鄭津洋,胡 軍,韓武林,花爭立,葉 盛

(1.浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，杭州 310027；2.高壓過程裝備與安全教育部工程研究中心，杭州 310027；3.大連鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測研究院有限公司，遼寧大連 116006；4.北京海德利森科技有限公司，北京 102600)

0 引言

氫能具有來源多樣、利用高效、清潔環(huán)保等特點(diǎn)，其既是支撐石化能源高效清潔利用的重要無碳原料；又是構(gòu)建以清潔能源為主的多元能源供應(yīng)體系的重要載體[1]?！笆濉眹铱萍紕?chuàng)新規(guī)劃指出，氫能是新一代引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性能源技術(shù)。隨著制氫、儲氫、輸氫、用氫(特別是氫燃料電池)和氫安全技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)步，以及政府行業(yè)主管部門和監(jiān)督管理部門的高度重視，能源與裝備制造大型骨干企業(yè)合理布局的加快，中國氫能利用的步伐和發(fā)展明顯提速。截至2019年底，中國已經(jīng)建成各類加氫站66座，全球排名第三，儲氫壓力容器(含緩沖罐等)將近1 000臺；氫燃料電池汽車?yán)塾嬩N售約6 164輛，商用車保有量全球第一，車載高壓氫氣瓶已經(jīng)超過2.5萬只；氫氣壓力管道約400 km。據(jù)相關(guān)管理部門的規(guī)劃，到2030年，我國加氫站數(shù)量將超過1 000座，燃料電池汽車超過100萬輛，氫氣壓力管道將達(dá)到3 000 km以上。

儲氫、輸氫是連接制氫和用氫的橋梁，在氫能發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用。迄今為止，幾乎所有的儲氫設(shè)備和輸氫設(shè)備都承受氫氣壓力，屬于特種設(shè)備中的承壓設(shè)備。儲氫承壓設(shè)備主要包括固定式壓力容器、氣瓶等；輸氫承壓設(shè)備主要包括鐵路罐車、管束式集裝箱、長管拖車、壓力管道等。氫能承壓設(shè)備包括儲氫承壓設(shè)備、輸氫承壓設(shè)備，及其安全附件和儀表等(包括安全閥、爆破片、緊急切斷閥、壓力表、溫度計、壓力傳感器、溫度傳感器等)，其共同特點(diǎn)是，氫氣易漏易燃易爆，存在較大的燃燒、爆炸風(fēng)險；在高壓、液氫或者深冷環(huán)境下工作，材料存在脆化風(fēng)險。由于儲氫壓力容器和氫氣瓶工作條件的復(fù)雜性(如工作壓力波動較頻繁以及壓力波動范圍較大等)，存在一定的疲勞失效風(fēng)險[2-3]。

氫能承壓設(shè)備使用的安全保障是一個全球性課題。據(jù)相關(guān)資料[4]統(tǒng)計，2011～2015年，日本各類加氫站總計發(fā)生事故28起，其中額定加氫壓力70 MPa加氫站和35 MPa加氫站各14起。2019年5月23日，韓國江原道江陵市儲氫壓力容器爆炸，造成2死6傷；2019年6月1日，美國加州某儲氫壓力容器發(fā)生氫氣泄漏而引起爆炸事故；2019年6月10日，挪威某加氫站發(fā)生氫氣泄漏而引起爆炸事故。近年來，中國也發(fā)生了如某水電解制氫系統(tǒng)儲氫罐發(fā)生爆炸、某儲氫壓力容器水壓試驗(yàn)時發(fā)生爆炸以及氫安全附件泄漏失效等多起重大安全事故。

隨著中國氫能承壓設(shè)備種類和數(shù)量的快速增長，設(shè)計工況條件的極端化(如設(shè)計壓力高達(dá)140 MPa、設(shè)計溫度低至-253 ℃等)，輕量化設(shè)計的應(yīng)用普及，社會公共安全要求的不斷提高，氫能承壓設(shè)備的設(shè)計、制造、使用、管理等安全保障面臨著新的挑戰(zhàn)。為保障人民生命和財產(chǎn)安全，促進(jìn)氫能行業(yè)健康發(fā)展，急需加強(qiáng)氫能承壓設(shè)備風(fēng)險防控的研究。

1 儲氫、輸氫承壓設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 儲氫承壓設(shè)備

氫介質(zhì)的儲存方式主要分為氣態(tài)儲氫(氣氫)、液態(tài)儲氫(液氫)、固態(tài)儲氫和復(fù)合儲氫等，相應(yīng)的儲氫承壓設(shè)備體系見圖1。

