1 研究背景
目前國(guó)內(nèi)站用儲(chǔ)氫容器的主要形式為鋼質(zhì)無(wú)縫儲(chǔ)氫容器、金屬內(nèi)膽全纏繞儲(chǔ)氫容器、鋼帶錯(cuò)繞式儲(chǔ)氫容器。
由于站用儲(chǔ)氫容器對(duì)重量基本無(wú)要求，低成本、安全性能高是選擇站用儲(chǔ)氫容器的首要原則。
鋼質(zhì)無(wú)縫容器依托于成熟的氣瓶產(chǎn)線，技術(shù)成熟、交貨周期短，成本較低；鋼帶錯(cuò)繞式容器為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)， 容積可做大，弊端就是交貨周期長(zhǎng)，使用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) 少； 金屬內(nèi)膽全纏繞儲(chǔ)氫容器目前國(guó)內(nèi)只是用于試驗(yàn)，還未大批量生產(chǎn)。
從國(guó)外站用儲(chǔ)氫結(jié)構(gòu)形式來(lái)看，鋼質(zhì)無(wú)縫容器占比較大。
國(guó)內(nèi)車載儲(chǔ)氫容器多采用金屬內(nèi)膽或塑料內(nèi)膽全纏繞氣瓶，采用全纏繞氣瓶需要考慮的一是復(fù)合材料、閥門附件等的成本，另一個(gè)主要的難點(diǎn)是纏繞工藝的確定。
目前國(guó)內(nèi)沈陽(yáng)斯林達(dá)以及北京天海等企業(yè)均具有70MPa 車載儲(chǔ)氫的技術(shù)儲(chǔ)備以及生產(chǎn)能力，雖然站上的疲勞次數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于車載氣瓶，但壓力循環(huán)范圍卻遠(yuǎn)低于車載氣瓶，纏繞工藝等方面站用纏繞儲(chǔ)氫容器可借鑒。
為了更全面深入的了解國(guó)內(nèi)外鋼質(zhì)無(wú)縫儲(chǔ)氫容器的設(shè)計(jì)，筆者對(duì)相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行匯總對(duì)比，為以后企業(yè)的開(kāi)發(fā)方向提供一定的指導(dǎo)。
2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
2．1 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
2．1．1 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
國(guó)內(nèi)有關(guān)站用儲(chǔ)氫容器的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范目前有針對(duì)性的是GB/T 34583—2017《加氫站用儲(chǔ)氫裝置安全技術(shù)要求》，其余涉及到儲(chǔ)氫容器的標(biāo)準(zhǔn)主要來(lái)自加氫站的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，例如GB 50156《加氫站技術(shù)規(guī)范》、DGJ 08—2055—2009《燃料電池汽車加氫站技術(shù)規(guī)程》、GB/T 34584《加氫站安全技術(shù)規(guī) 范》、 GB/T 34542．1《氫氣儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)第1篇通用要求》、GB/T 29729《氫系統(tǒng)安全的基本要求》等。
加氫站技術(shù)規(guī)范中提及的儲(chǔ)氫容器多集中在安全裝置設(shè)置以及壓力等級(jí)分級(jí)方面，對(duì)儲(chǔ)氫容器的設(shè)計(jì)并沒(méi)有詳細(xì)的介紹。
GB/T 34583—2017《加氫站用儲(chǔ)氫裝置安全技術(shù)要求》針對(duì)的是固定式儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)氫 裝置(鋼帶錯(cuò)繞式儲(chǔ)氫容器)和無(wú)縫管式儲(chǔ)氫瓶?jī)?chǔ)氫容器。
固定式儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)氫裝置的設(shè)計(jì)制造依據(jù)GB /T 26466《固定式高壓儲(chǔ)氫用鋼帶錯(cuò)繞式容器》，無(wú)縫管式儲(chǔ)氫瓶?jī)?chǔ)氫容器在制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)主要是針對(duì)無(wú)縫瓶式容器，無(wú)縫瓶式容器設(shè)計(jì)依據(jù)JB/T 4732進(jìn)行設(shè)計(jì)。
