(中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029)

0 引言

我國在20世紀初就開始了天然氣作為汽車燃料的應(yīng)用，進入21世紀以后，國家加快了氣體燃料的推廣，加氣站的數(shù)量也越來越多。但對加氣站內(nèi)儲氣設(shè)備而言，中國走過了一條不平凡的路，具有自己的特色。從小瓶組到小球罐，再到儲氣井和大容積鋼瓶，儲氣設(shè)備一直在改進和變化。目前，在中國應(yīng)用最多的加氣站儲氣設(shè)備是儲氣井和大容積瓶組，其中儲氣井具有鮮明的中國特色。

從某種意義上說，大容積站用儲氣瓶組是由長管拖車上的瓶組演化而來，兩者在很多方面都大致相同。但由于采用的規(guī)范不同，現(xiàn)在加氣站儲氣瓶組基本分為兩類：一類是按壓力容器設(shè)計的瓶式容器；一類是按氣瓶設(shè)計的大容積氣瓶。

1 儲氣瓶組的特點

TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[1](以下簡稱固容規(guī))中增加了“非焊接瓶式容器”(以下簡稱瓶式容器)的相關(guān)規(guī)定，而且在A2.1中給出了明確的定義，即采用高強度無縫鋼管(公稱直徑大于500 mm)旋壓而成的壓力容器。此定義對瓶式容器的管材、制造方法和規(guī)格做出了限定。TSG R0006—2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[2](以下簡稱瓶規(guī))中對大容積氣瓶也有明確的規(guī)定，一是在容積方面，要求大于150 L；二是在公稱工作壓力方面，要求不大于35 MPa；三是在材料性能方面也有所限定。但無論是按固容規(guī)設(shè)計的瓶式容器還是按瓶規(guī)設(shè)計的大容積氣瓶，都有一些共同的特點：使用相同的低合金高強鋼、旋壓制造、瓶口較小、容積不大、常溫使用、沒有覆蓋層以及一般臥式安裝在地面。正是因為這些特點，為儲氣瓶組的安裝、檢驗、維修、拆裝帶來了很大的便利；也為提升儲氣瓶組的監(jiān)管模式提供了有利條件。此外，目前這類容器一般造價較低。

2 加氣站儲氣設(shè)備的發(fā)展歷程

中國汽車加氣站已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷程，早期加氣站使用的儲氣設(shè)備主要是小型氣瓶。在20世紀90年代初，四川川西南礦區(qū)開發(fā)了地下儲氣設(shè)備，從此開啟了儲氣井在中國的大規(guī)模應(yīng)用。之后東方鍋爐廠制造了體積為3～4 m3的小型球罐，在四川南部地區(qū)的加氣站中得到一些應(yīng)用。進入21世紀后，隨著長管拖車引進中國，中國企業(yè)開始陸續(xù)制造長管拖車用氣瓶，并在以后的發(fā)展中將一部分大容積氣瓶應(yīng)用到汽車加氣站中，收到了良好的效果。在汽車加氣站儲氣設(shè)備的后續(xù)發(fā)展中，由于小氣瓶組漏點多、小球罐造價高等主要弊端，這兩種儲氣設(shè)備基本退出了中國的汽車加氣站市場。

3 瓶式容器與大容積氣瓶的規(guī)范與標準

目前，汽車加氣站用大容積儲氣瓶主要有?559 mm，?406 mm兩種規(guī)格，安全技術(shù)規(guī)范采用的是固容規(guī)或瓶規(guī)。在標準方面，我國至今還沒有出臺瓶式容器和站用大容積鋼瓶的國家標準或行業(yè)標準(本文不涉及企業(yè)標準)，但有與這兩種產(chǎn)品存在一定相關(guān)性的標準，如GB/T 5099.1—2017《鋼質(zhì)無縫氣瓶第1部分：淬火后回火處理的抗拉強度小于1100 MPa的鋼瓶》[3]、GB/T 19158—2003《站用壓縮天然氣鋼瓶》[4]和GB/T 33145—2016《大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶》[5]。其中，GB/T 5099.1—2017限定了公稱容積不大于150 L，不屬于大容積氣瓶范疇，因此本文不將其作為分析對象。雖然GB/T 19158—2003規(guī)定了只適用于天然氣，而且公稱容積不大于200 L，但其材質(zhì)、瓶體型式與在用站用瓶組沒什么區(qū)別,其產(chǎn)品特征與大容積氣瓶更相近，所以本文納入瓶規(guī)系列。此外，雖然GB/T 33145—2016規(guī)定只適用于移動式鋼瓶，但其產(chǎn)品在很多方面與站用鋼瓶幾乎一樣。從實際情況看，無論是按固容規(guī)設(shè)計制造的瓶式容器，還是按瓶規(guī)設(shè)計制造的大容積氣瓶，都已在天然氣加氣站應(yīng)用多年，近年來又在向氫能源領(lǐng)域推廣應(yīng)用。為研究站用大容積儲氣瓶的科學性和合理性，本文將站用大容積儲氣瓶分為瓶式容器和大容積氣瓶，對不同規(guī)范和相關(guān)標準進行對比分析和探討。