圖1 儲氫承壓設(shè)備體系

(1)氣態(tài)儲氫設(shè)備。主要用于儲存高壓氫氣，包括固定式儲氫壓力容器和高壓氫氣瓶，其優(yōu)點(diǎn)是充氫放氫速度快、設(shè)備結(jié)構(gòu)相對簡單、技術(shù)相對成熟，是市場需求的主流儲氫方式；缺點(diǎn)是體積儲氫密度較低，且需要高壓力儲存，以增大儲氫密度。

固定式儲氫壓力容器是加氫站、制氫站、氫儲能系統(tǒng)、高壓氫循環(huán)測試系統(tǒng)、發(fā)電站、加氫工藝裝置等的主要核心設(shè)備。目前，我國加氫站在用的固定式儲氫壓力容器將近1 000臺，大多數(shù)為境內(nèi)制造，境外進(jìn)口的僅占少數(shù)，主要結(jié)構(gòu)形式有單層儲氫壓力容器(包括大容積無縫瓶式儲氫容器、單層整體鍛造式儲氫壓力容器等)和多層儲氫壓力容器(包括全多層儲氫壓力容器、層板包扎儲氫壓力容器等)，臨氫材料牌號主要有S31603,4130X,35CrNi3MoVR,20MnMoV，SA372 J等，設(shè)計壓力為41,50,70,98，140 MPa等，容積為0.053,0.3,0.9,1.0,2.0,5.0,7.3，10.0 m3等。復(fù)合材料儲氫壓力容器尚處于試制樣機(jī)階段。已經(jīng)實(shí)施的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 26466—2011《固定式高壓儲氫用鋼帶錯繞式容器》、T/ZJASE 001—2019《固定式高壓儲氫用鋼帶錯繞式容器定期檢驗(yàn)與評定》和T/CATSI 05003—2020《加氫站儲氫壓力容器專項技術(shù)要求》。

目前，有的加氫站儲氫設(shè)備采用了按氣瓶規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計制造的儲氫氣瓶，其優(yōu)點(diǎn)是制造比較容易、成本較低，但這種應(yīng)用未得到相關(guān)法規(guī)、安全技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的支持，也不符合團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CATSI 05003—2020《加氫站儲氫壓力容器專項技術(shù)要求》的規(guī)定。將來是否可以成為市場需求的一個發(fā)展方向，還要看國際、國內(nèi)技術(shù)發(fā)展成熟度，以及相應(yīng)安全技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)制修訂進(jìn)展情況而定。

高壓氫氣瓶包括鋼制高壓氫氣瓶和復(fù)合材料高壓氫氣瓶。鋼制高壓氫氣瓶主要用于氫燃料電池叉車；復(fù)合材料高壓氫氣瓶主要用于氫燃料電池汽車、氫燃料軌道交通、氫燃料無人機(jī)等領(lǐng)域。中國在用的復(fù)合材料高壓氫氣瓶已超過2.5萬只，絕大多數(shù)是境內(nèi)生產(chǎn)的鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞高壓氫氣瓶(Ⅲ型氫氣瓶)，少量是境外進(jìn)口的，公稱工作壓力為35 MPa和70 MPa，使用環(huán)境溫度-40～85 ℃，容積28～320 L；塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞高壓氫氣瓶(Ⅳ型氫氣瓶)目前境內(nèi)尚處于立項研究試制階段。已經(jīng)頒布實(shí)施的相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》。

(2)液態(tài)儲氫設(shè)備。主要用于儲存液氫，分為固定式液氫壓力容器(儲罐)和液氫瓶，其優(yōu)點(diǎn)是體積儲氫密度高，液氫的密度為70 kg/m3；缺點(diǎn)是氫氣液化能耗高(約為氫氣能量的1/3)、長時間存放液氫的靜態(tài)蒸發(fā)損失較大。一般液態(tài)儲氫承壓設(shè)備的設(shè)計壓力為0.1～1.3 MPa左右，設(shè)計溫度為-253 ℃。目前，我國液氫行業(yè)裝置產(chǎn)能大約5噸/天，主要用于航空航天領(lǐng)域，研制的300 m3固定式液氫壓力容器成功應(yīng)用于火箭發(fā)射場，相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)《氫能汽車用燃料液氫》、《液氫生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》、《液氫儲存和運(yùn)輸安全技術(shù)要求》即將頒布實(shí)施。隨著軍用技術(shù)的逐步解密和民品化，以及氫氣液化、液氫儲存技術(shù)的進(jìn)步，民用液氫壓力容器、液氫瓶和車載液氫系統(tǒng)的研發(fā)正在提速，目前已經(jīng)研制出樣機(jī)，而且大型液氫球罐也處于研制開發(fā)階段。