GB/T 34583—2017《加氫站用儲(chǔ)氫裝置安全技術(shù)要求》雖然沒(méi)有包括儲(chǔ)氫氣瓶，但是前期加氫站用儲(chǔ)氫容器多為45MPa的儲(chǔ)氫氣瓶，依據(jù)某單位企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造，該企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)參照DOT 49 CFＲ178．37，采用第二強(qiáng)度理論。
目前考慮到安全性能， 國(guó)內(nèi)對(duì)儲(chǔ)氫材料疲勞數(shù)據(jù)等的匱乏，以及參照ASME Ⅷ 3 KD-10提出壓力超過(guò)41MPa時(shí)需按臨 氫容器處理，依據(jù)斷裂力學(xué)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算等問(wèn)題，國(guó)家質(zhì)檢總局禁止繼續(xù)銷售45MPa的儲(chǔ)氫氣瓶，后續(xù)會(huì)有專項(xiàng)要求，放開(kāi)對(duì)45MPa 鋼質(zhì)無(wú)縫儲(chǔ)氫容器的限制。
2．1．2 儲(chǔ)氫材料的選擇
高壓氣瓶在氫環(huán)境使用時(shí)，其所用鋼材存在著氫脆危險(xiǎn)性，一般情況下，各國(guó)家或組織的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)高壓儲(chǔ)氫氣瓶的抗拉強(qiáng)度、屈強(qiáng)比和硫磷含量等做出限制。國(guó)內(nèi)在高壓氣瓶用鋼的抗氫脆性能研究上，基本沒(méi)有公開(kāi)報(bào)道，可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)較少。材料選擇時(shí)基本參考國(guó)外的 CrMo鋼。
儲(chǔ)氫氣瓶和瓶式容器選擇材料時(shí)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)不同。
TSG Ｒ 0006《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中對(duì)有氫脆風(fēng)險(xiǎn)的氣瓶的要求直接采用了ISO 9809-1: 2010的要求，規(guī)定了抗拉強(qiáng)度的上限為880MPa，當(dāng)壓力不超過(guò)20MPa和屈強(qiáng)比小于0．9時(shí)抗拉強(qiáng)度可提高到950MPa， 并沒(méi)有參照ISO 11120，通過(guò)驗(yàn)證符合ISO 11114-4的要求的方法提高氣瓶材料的抗拉強(qiáng)度。
目前國(guó)內(nèi)45MPa儲(chǔ)氫氣瓶沒(méi)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，只是參照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制造。企業(yè)在制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)雖然也按照ISO 1114-4 和 ISO 11439進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)，但是并沒(méi)有提高材料的抗拉強(qiáng)度，而是按照TSG Ｒ 0006的規(guī)定限制在880MPa以內(nèi)。
企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)多參照DOT 49CFＲ § 178．37， §178．37規(guī)定瓶壁應(yīng)力不能超過(guò)鋼材最低抗拉強(qiáng)度的67%，且不得超過(guò)70000 psi(483 MPa)，這就說(shuō)明提高材料抗拉強(qiáng)度來(lái)減小壁厚的方法是徒勞的，而企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)將體現(xiàn)在材料采購(gòu)以及生產(chǎn)制造成本的降低。
瓶式容器材料選擇時(shí)依據(jù)TSG 21《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，考慮到氫脆的影響，材料抗拉強(qiáng)度的上限為880 MPa，屈強(qiáng)比小于等于0． 86， 同時(shí)對(duì)斷面延伸率提出要求。大容規(guī)中對(duì)瓶式容器材料的規(guī)定基本上參照氣瓶的要求。