3.1 對比分析

為了進一步了解瓶式容器和大容積氣瓶的特點，以下在界定范圍、材料、設(shè)計三方面進行對比分析，如表1～3所示。

表1 瓶式容器與大容積氣瓶的界定范圍對比

表2 瓶式容器與大容積氣瓶的材料對比

表3 瓶式容器與大容積氣瓶的設(shè)計對比

從表1可以看出，在容積、壓力、檢驗周期方面，瓶式容器明顯適用范圍更廣，具有一些優(yōu)勢；對于相關(guān)標準來說，GB/T 19158—2003只確定了一個壓力值25 MPa，而GB/T 33145—2016規(guī)定的壓力上限只有30 MPa；在介質(zhì)和溫度方面則各有千秋，但對于壓縮氣體這一類特定介質(zhì)來說，二者差別不大。

從表2可以看出，在化學成分有害元素硫磷含量方面，二者差別不是十分明顯，而對于盛裝天然氣或氫氣的設(shè)備，瓶式容器比大容積氣瓶的要求略嚴；瓶式容器與大容積氣瓶對碳含量的要求比較接近；在抗拉強度、屈強比以及熱處理要求方面，二者一致；在韌性和塑性方面，瓶式容器的要求更為嚴格一些，增加了沖擊吸收能量和側(cè)膨脹值指標。綜合來看，無論對于哪種規(guī)范和標準，二者使用的都是Cr-Mo系中碳低合金鋼，并通過熱處理的方式獲得足夠強度。因此，二者在材料方面差別不大。

為了直觀分析表3中設(shè)計標準的計算結(jié)果的差異，結(jié)合實際瓶組的工況，作如下算例。介質(zhì)為天然氣，工作壓力Pw=20 MPa，設(shè)計壓力Pd=1.1Pw，氣瓶試驗壓力Ph=5Pw/3,材料4130X,Rm=855 MPa，ReL=550 MPa，Do=559 mm。按表3中不同計算公式得出的計算厚度分別為：18.77 mm(GB 150.3—2011)，20.77 mm(GB/T 19158—2003)，16.47 mm(GB/T 33145—2016)。如果瓶式容器按分析設(shè)計，則計算厚度為16.74 mm。此外，瓶式容器一般要考慮腐蝕裕量，因此無論按規(guī)則設(shè)計還是分析設(shè)計，瓶式容器的壁厚都要大于按氣瓶設(shè)計的壁厚，這在實際應(yīng)用中也證明了這一點。

通過比較，可以看出瓶式容器和大容積氣瓶存在如下相同點和不同點。

(1)瓶式容器和大容積氣瓶的設(shè)計壽命差別不大。

(2)瓶式容器和大容積氣瓶的計算壁厚差異較大。按氣瓶設(shè)計的設(shè)計壓力比較高，但計算厚度較小。GB 150.3與GB/T 19158的壁厚計算規(guī)則基本一致。瓶式容器的許用應(yīng)力較低，而大容積氣瓶的許用應(yīng)力較高，因此在計算厚度上有明顯不同，但是大容積氣瓶無法通過提高抗拉強度來降低計算厚度[9-10]。相比氣瓶來說，瓶式容器的壁厚一般都要考慮腐蝕裕量，使得瓶式容器的實際壁厚值相比氣瓶更大。

(3)作為驗證設(shè)計的手段，氣瓶一般要求做設(shè)計文件鑒定和型式試驗，因此更嚴格更復(fù)雜。

(4)在耐壓試驗方面，氣瓶的壓力系數(shù)明顯高于瓶式容器，而且往往還要同時測量容積的殘余變形率。

3.2 存在的問題與對策

3.2.1 存在的問題

(1)由于規(guī)范和理念的不統(tǒng)一，有些地方將按氣瓶設(shè)計的儲氣瓶組按固定式壓力容器注冊登記，這種局面往往讓檢驗機構(gòu)無所適從。

(2)我國的壓力容器按安全技術(shù)管理規(guī)范分為4類：固定式壓力容器、移動式壓力容器、氣瓶和氧艙，4個規(guī)范已經(jīng)對這四類設(shè)備在適用范圍方面做了明確的限定，但有的企業(yè)對于作為固定使用的大容積儲氣瓶(包括公稱直徑大于500 mm)仍然采用氣瓶設(shè)計，造成設(shè)備的功能和定位混亂。