(3)固態(tài)儲氫容器。固態(tài)儲氫是通過氫與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或者物理吸附將氫儲存于固體材料中，優(yōu)點(diǎn)是儲氫壓力較低、體積儲氫密度高、可純化氫氣；缺點(diǎn)是質(zhì)量儲氫密度低、充放氫需要熱交換。常用固態(tài)儲氫方式有金屬氫化物固態(tài)儲氫、配位氫化物固態(tài)儲氫、碳質(zhì)材料固態(tài)儲氫、金屬有機(jī)骨架化合物儲氫等。固態(tài)儲氫容器的設(shè)計壓力一般為0.5～ 4.0 MPa，設(shè)計溫度-40～60 ℃。固態(tài)儲氫容器的容積范圍比較寬，只有容積大于等于30 L的容器才屬于安全監(jiān)察范疇內(nèi)的壓力容器。我國固態(tài)儲氫容器已在通訊基站、加氫站等場所獲得應(yīng)用，已經(jīng)實(shí)施的相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 33292—2016《燃料電池備用電源用金屬氫化物儲氫系統(tǒng)》、GB/T 34544—2017《小型燃料電池車用低壓儲氫裝置安全試驗(yàn)方法》。

(4)復(fù)合儲氫氣瓶(容器)。為提高儲氫密度，近些年出現(xiàn)了高壓固態(tài)復(fù)合儲氫氣瓶(容器)和高壓深冷復(fù)合儲氫氣瓶(容器)。我國高壓固態(tài)復(fù)合儲氫壓力容器的充氫壓力一般為35,45,90 MPa，使用溫度不超過80 ℃，最大容積已經(jīng)達(dá)到1.0 m3，并且在某加氫站投入示范試運(yùn)行。高壓深冷儲氫氣瓶的公稱工作壓力一般為30～50 MPa，工作溫度-40～-240 ℃。

1.2 輸氫承壓設(shè)備

輸氫承壓設(shè)備主要用于將氣態(tài)氫或者液態(tài)氫從產(chǎn)地輸送或者運(yùn)輸?shù)浇K端用戶，輸氫承壓設(shè)備體系見圖2，主要分為氣態(tài)輸氫設(shè)備和液態(tài)輸氫設(shè)備。

圖2 輸氫承壓設(shè)備體系

(1)氣態(tài)輸氫設(shè)備。主要用于輸送、分配氫氣，包括運(yùn)氫設(shè)備和氫氣管道。

運(yùn)氫設(shè)備主要有氫氣長管拖車和氫氣管束式集裝箱。其適用于運(yùn)輸距離較短、輸送量較少、氫氣日用量為噸級以內(nèi)的用戶。目前，我國氫氣長管拖車和氫氣管束式集裝箱采用的是鋼制大容積無縫高壓氣瓶和鋼質(zhì)內(nèi)膽碳纖維環(huán)向纏繞氣瓶，一般氣瓶公稱工作壓力為20,25,30 MPa等，科技部正在立項研制公稱工作壓力為50 MPa、容積不小于300 L的氫氣瓶。也有境內(nèi)物流和氣體公司正在嘗試采用其他運(yùn)輸模式，如采用公稱工作壓力為30～52 MPa的氫氣瓶集裝格結(jié)構(gòu)形式的運(yùn)輸方式等。另外，還有氣瓶公稱工作壓力為35 MPa(70 MPa)的移動式撬裝加氫系統(tǒng)、氣瓶公稱工作壓力為35 MPa(70 MPa)的集裝箱式氫氣增壓裝置等。這些系統(tǒng)或裝置中的儲氫氣瓶組和氫氣緩沖罐的合規(guī)性，以及采用非充裝站內(nèi)的直接加注或者卸載方式的安全性，都需要給予關(guān)注。

