶錯繞式容器按GB/T 26466建造；多層包扎式容器按GB/T 150或JB 4732建造；對于旋壓無縫儲氫容器，由于現階段缺乏相應的國家或行業(yè)標準，企業(yè)一般會參考T/CATSI 05003—2020《加氫站儲氫壓力容器專項技術要求》和特種設備相關法規(guī)研制企業(yè)標準開展儲氫容器的設計制造。

3.3 標準對比

國內外標準化技術組織對高壓氣態(tài)儲氫容器設計的規(guī)定方式分為兩種：一種是在壓力容器通用建造方法標準中單獨對儲氫容器設計制造進行規(guī)定；另一種是制定高壓氣態(tài)儲氫容器專項建造標準。這些標準均直接或間接地針對高壓氣態(tài)儲氫容器的5種常見失效模式給出了對應的設計方法。

其中，ISO/DIS 19884和T/CATSI 02013采用氣瓶的設計制造理念對固定式存儲用高壓儲氫氣瓶(組)進行建造，并通過試驗對儲氫氣瓶(組)防止失效的能力進行了驗證。ASME Ⅷ-3和T/CATSI 05003則給出了用于高壓儲氫容器設計的塑性垮塌評定、局部過度應變評定及斷裂力學評定方法，但并未給出防止泄漏的設計方法及高壓氫環(huán)境下的疲勞設計曲線。在制造方面，GB/T 26466 對鋼帶錯繞式儲氫容器的筒體成形、組裝、焊接及熱處理提出了相應規(guī)定，而T/CATSI 05003對旋壓無縫儲氫容器熱處理后的材料性能檢驗及合格指標作出了詳細規(guī)定。

雖然我國已有針對鋼帶錯繞式儲氫容器建造方法的國家標準，但承壓設備標準體系中尚缺少針對旋壓無縫高壓氣態(tài)儲氫容器建造方法的國家標準。

4 在役檢驗及管理維護標準

目前國內外高壓儲氫容器在役檢驗及管理維護的專項標準較少，當前公開的、可以收集到的相關標準如表4所示。

表4 國內外高壓氣態(tài)儲氫容器在役檢驗及管理維護標準

我國承壓設備標準體系中已包含針對常規(guī)承壓設備的在役檢驗、管理維護及修理改造標準等，如GB/T 26610—2011《承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則》、《成套裝置完整性管理》(正在制訂)、《承壓設備修理導則基本要求》(正在制訂)等標準。但是，這些標準中均未針對高壓氣態(tài)儲氫容器的特殊工況提出專項要求。目前國外關于高壓氣態(tài)儲氫容器在役檢驗及管理維護的標準較少，而國內僅有團體標準T/ZJASE 001《固定式高壓儲氫用鋼帶錯繞式容器定期檢驗與評定》對鋼帶錯繞式的儲氫容器的在役檢驗作出了規(guī)定。

伴隨我國加氫站的大量布局、建設及投用，對于加氫站用承壓設備的在役檢驗、運行管理及修理改造等標準的需求將愈發(fā)迫切。針對儲氫容器在役檢驗標準短缺的問題，全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會已經開始進行《加氫站壓力設備監(jiān)測技術要求》、《加氫站壓力設備風險評價與檢驗》等涉氫承壓設備運行維護標準的研究制定工作。我國仍需加快加氫站用承壓設備運行維護標準的制訂工作，完善承壓設備標準體系，從而為氫能領域承壓設備的安全監(jiān)管提供有力支撐，保障我國氫能開發(fā)利用產業(yè)的健康發(fā)展。

5 建議

(1)加快完善高壓氣態(tài)儲氫容器標準體系。

雖然我國已經發(fā)布了氫能的頂層建設規(guī)劃，但針對氫能源特征的標準尚未徹底完成體系建設。因此，有必要建立高壓儲氫容器專用標準體系(應包含高壓氣態(tài)儲氫容器材料選用、設計制造、在役檢驗、管理維護等模塊)，用以對高壓氣態(tài)儲氫容器全壽命周期內的平穩(wěn)運行提供標準支撐。

(2)推進氫環(huán)境下材料性能分級評價標準及專項建造方法標準制訂工作。

我國壓力容器建造方法核心標準中尚缺乏用于儲氫容器建造的原則性基本安全技術要求，且承壓設備標準體系中儲氫容器建造的國家或行業(yè)標準尚不完善[12-13]。我國應推進高壓氣態(tài)儲氫容器材料分級評價標準、專項建造標準及運行管理標準的制訂工作，并在壓力容器核心建造方法標準及基礎性支撐標準中增加對于涉氫壓力容器的原則性基本安全技術要求。以上標準化工作的落實將極大降低儲氫容器建造企業(yè)的研發(fā)成本，促進儲氫容器建造行業(yè)的快速發(fā)展，提升我國儲氫容器設計方法的先進性、結構的安全性及可靠性。

(3)加強基于失效模式的設計方法研究及加快材料數據庫建設。

在材料方面，我國需加快構建氫環(huán)境下的材料性能數據庫，以支撐高壓氣態(tài)儲氫容器材料性能分級評價標準的制訂，加快高壓氫環(huán)境下材料疲勞曲線、疲勞裂紋擴展速率曲線及材料斷裂韌度數據的測試及分析工作，以支撐高壓儲氫容器設計標準的制訂。在設計方法方面，對于正處于快速發(fā)展階段的旋壓無縫高壓儲氫容器，我國應加強基于斷裂力學的疲勞評定方法、局部過度應變評定方法、密封結構設計方法的研究工作，并將這些基于失效模式的設計方法引入高壓氣態(tài)儲氫容器建造國家標準中。

6 結語

通過對國內外標準的對比分析可知，我國缺少高壓氣態(tài)儲氫容器用材在氫環(huán)境下的材料性能數據庫；基于失效模式的高壓儲氫容器設計方法尚需深入研究；承壓設備標準體系中尚缺乏高壓氣態(tài)儲氫容器專項建造標準、氫環(huán)境下材料性能分級評價標準；我國高壓氣態(tài)儲氫容器在役檢驗標準制訂工作進展良好。針對研究結論，對我國高壓氣態(tài)儲氫容器標準化工作和基礎研究工作提出了若干建議。