(3)天然氣加氣站和氫氣加氣站都在蓬勃發(fā)展，但我國至今沒有出臺站用大容積儲氣瓶的產(chǎn)品標準，也沒有明確Cr-Mo鋼儲存氫氣的適用范圍，已經(jīng)影響了產(chǎn)業(yè)的高效健康發(fā)展。

(4)使用工況一樣，材料基本相同，規(guī)格、制造方法包括瓶體型式也一樣，就是因為采用不同規(guī)范而出現(xiàn)不同的設(shè)計壓力、壁厚、耐壓試驗壓力和技術(shù)要求，然而卻都能滿足使用要求。但值得思考的是，執(zhí)行哪種規(guī)范既安全、可靠又經(jīng)濟、實用。

(5)從第3.1節(jié)的對比分析也不難發(fā)現(xiàn)，采用固容規(guī)設(shè)計的大容積儲氣瓶范圍更寬，工作壓力沒有上限，但是公稱直徑必須大于500 mm的限定，使得氫氣站公稱直徑為406 mm的大容積儲氣瓶不能按固定式壓力容器的規(guī)范和標準設(shè)計。

(6)相對瓶式容器而言，按氣瓶設(shè)計的大容積儲氣瓶壁厚薄，但卻存在要求水壓試驗壓力更大的問題；此外，還有是否需要進行外側(cè)法水壓試驗，并測量容積的殘余變形率的問題。

(7)對于儲存甲烷、氫氣或天然氣這一類致脆性介質(zhì)，幾乎使用完全一樣的材料，但卻存在要求瓶式容器材料的純凈度更高的問題。

3.2.2 采取的對策

針對以上問題，為了使站用大容積儲氣瓶的設(shè)計、使用、檢驗更加科學合理，綜合分析固定式壓力容器和氣瓶的有利因素，提出以下一些建議。

(1)對固容規(guī)和瓶規(guī)進一步協(xié)調(diào)，應(yīng)明確作為固定使用的站用大容積儲氣瓶按照固容規(guī)設(shè)計制造，將此類設(shè)備轉(zhuǎn)化為瓶式容器，同時放寬公稱直徑的下限。

(2)為了提升對天然氣、氫氣、甲烷等有致脆性、應(yīng)力腐蝕傾向氣體的適用性和相容性，應(yīng)該嚴格控制S，P等有害元素含量，以進一步提高純度；同時，需盡快研究確定Cr-Mo鋼用于儲存氫氣的壓力范圍。

(3)對于站用大容積儲氣瓶的設(shè)計應(yīng)重新制定規(guī)則，明確在什么情況下可以進行規(guī)則設(shè)計或分析設(shè)計，并適當減少腐蝕裕量；在什么情況下可以降低設(shè)計壓力，提高許用應(yīng)力，按巴赫公式計算，使產(chǎn)品進一步輕量化[11]。

(4)水壓試驗系數(shù)應(yīng)按固容規(guī)選取，并研究制定壓力和壓力循環(huán)次數(shù)閾值，只有超過限定時，才要求進行容積的殘余變形率檢測。

(5)針對瓶式容器的特殊性，應(yīng)研究和提升瓶組的內(nèi)檢測能力和全瓶體檢測能力，并對于超標缺陷開展合于使用評價。

3.3 檢驗依據(jù)

為了滿足站用大容積儲氣瓶組定期檢驗的迫切需要，中國特檢院編制了兩項企業(yè)標準，并于2018年6月通過了全國氣瓶標準化技術(shù)委員會的評審和備案。一項標準是Q/CSEI 06—2018《站用儲氣瓶組定期檢驗與評定》[12]，將檢驗的設(shè)備范圍擴大至4200 L(公稱水容積)；另一項是Q/CSEI 07—2018《站用儲氫氣瓶定期檢驗與評定》[13]，將檢驗的設(shè)備范圍擴大至45 MPa(最高公稱工作壓力)。這兩項企業(yè)標準為開展天然氣和氫氣儲氣瓶組的檢驗檢測提供了有效的依據(jù)。

4 對儲氣瓶組未來發(fā)展的探討

首先，目前廣泛使用的儲氣瓶組基本都是Ⅰ型全金屬單層單腔結(jié)構(gòu)，常溫使用，容積小于5 m3，沒有覆蓋層，并安裝在地面上。這些特征為實現(xiàn)儲氣瓶組的物聯(lián)網(wǎng)智能檢驗提供了非常便利的條件。其次，在逐步提升儲存能力的同時，可以進一步研究輕量化，纖維纏繞大氣瓶的研發(fā)和應(yīng)用將越來越多。最后，為了進一步節(jié)省空間，提高瓶組的安全性，可向地下發(fā)展、研發(fā)金屬-水泥復(fù)合結(jié)構(gòu)的站用瓶組也是有意義的創(chuàng)新。