氫氣輸送管道主要有輸氫管道和配氫管道。輸氫管道分為兩類，一類是用于場(廠)區(qū)內(nèi)裝置間或者系統(tǒng)內(nèi)輸送氫氣，如企業(yè)場(廠)區(qū)內(nèi)輸氫管道、工業(yè)氫能園區(qū)內(nèi)輸氫管道、加氫站內(nèi)輸氫管道、車載供氫系統(tǒng)管道等，其特點(diǎn)是管道壓力高、直徑小，一般采用壓力管路用管或者儀表管，壓力等級為44.8 MPa(6 500 psi),46.2 MPa(6 700 psi),103.5 MPa(15 000 psi),137.9 MPa(20 000 psi)等，管道直徑為6.35 mm(1/4″),9.5 mm(3/8″),12.7 mm(1/2″),14.28 mm(9/16″),25.4 mm(1″)等；另一類用于大規(guī)模、長距離輸送氫氣(摻氫天然氣)的長輸管道，管道設(shè)計壓力2.0～20.0 MPa，直徑300～1 000 mm。目前，我國長距離輸送氫氣壓力管道大約400 km，最高輸氫壓力4.0 MPa，最大管徑508 mm。配氫管道一般用于小規(guī)模、短距離輸送氫氣，輸氫對象為小規(guī)模用戶(如民用氫能園區(qū)內(nèi)連接供氫站和用戶間的管道)，其特點(diǎn)是管道壓力較低、直徑較小。

(2)液態(tài)輸氫設(shè)備。主要用于輸送液氫，包括液氫鐵路加注運(yùn)輸車、液氫汽車罐車、液氫罐式集裝箱和液氫管道等。液氫承壓設(shè)備設(shè)計壓力為0.3～0.6 MPa，設(shè)計溫度-253 ℃。目前，中國已經(jīng)成功研制出70，85 m3自帶汽化器液氫鐵路加注運(yùn)輸車(高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)罐體，設(shè)計壓力0.6 MPa，設(shè)計溫度-253 ℃)，并在引進(jìn)膨脹珍珠巖結(jié)構(gòu)、100 m3低溫真空絕熱罐體的基礎(chǔ)上，完成了液氫鐵路加注運(yùn)輸車的設(shè)計制造。上述液氫鐵路加注運(yùn)輸車主要應(yīng)用于液氫火箭燃料的鐵路運(yùn)輸、發(fā)射場火箭燃料加注、航天研究院等科研單位的試驗(yàn)研究?？萍疾空诹㈨椦兄?0 m3民用液氫汽車罐車。

2 氫能承壓設(shè)備風(fēng)險分析

以下從法規(guī)、技術(shù)、管理三個方面分析氫能承壓設(shè)備面臨的風(fēng)險。

2.1 法規(guī)風(fēng)險

法規(guī)或者標(biāo)準(zhǔn)覆蓋面缺失方面的風(fēng)險，主要是指相應(yīng)的特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范或者標(biāo)準(zhǔn)缺少針對35 MPa以上氫能承壓設(shè)備的基本安全要求。TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中對于非焊接儲氫瓶式容器材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能作了規(guī)定，TSG R0006—2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)范中對充裝氫氣長管拖車、管式集裝箱的氣瓶提出了材料力學(xué)性能方面的要求，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 10354—2020《長管拖車》和NB/T 10355—2020《管束式集裝箱》中對充裝氫氣的氣瓶以及管路等材料、設(shè)計、制造規(guī)定了基本安全要求。除GB/T 35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》外，這些規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的基本安全要求主要針對的是公稱工作壓力(設(shè)計壓力)在35 MPa以下的氫氣瓶或儲氫壓力容器。對于壓力更高的氫能承壓設(shè)備，其服役性能不僅僅取決于材料(化學(xué)成分、力學(xué)性能、微觀組織等)，而且與應(yīng)力(應(yīng)力比、加載頻率等)、環(huán)境(氫氣壓力、溫度、純度等)和制造(焊接、旋壓、沖壓、熱處理、無損檢測等)等密切相關(guān)，急需在現(xiàn)有安全技術(shù)規(guī)范和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，增加和補(bǔ)充專項基本安全要求。此外，氫能承壓設(shè)備安全附件和儀表的相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)也有待進(jìn)一步的補(bǔ)充和完善。

近期，針對加氫站儲氫壓力容器，團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CATSI 05003—2020《加氫站儲氫壓力容器專項技術(shù)要求》已經(jīng)正式發(fā)布實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)對加氫站儲氫壓力容器有關(guān)材料、設(shè)計、制造等環(huán)節(jié)的基本安全要求作出了專項規(guī)定。

2.2 技術(shù)風(fēng)險

2.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺失風(fēng)險

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺失風(fēng)險主要反映在兩個方面，即基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匱乏和材料氫脆測試方法不當(dāng)帶來的風(fēng)險。