目前超過(guò)30 MPa的瓶式容器多采用JB /T 4732，由于材料的許用應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度有關(guān)，所以可通過(guò)提高材料的抗拉強(qiáng)度下限來(lái)降低容器的壁厚，但是在提高材料最小抗拉強(qiáng)度的同時(shí)會(huì)縮小材料的強(qiáng)度區(qū)間，區(qū)間范圍過(guò)小，對(duì)熱處理的要求將更苛刻，報(bào)廢率將會(huì)增加，需綜合考慮。
2．1．3 設(shè)計(jì)
國(guó)內(nèi)鋼質(zhì)無(wú)縫儲(chǔ)氫容器的設(shè)計(jì)主要分為 2 個(gè)方向，一是氣瓶標(biāo)準(zhǔn)，一是容器標(biāo)準(zhǔn)。氣瓶標(biāo)準(zhǔn)以企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為主，參照DOT的設(shè)計(jì)理念。
容器標(biāo)準(zhǔn)主要是采JB/T 4732。為了進(jìn)一步了解國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于鋼質(zhì)無(wú)縫儲(chǔ)氫容器的計(jì)算，現(xiàn)以45MPa壓力，直徑406mm，材質(zhì)4130X為例進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算見(jiàn)表1。
從表1可以看出，在設(shè)計(jì)壁厚上瓶式容器的壁厚要大于氣瓶的壁厚，這與氣瓶設(shè)計(jì)的初衷是相符的。
氣瓶追求更輕的重量，所以在設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等方面是不同于容器的，例如放棄靈活多變的尺寸規(guī)格而采用有限的規(guī)格，這使得批量制造和工藝穩(wěn)定成為可能；
采用簡(jiǎn)單的幾何形狀，沒(méi)有像容器那樣存在接管等幾何不連續(xù)造成的應(yīng)力集中，應(yīng)力狀態(tài)簡(jiǎn)單可控；增加破壞性型式試驗(yàn)項(xiàng)目，使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造工藝得到驗(yàn)證；容器恰恰相反，所以說(shuō)氣瓶雖薄，不能說(shuō)不安全，容器雖厚但不能說(shuō)保證安全。這需要綜合進(jìn)行考慮。
2． 1． 4 檢測(cè)要求
儲(chǔ)氫氣瓶依據(jù)瓶規(guī)要求需要做型式試驗(yàn)，TSG 21對(duì)制造過(guò)程中的檢測(cè)要求主要是耐壓試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)和無(wú)損檢測(cè)，針對(duì)瓶式容器本身，各個(gè)企業(yè)又提出了相關(guān)的要求。儲(chǔ)氫氣瓶與瓶式容器的試驗(yàn)檢測(cè)要求對(duì)比見(jiàn)表2。
從表2可以看出，儲(chǔ)氫氣瓶的疲勞試驗(yàn)是按照一天充放2次進(jìn)行計(jì)算的，站用時(shí)疲勞次數(shù)多但是壓力幅度小，具體如何試驗(yàn)還需驗(yàn)證。瓶式容器雖然是按照J(rèn)B/T 4732進(jìn)行了疲勞分析，但是JB/T 4732中并未列入 4130X，設(shè)計(jì)疲勞曲線是否適用有待驗(yàn)證。
2．2 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
2．2．1 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
NASA《氫和氫系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)》中提出站用儲(chǔ)氫容器的設(shè)計(jì)按照 ASME BPVC。采用ASME BPVC設(shè)計(jì)時(shí)主要涉及的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)為ASMEⅡ-A《鋼基材料》、ASMEⅡ-D《材料性能》、ASME Ⅷ《壓力容器》。ASME Ⅷ《壓力容器》又分為ASME Ⅷ-1《壓力容器建造規(guī)則》、ASME Ⅷ-2《壓力容器建造另一規(guī)則》以及 ASME Ⅷ-3《高壓容器建造規(guī)則》。
2． 2． 2 儲(chǔ)氫材料的選擇
ASME Ⅷ-1《壓力容器建造規(guī)則》關(guān)于鋼質(zhì)無(wú)縫容器的內(nèi)容是UF篇和附錄22。UF篇的安全系數(shù)是3．5，附錄22的安全系數(shù)是3，為了降低容器的壁厚， 在設(shè)計(jì)時(shí)一般選擇附錄22。