4.1 物聯(lián)網(wǎng)智能檢驗

為了提升加氣站的整體安全保障能力，應(yīng)該將單一風險向系統(tǒng)風險和關(guān)聯(lián)風險過渡，將單一設(shè)備向一套裝置整合，將靜設(shè)備、動設(shè)備和儀器儀表關(guān)聯(lián)起來，并研究產(chǎn)品的質(zhì)量分級，實現(xiàn)整個加氣站完整性管理。首先，開展工藝的危險與可操作性(HAZOP)分析，再對靜設(shè)備進行基于風險的檢驗(RBI)評估，對壓縮機開展以可靠性為中心的維修(RCM)分析，對安全附件及儀表進行安全完整性等級(SIL)評價；其次，基于以上分析和評價獲得設(shè)備、系統(tǒng)的損傷模式，安裝相應(yīng)的傳感器；然后，構(gòu)建小型物聯(lián)網(wǎng)，通過大數(shù)據(jù)的獲取和分析，開展實時動態(tài)安全評估和預(yù)警響應(yīng)；最終做到智能化檢驗，實施“非等壽命”維護保養(yǎng)，實現(xiàn)設(shè)備的長周期或無周期管理模式。

4.2 高參數(shù)輕量化

隨著我國環(huán)保要求的提高和清潔能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，氫氣將有望成為重要和主要的車用燃氣。就我國現(xiàn)有的和近幾年規(guī)劃建設(shè)加氫站來看，液氫技術(shù)應(yīng)用尚未成熟，都還是使用的氣態(tài)氫氣，并進行高壓甚至超高壓儲存，這要求儲氣設(shè)備具有很高的承載能力。為了節(jié)省材料，提升容重比，國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出近超高壓儲存的纖維纏繞儲氣瓶組，并在個別加氫站得到了示范應(yīng)用。隨著我國纖維纏繞容器技術(shù)的不斷提高，這類產(chǎn)品將是重要的發(fā)展方向。

4.3 向地下發(fā)展

我國加氣站眾多，但布局各有不同，有的加氣站為了節(jié)省空間和提升安全保障能力使用了地下壓力容器，如儲氣井。其實對于瓶組而言，也可以將其安置于地下，既可以采用水泥加固直埋的方式；也可以采用水泥環(huán)加固非直埋的方式；還可以采用非加固非直埋的方式。據(jù)了解，水泥環(huán)加固的結(jié)構(gòu)在美國已有應(yīng)用。無論哪種方式都可以起到節(jié)省空間、提升壓力、輕量化、降低失效后果、利于排污等一種、幾種或全部作用，因此將儲氣瓶組向地下空間發(fā)展不失為一個有利的選擇。

5 結(jié)語

(1)到目前為止，針對汽車加氣站用壓縮氣體大容積儲氣瓶組，我國還一直沒有出臺相應(yīng)的國家或行業(yè)標準，這給產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用帶來了一些問題。但無論是固定式壓力容器還是氣瓶，其實都屬于壓力容器的范疇，都有其本質(zhì)共性。尤其對于批量化生產(chǎn)的站用瓶組，當材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、規(guī)格、型式、工況、使用環(huán)境等諸多因素都一致時，更應(yīng)采用統(tǒng)一的管理規(guī)定，以避免不必要的爭議和混亂。此外，應(yīng)對站用大容積儲氣瓶進行優(yōu)化設(shè)計，摒棄非此即彼的理念，綜合固定式壓力容器和氣瓶的優(yōu)勢元素，使站用大容積儲氣瓶既安全可靠、又經(jīng)濟實用。

(2)輕量化不僅僅是使用條件更加復(fù)雜和苛刻的移動式鋼瓶的發(fā)展方向，固定式使用的站用大容積儲氣瓶同樣也可以實現(xiàn)輕量化。

(3)應(yīng)根據(jù)加氣站的空間、氣體性質(zhì)、使用等特點，創(chuàng)新儲氣設(shè)備的設(shè)計，深入研究復(fù)合材料或復(fù)合結(jié)構(gòu)的儲氣設(shè)備。同時，結(jié)合加氣站內(nèi)“靜、動、儀”三類產(chǎn)品的失效模式和關(guān)聯(lián)影響，推廣物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，最終實現(xiàn)智能化檢驗和智慧化管理。