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匱乏。在中國，已發(fā)明了140 MPa快開式金屬材料高壓氫脆原位檢測裝置[5]，對牌號為S31603，S30408的材料在5～140 MPa高壓氫氣環(huán)境中的性能進(jìn)行了系統(tǒng)深入研究，獲得了一批寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但仍不能滿足氫能承壓設(shè)備快速發(fā)展的需要，亟待開展氫環(huán)境下材料、零部件和產(chǎn)品(系統(tǒng))三個方面的試驗(yàn)研究。在材料方面，需要獲得液氫(深冷)環(huán)境、35 MPa以上高壓氫氣環(huán)境中的材料性能，如材料本構(gòu)方程、疲勞設(shè)計曲線、疲勞裂紋擴(kuò)展速率等；在零部件方面，需要研究氫閥門、氫接頭、氫軟管等在氫環(huán)境下的失效模式及其預(yù)測方法；在產(chǎn)品方面，需要模擬使用工況條件，研究高壓氫氣瓶等產(chǎn)品的性能。中國在零部件和系統(tǒng)層面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)極少，這是影響中國氫能承壓設(shè)備產(chǎn)品性能一致性的重要因素。

(2)氫脆測試方法不當(dāng)。目前，金屬材料氫脆試驗(yàn)大致可以分為預(yù)充氫試驗(yàn)和原位氫試驗(yàn)。預(yù)充氫試驗(yàn)首先采用電化學(xué)充氫、高壓氣相熱充氫等方法對試樣預(yù)充氫，然后在空氣中對試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)；原位氫試驗(yàn)是指在高壓氫氣環(huán)境中直接對試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

預(yù)充氫方法是先充氫、后加載，不同于氫能承壓設(shè)備氫侵入和加載同步的情況，且無法模擬裂尖高應(yīng)力梯度區(qū)氫的動態(tài)侵入和偏聚[6-8]。國外常用的儲氫壓力容器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)(如美國ASME BPVC Ⅷ-3 KD-10《Special Requirements for Vessels in Hydrogen Service》、日本JPEC-TD 0003《加氫站用低合金鋼制儲氫容器專項技術(shù)要求》等)和臨氫材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(如加拿大ANSI/CSA CHMC 1《Test Methods for Evaluating Material Compatibility in Compressed Hydrogen Applications-Metals》等)均采用原位氫試驗(yàn)法。GB/T 34542.2—2018《氫氣儲存輸送系統(tǒng) 第2部分：金屬材料與氫環(huán)境相容性試驗(yàn)方法》規(guī)定了金屬材料在高壓氫氣環(huán)境中慢應(yīng)變速率拉伸性能、疲勞性能以及斷裂力學(xué)性能的測試方法；GB/T 34542.3—2018《氫氣儲存輸送系統(tǒng) 第3部分：金屬材料氫脆敏感度試驗(yàn)方法》規(guī)定了金屬材料的氫脆敏感度測試方法。

2.2.2 設(shè)計制造風(fēng)險

設(shè)計制造風(fēng)險主要反映在以下幾個方面：按JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))，進(jìn)行疲勞分析和對比經(jīng)驗(yàn)設(shè)計風(fēng)險、氫氣瓶設(shè)計制造質(zhì)量及其穩(wěn)定性風(fēng)險、氫安全附件可靠性差引起的風(fēng)險、氫氣瓶或者撬裝系統(tǒng)安裝不當(dāng)風(fēng)險。

(1)疲勞分析和對比經(jīng)驗(yàn)設(shè)計風(fēng)險。按JB/T 4732—1995進(jìn)行氫能承壓設(shè)備疲勞分析設(shè)計，設(shè)計中存在兩個方面的問題，一是JB/T 4732—1995中的疲勞設(shè)計曲線沒有考慮高壓氫氣、高壓深冷氫氣和液氫對疲勞壽命的影響；二是有些氫能承壓設(shè)備主要受壓元件材料，如4130X等材料，尚未納入JB/T 4732—1995標(biāo)準(zhǔn)中。

我國目前在線運(yùn)營的加氫站基本上為示范站或者投用不久的商用站，加氫量不大，儲氫壓力容器的氫氣充放次數(shù)或者頻率較少，最多也就幾千次，尚不足以作為儲氫壓力容器對比經(jīng)驗(yàn)設(shè)計的依據(jù)；也不應(yīng)當(dāng)據(jù)此證明該類壓力容器不會發(fā)生疲勞失效。