附錄22 中規(guī)定材料的選擇限定到SA-372系列，強(qiáng)度最高的是SA-372GrL抗拉強(qiáng)度1070～1210MPa，由于沒(méi)有相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和制造經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)很少選擇類別 L。目前的儲(chǔ)氫容器多采用SA-372類別E和J，J類的淬透性優(yōu)于E，可以承受更高的壓力，所以壓力較高時(shí)多采用SA-372 Gr J class 70。
ASME Ⅷ-2《壓力容器建造另一規(guī)則》中對(duì)于容器的設(shè)計(jì)分為兩部分，一部分是按照規(guī)則設(shè)計(jì)要求， 另一部分是分析設(shè)計(jì)。
材料選用的是第Ⅱ卷D篇表5A中的材料，表5A中許用應(yīng)力比較大的是SA-705， 許用應(yīng)力 402MPa，SA-372級(jí)別J中的110類別和SA723 Grade 1，class 2 或Grade 2，class 2的許用應(yīng)力均為388MPa。SA-372級(jí)別J110類別抗拉強(qiáng)度較高，有25MPa氫氣的使用經(jīng)驗(yàn)，面臨的問(wèn)題依然是氫脆性試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。
目前國(guó)外有SA723M的使用經(jīng)驗(yàn)，日本制鋼所聯(lián)合 FIBA和桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究了SA372和SA723的性能，SA723和 SA372最主要的區(qū)別是Ni含量，Ni的存在可以在淬火過(guò)程中延遲貝氏體的形成，促進(jìn)形成馬氏體。
經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究，當(dāng)抗拉強(qiáng)度小于950 MPa，屈服強(qiáng)度小于750MPa 時(shí)，其氫環(huán)境下的斷裂韌度大于50MPa·m1 2 ，但是當(dāng)回火到高強(qiáng)度后會(huì)降低氫環(huán)境下的斷裂韌度。
在高壓氫環(huán)境下材料的化學(xué)成分和強(qiáng)度對(duì)普通鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速度的影響不是很明顯(有論文) 。SA723的淬透性優(yōu)于SA372，這樣可以通過(guò)增厚提高承壓能力，但是在疲勞裂紋擴(kuò)展速率和斷裂閾值上并沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)，添加Ni以后材料成本將會(huì)增加，企業(yè)需綜合考慮其成本。
SA-705系列是不銹鋼鍛件，目前有試驗(yàn)表明316L和氫脆介質(zhì)的兼容性最好，但是SA-705系列目前沒(méi)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如果有關(guān)氫脆的相關(guān)試驗(yàn)和制造工藝過(guò)關(guān)，后續(xù)是否可以考慮采用SA-705的材料。
ASME Ⅷ-3《高壓容器建造規(guī)則》的選材主要考慮SA372、SA723和SA705系列，需要解決的問(wèn)題同ASME Ⅷ-1《壓力容器建造另一規(guī)則》。
2．2．3 設(shè)計(jì)
美國(guó)的儲(chǔ)氫容器主要依據(jù)ASME Ⅷ-1《壓力容器 建造規(guī)則》UF篇或附錄22，附錄22中的安全系數(shù)小于UF篇，所以企業(yè)在設(shè)計(jì)時(shí)多按照附錄22進(jìn)行壁厚的計(jì)算。
該規(guī)則雖然規(guī)定了壓力的上限為20MPa， 但是對(duì)于超過(guò)20MPa 的，只要通過(guò)增加設(shè)計(jì)原理和建造規(guī)則也可以使用。對(duì)于較高壓力等級(jí)的儲(chǔ)氫容器，可以采用ASME Ⅷ-2《壓力容器建造另一規(guī)則》; 對(duì)于超過(guò)41MPa的儲(chǔ)氫容器，需按照ASME Ⅷ-3《高 壓容器》中的KD-10進(jìn)行計(jì)算。
ASME Ⅷ-2《壓力容器建造另一規(guī)則》中的分析設(shè)計(jì)采用應(yīng)力分析的方法，ASME Ⅷ-3《高壓容器》在臨氫容器設(shè)計(jì)時(shí)需要按照KD-10測(cè)得數(shù)據(jù)以后采用KD-4斷裂力學(xué)的方法確定出設(shè)計(jì)使用次數(shù)。本文就不再詳細(xì)闡述。僅將ASME Ⅷ-1和ASME Ⅷ-2中的規(guī)則設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行對(duì)比。