(2)氫氣瓶設(shè)計制造質(zhì)量及其穩(wěn)定性風(fēng)險。有的氫氣瓶制造單位對產(chǎn)品研發(fā)投入不足，試驗(yàn)數(shù)據(jù)過少，無法對產(chǎn)品質(zhì)量提供有效支撐；追求產(chǎn)品生產(chǎn)進(jìn)度，質(zhì)量穩(wěn)定性難以保證；車企和氣瓶制造企業(yè)對氫氣瓶安全性關(guān)注有待加強(qiáng)、過度追求輕量化導(dǎo)致氫氣瓶安全裕度降低，特別在公稱工作壓力為70 MPa高壓氫氣瓶領(lǐng)域，Ⅲ型氫氣瓶的疲勞壽命有待進(jìn)一步提高，Ⅳ型氫氣瓶的研發(fā)與國外相比仍有較大差距，需要深入研究并解決設(shè)計、制造等方面所面臨的問題。跟風(fēng)冒進(jìn)就會出問題，給使用安全帶來極大的風(fēng)險。

(3)氫安全附件可靠性差引起的風(fēng)險。由于標(biāo)準(zhǔn)缺失，對氫材料、氫泄漏、氫沖擊等缺乏系統(tǒng)和深入地研究，造成國產(chǎn)50 MPa(98 MPa)級氫壓力表、氫傳感器、閥門的可靠性較差、使用壽命較短、容易泄漏等問題，給使用安全帶來極大的風(fēng)險和存在較大安全隱患。例如，由于氫壓力表彈簧管采用常規(guī)材料與焊接工藝，泄漏破損時有發(fā)生，這有可能釀成火災(zāi)爆炸事故。

(4)氫氣瓶或者撬裝系統(tǒng)安裝不當(dāng)風(fēng)險。氫氣瓶或者撬裝系統(tǒng)安裝是車載供氫系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。但現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并沒有對供氫系統(tǒng)管路、接頭、密封形式等提出基本安全要求。如果設(shè)計單位的選型不滿足使用要求，也會造成管路連接接頭、密封性能等失效，甚至因密封失效造成氫氣泄漏而釀成事故。

2.2.3 檢驗(yàn)檢測風(fēng)險

氫能承壓設(shè)備檢驗(yàn)檢測的風(fēng)險主要反映在以下幾個方面：檢驗(yàn)方法的適用性風(fēng)險、有效檢測評價方法的缺失和檢驗(yàn)檢測能力的不足等風(fēng)險。

(1)檢測方法的適用性風(fēng)險。GB/T 24162—2009《汽車用壓縮天然氣金屬內(nèi)膽纖維環(huán)纏繞氣瓶定期檢驗(yàn)與評定》、TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》等現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，車用氣瓶定期檢驗(yàn)時需要進(jìn)行氣瓶拆卸后的瓶體內(nèi)外部檢測和水壓試驗(yàn)，儲氫固定式壓力容器定期檢驗(yàn)有時也需要進(jìn)行水壓試驗(yàn)。由于儲氫壓力容器和高壓氫氣瓶介質(zhì)的特殊性，盛裝的氫氣必須滿足氫燃料電池對氫氣品質(zhì)的要求，純度和密封要求較高，拆裝高壓氫氣瓶有可能破壞其密封性能，有安全隱患。有的氫燃料電池轎車，高壓氫氣瓶裝在汽車底盤上，裝拆非常困難。為滿足氫氣純度要求，儲氫壓力容器和氫氣瓶內(nèi)表面出廠時已經(jīng)經(jīng)過潔凈化的特殊處理，定期檢驗(yàn)時的水壓試驗(yàn)會造成其內(nèi)表面污染或者銹蝕，而需要重新進(jìn)行內(nèi)表面潔凈化處理，因此，需要在修訂相應(yīng)安全技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)時，研究和解決其規(guī)定的定期檢驗(yàn)項目和要求帶來的新問題，以避免上述安全隱患和不必要的后續(xù)處理等情況。

(2)有效檢測評價方法缺失風(fēng)險。對于一些特殊結(jié)構(gòu)氫能承壓設(shè)備的失效模式和機(jī)制，目前還沒有完全掌握，缺少有效的檢測方法和安全評價規(guī)則。例如，對復(fù)合材料高壓氫氣瓶檢測局限于外觀檢查和泄漏檢測，沒有有效的方法檢測瓶體內(nèi)部存在的缺陷；氣瓶瓶閥座與內(nèi)膽連接接頭是Ⅳ型高壓氫氣瓶的最薄弱環(huán)節(jié)，但缺少有效的無損檢測方法和評價規(guī)則，所以應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)的研究。

(3)檢驗(yàn)檢測能力不足的風(fēng)險。氫能承壓設(shè)備檢測裝置研制難度大、成本高。目前，我國這方面的檢驗(yàn)檢測能力無法滿足氫能行業(yè)快速發(fā)展的需要。例如，材料與氫相容性試驗(yàn)裝置數(shù)量不足，缺少氣瓶滲透試驗(yàn)裝置，沒有民用液氫工況的試驗(yàn)檢測平臺和使用條件，更沒有深冷高壓氫的專用試驗(yàn)條件等，所以應(yīng)當(dāng)加大有關(guān)檢驗(yàn)檢測設(shè)備的研發(fā)投入，以滿足行業(yè)快速發(fā)展的需要，降低和避免由于檢驗(yàn)檢測缺失而帶來的氫能承壓設(shè)備安全風(fēng)險。另外，相關(guān)的適用于氫介質(zhì)的安全附件、儀表和裝卸附件(如安全閥、緊急切斷閥、爆破片裝置、壓力表、溫度計、壓力傳感器、溫度傳感器、裝卸閥門、管路閥門等)的檢測裝置也應(yīng)加大研發(fā)投入和力度。

2.2.4 技術(shù)引進(jìn)風(fēng)險

氫能承壓設(shè)備技術(shù)含量高，研發(fā)難度大、周期長，技術(shù)引進(jìn)也存在風(fēng)險。以高壓氫氣瓶為例，近年來國內(nèi)有不少單位開始研制或者投資Ⅳ型氫氣瓶，有的高薪聘請國外專家，有的花巨資購買國外企業(yè)。目前，國外Ⅳ型氫氣瓶設(shè)計制造技術(shù)比較成熟的只有日本Toyota、美國/挪威Hexagon Composite、韓國ILJIN Composite等少數(shù)公司。Ⅳ型氫氣瓶產(chǎn)品研制需要具有復(fù)合材料、機(jī)械、力學(xué)、無損檢測、控制等多學(xué)科知識的團(tuán)隊支撐。為使進(jìn)口或國內(nèi)研發(fā)的Ⅳ型氫氣瓶產(chǎn)品達(dá)到國際規(guī)范或者標(biāo)準(zhǔn)的要求，中國正在加快制定Ⅳ型氫氣瓶產(chǎn)品及其配套的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 管理風(fēng)險

(1)氣瓶直接用于加氫站儲氫風(fēng)險。將按照氣瓶標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計制造的鋼質(zhì)氣瓶直接用作加氫站儲氫壓力容器，存在疲勞失效的風(fēng)險。氣瓶設(shè)計循環(huán)次數(shù)一般不超過15 000次(試驗(yàn)介質(zhì)為液體)，在2017年頒布的ISO 11114-4《氣瓶瓶體和閥門材料與盛裝氣體的相容性 第4部分：抗氫脆鋼選用的試驗(yàn)方法》中取消了氣瓶公稱工作壓力上限30 MPa的限制，規(guī)定經(jīng)淬火+回火處理的Cr-Mo鋼，只要熱處理后實(shí)測抗拉強(qiáng)度不超過950 MPa，就可用于制造移動式氣瓶，而不需要進(jìn)行氫脆試驗(yàn)。但若據(jù)此認(rèn)為，滿足該要求的Cr-Mo鋼可以直接用于制造加氫站儲氫壓力容器，則會引起較大的潛在風(fēng)險。加氫站儲氫壓力容器的壓力波動次數(shù)取決于加氫站規(guī)模、加注工藝、設(shè)計使用年限等因素。對于商用加氫站，設(shè)計壽命長，氫氣加注頻繁，儲氫壓力容器壓力波動次數(shù)有可能超過10萬次，而大量試驗(yàn)研究表明，對于上述Cr-Mo鋼，高壓氫氣會顯著加速疲勞裂紋擴(kuò)展速率，明顯降低氫致開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值[9-10]，一般氣瓶設(shè)計時沒有考慮這種疲勞工況的影響。ISO 19880-1《Gaseous Hydrogen Fuelling Station,General Requirements》中明確規(guī)定：氣瓶、長管拖車用于加氫站儲氫時，應(yīng)充分考慮氣瓶和容器的差異，特別是壓力波動的影響。