以上計(jì)算均為考慮疲勞工況，如果是疲勞工況， 還應(yīng)根據(jù)疲勞壽命校核結(jié)果確定是否增加厚度。經(jīng)過(guò)對(duì)比可以看出，ASME Ⅷ-2《壓力容器建造另一規(guī)則》規(guī)則設(shè)計(jì)計(jì)算的壁厚要比ASME Ⅷ-1《壓力容器建造規(guī)則》小。
主要是因?yàn)锳SME Ⅷ-2的安全系數(shù)要小于ASME Ⅷ-1，同時(shí)許用應(yīng)力提高了。
目前國(guó)內(nèi)采用ASME Ⅷ-2設(shè)計(jì)的企業(yè)比較少，一方面是因?yàn)锳I檢驗(yàn)師比較少，另一方面ASME Ⅷ-2對(duì)產(chǎn)品的制造檢驗(yàn)等要求比較嚴(yán)格，經(jīng)過(guò)綜合考慮以后ASME Ⅷ-2產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)目前看來(lái)不是很明顯，后期隨著技術(shù)、生產(chǎn)工藝等的成熟，可通過(guò)采用ASME Ⅷ-2來(lái)提高儲(chǔ)氫容器的容重比。
2．3 ISO 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
2．3．1 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
ISO/DIS 19880-1: 2018《氣態(tài)氫: 燃料站 第一部分 通用要求》提出儲(chǔ)氫容器的設(shè)計(jì)按照ISO 19884《氣態(tài)氫: 站用氣瓶》。鋼質(zhì)氣瓶的設(shè)計(jì)依據(jù)ISO 11120《氣瓶－水容積150 L～3000L的可重復(fù)使用的無(wú)縫鋼質(zhì)氣瓶的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)》或ISO 9809《氣瓶: 可重復(fù)充裝的無(wú)縫鋼質(zhì)氣瓶的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)》 。
2．3．2 材料選擇
儲(chǔ)氫容器材料選擇時(shí)需按照ISO 11114-1《氣瓶和瓶閥材料與盛裝氣體的相容性 第一部分: 金屬材料》、材料性能試驗(yàn)需按ISO 11114-4《氣瓶和瓶閥材料與盛裝氣體的相容性 第4部分 選擇耐氫脆金屬材料的試驗(yàn)方法》，ISO 19884《氣態(tài)氫: 站用氣瓶》在ISO 11114-4的基礎(chǔ)上提出了更多的試驗(yàn)要求。
2．3．3 設(shè)計(jì)
以ISO 11120《氣瓶—水容積150L～3000L的可重復(fù)使用的無(wú)縫鋼質(zhì)氣瓶的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)》為例，依然選擇45MPa的工作壓力，直徑406mm進(jìn)行計(jì)算。
2．4 日本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
日本有關(guān)站用儲(chǔ)氫容器的設(shè)計(jì)主要是參照J(rèn)IS B8265和ASME BPVC 標(biāo)準(zhǔn)，材料選取的是ASME的材料，由于JIS B8265的安全系數(shù)為4，高于 ASME BPVC3．5的安全系數(shù)，所以日本儲(chǔ)氫容器的設(shè)計(jì)偏于保守，此處就不再詳細(xì)闡述。
3 結(jié)果討論
1． 儲(chǔ)氫容器的形式主要分為兩種，一種是固定容器的形式，例如按照 ASME BPVC進(jìn)行設(shè)計(jì)，另一 種是氣瓶的形式，例如按照ISO 11120 進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2． 當(dāng)達(dá)到41MPa時(shí)，國(guó)內(nèi)和美國(guó)的儲(chǔ)氫容器除了常規(guī)的公式計(jì)算和疲勞影響分析外，還需按照臨氫容器處理。
3． 多種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)，ISO氣瓶標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的壁厚最薄，同時(shí)只要滿足 ISO 1114-4的驗(yàn)證，對(duì)儲(chǔ)氫容器的壓力以及強(qiáng)度的上限沒(méi)有明確的要求。
4． SA-705在材料強(qiáng)度上具有一定的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)屬于不銹鋼，后期可以考慮該材料的氫脆驗(yàn)證試驗(yàn)。