(2)氫能承壓設(shè)備進(jìn)口風(fēng)險。有的用戶從國外購買儲氫壓力容器和氫氣瓶，由于我國缺少氫能承壓設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范，加上有些用戶不知道或者提不出合理的訂貨要求，致使不滿足安全使用要求的產(chǎn)品進(jìn)入市場。例如，有的從美國進(jìn)口的鋼制儲氫壓力容器產(chǎn)品，建造時依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是ASME BPVC Ⅷ-1《Rules for Construction of Pressure Vessels》，沒有考慮疲勞壽命，在用作加氫站儲氫壓力容器時，具有疲勞失效的風(fēng)險。還需要指出的是，國外儲氫壓力容器用鋼的抗拉強(qiáng)度上限是950 MPa，不滿足TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》對材料的規(guī)定。

(3)氫能承壓設(shè)備“三新”評審風(fēng)險。在新材料、新技術(shù)、新工藝評審時，申請單位提供的評審資料往往未經(jīng)第三方審查，對其合理性也缺少充足的數(shù)據(jù)支撐，加上氫能承壓設(shè)備發(fā)展快，要評審專家在短時間內(nèi)給出評審結(jié)果，不但難度大，而且存在風(fēng)險。

3 氫能承壓設(shè)備風(fēng)險防控的幾點(diǎn)思考

3.1 加強(qiáng)氫能承壓設(shè)備戰(zhàn)略研究

建議成立由國家市場監(jiān)督管理總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局主管領(lǐng)導(dǎo)和壓力容器、壓力管道、氣瓶、安全附件等行業(yè)內(nèi)相關(guān)專家組成的氫能承壓設(shè)備專項工作組，科學(xué)研判氫能承壓設(shè)備發(fā)展趨勢，結(jié)合氫能發(fā)展規(guī)劃，制訂中國氫能承壓設(shè)備高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)路線，明確重點(diǎn)任務(wù)，支撐氫燃料電池汽車、氫儲能、氫能軌道交通、氫能船舶等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)高起點(diǎn)開局、高質(zhì)量實(shí)施和可持續(xù)發(fā)展。

3.2 完善氫能承壓設(shè)備法規(guī)、安全技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系

推動將有關(guān)氫能承壓設(shè)備基本安全要求納入相關(guān)法規(guī)、安全技術(shù)規(guī)范或者盡快制定專項的《氫能承壓設(shè)備安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》；探索推動氫燃料電池汽車4S店及使用氫燃料電池汽車的公交站場、物流公司、重卡車隊等，實(shí)施氫瓶日常維護(hù)保養(yǎng)檢查，通過提高設(shè)計制造要求豁免特定車載氫氣瓶定期檢驗(yàn)，大力推廣和鼓勵物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)控終端系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)車載氫氣瓶實(shí)時安全狀態(tài)監(jiān)控及數(shù)據(jù)傳輸和安全報警提示，加強(qiáng)日常氫安全管理；加快健全中國氫能承壓設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)體系(見圖3，圖中虛線框內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)頒布、點(diǎn)劃線框內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)正在起草)，進(jìn)一步完善氫能承壓設(shè)備材料、產(chǎn)品、定期檢驗(yàn)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；加快建立第三方檢測機(jī)構(gòu)；建立健全新技術(shù)、新方法、新材料準(zhǔn)入機(jī)制，使風(fēng)險可防可控；推動氫能承壓設(shè)備質(zhì)量安全追溯體系建設(shè)、企業(yè)質(zhì)量安全評價體系、責(zé)任延伸制度；探索建立基于大數(shù)據(jù)的氫能承壓設(shè)備安全監(jiān)管平臺，實(shí)現(xiàn)氫能承壓設(shè)備安全動態(tài)全過程監(jiān)管；加強(qiáng)氫能承壓設(shè)備科普宣傳，構(gòu)建良好的產(chǎn)業(yè)發(fā)展氛圍，吸引更多社會資源，構(gòu)筑有效的安全防線。

圖3 氫能承壓設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)體系

3.3 組織氫能承壓設(shè)備核心技術(shù)攻關(guān)

依托行業(yè)骨干企業(yè)、科研院所、高等院校、檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)，共同開展高性能輕量化設(shè)計、復(fù)合材料氫氣瓶(儲氫容器)、服役性能快速檢測評價、定期檢驗(yàn)新技術(shù)等氫能承壓設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，建立知識產(chǎn)權(quán)共享機(jī)制；深度開展國際合作與交流，參加國際循環(huán)測試和國際規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)制定，形成國際化的協(xié)作機(jī)制。