氢气气瓶充装的技术及安全

孙 猛，李荷庆，金向华

(苏州金宏气体股份有限公司，江苏 苏州 215152)



·安全技术·

氢气气瓶充装的技术及安全

孙 猛，李荷庆，金向华

(苏州金宏气体股份有限公司，江苏 苏州 215152)

氢气是主要的工业原料，也是最重要的工业气体和特种气体，但是氢气也是易燃易爆的气体，容易引发事故。综述了氢气气瓶充装过程中的操作流程和氢气充装过程中的危险性分析。最后，对氢气充瓶过程中易出现的事故及原因、出现事故后的处置技术、出现事故前的预防措施等三方面加以阐述。

氢气；技术规范；危险性；气瓶充装

0 引 言

氢气在工业中有广泛用途。应用量最大的是作为一种重要的石油化工原料，用于生产合成氨、甲醇以及石油炼制过程的加氢反应。 还大量运用于电子工业、冶金工业、食品工业、浮法玻璃、精细有机合成航空航天工业等领域。

并且，将来氢气还是人类最清洁且永恒的能源之一。世界能源的构成经历了从固化(柴、煤、核子)、液化(石油)、到气化(天然气、氢气)的进程，其中的碳氢比重一路下降：90%(柴)、60%(煤)、30%(石油)、20%(天然气)、0%(氢气)，氢的含量越来越高，而碳的含量则越来越低。随着世界能源的紧缺及对环保问题的重视，氢气作为高能量的载体，越来越受到世界的关注。

但是，氢气极易燃，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热或明火即发生爆炸。并且比空气轻，在室内使用和储存时，漏气上升滞留屋顶不易排出，遇火星会引起爆炸。在空气中燃烧时，火焰呈蓝色，不易被发现。所以，氢气在制备、储存、使用过程中的安全必须要重视，需要对氢气充装过程的操作流程、对出现事故后的应急处理进行统一规范。

1 氢气气瓶充装操作流程

1.1 充装前检查

为了确保充装安全，充装前应该检查下列内容：

1.气瓶是否有绿色可充装标识，若符合可充装气瓶要求，黏贴绿色可充装标识。

2.气瓶外表面的颜色标记是否与所充装的气体规定标记相符合，漆色是否良好。

3.气瓶外表有无损伤和油脂等。

4.检查集装格除主阀外的所有分瓶阀是否打开。

5.气瓶内有无剩余压力，无余气和检验维修后以及新投用的气瓶，需进行置换处理。

1.2 气瓶充装

1.检查充装汇流排进气总管是否有压力，若压力表显示为零，则按检修程序操作；

2.检查充装软管是否符合要求；

3.将气瓶的接地线连接好；

4.在每一个托盘或集装格上悬挂“软管已连接”标识牌；

5.利用汇流排内的压力进行本组软管置换；

6.当气瓶充灌压力达到5 MPa时，及时摸冷瓶，发现冷瓶及时处理，超过5 MPa时发现冷瓶应停止该瓶的充装，待其余气瓶充装结束后处理；

7.对连接处等进行检漏(检漏压力点为1 MPa、5 MPa 、10 MPa 、15 MPa)；

8.气瓶充装至规定压力时，即可关闭充装阀；

9.关闭主充装阀，释放汇流排内压力至常压。

1.3 充装后检查

1.对气瓶上的各接口用检漏液进行检漏；

2.检查/张贴警示标识，将气瓶移到待分析区域；

3.进行分析检测。

2 氢气充装系统危险性分析

2.1 制氢充装过程中的危险性分析

氢气充装系统未设置相应的安全装置(如超压泄放用安全阀、分组切断阀、压力显示仪表、氢气回流阀、吹扫放空阀、氢气放空管接至室外安全处设施等)，引发的超压爆炸事故。

未设置氢气回流阀，使氢气回流至氢气压缩机前管路或氢气缓冲罐。

未设置气瓶内余气及含氧量测试仪表及氮气置换吹扫系统。

未设置超压泄放用安全阀，造成充装超压、超量。

充装流速超过限度值,充装管破裂、瓶阀等泄漏。

没有设置符合安全技术要求的防雷、防静电设施、可燃气体泄漏报警等措施。

气瓶未有效固定发生倒瓶事故造成瓶嘴漏气。

2.2 生产环境的危险性分析

在氢气生产过程中，其生产环境可能引发下列危险：

1.作业区域环境通风不良，若有易燃易爆气体泄漏，遇火源、高温会引发爆炸、燃烧事故。

2.违章用火、明火、可能产生火花的工具撞击产生火花引发火灾、爆炸危险。

3.生产防火防爆技术措施不当、地坪未采用不发火材料、使用非防爆电器仪表等引发的火灾爆炸事故。

4.在易燃易爆环境中产生爆炸必须同时存在下列条件：

1)可燃气体、易燃液体的蒸气或薄雾其浓度在爆炸极限以内；

2)在足以点燃爆炸性气体混合物的火花电弧或高温。

5.天然气制氢装置设备、管道泄漏，造成一氧化碳和二氧化碳的渗漏，引发中毒窒息事故。

6.作业人员上岗时未穿戴防静电、阻燃的工作服和防静电工作鞋造成静电火花引发火灾爆炸事故。

2.3 压力容器的危险性分析

压力容器的最薄弱处，由于强度不够，在受压下发生破裂；同时容器内的介质形成强大的冲击波，引起爆炸摧毁厂房设备，处在爆炸中心的人员将造成严重伤亡。

1.压力容器可能发生爆炸的过程:压力容器强度不够，在受压下发生破裂；即一定压力下的危险物质从破口处急速冲出来，形成强大的冲击波，引起爆炸摧毁厂房设备，处在爆炸中心的人员将造成严重伤亡。

2.压力容器裂纹危险性：压力容器受压部件在使用中由于各种原因产生各种裂纹，称裂纹事故。因为裂纹的发展速度很快，如不及时采取有效措施，就会导致容器重大事故或爆炸事故的发生。

3.爆炸危害:压力容器爆炸是重大恶性事故，不但容器本身毁坏，还会波及周围的设备及建筑物，并造成人员伤亡，后果不堪设想，其危害十分严重，主要表现在以下几方面：

1)冲击波的危害：容器爆炸时气体爆炸的能量除很少部分消耗于进一步撕裂容器或将碎片抛出外，大部分产生冲击，除直接伤人外还能摧毁波及范围内的其他设备或建筑物；

2)碎片的危害：压力容器爆炸后的碎片或部件以很高速度飞出会直接毁坏其他设备、建筑物或致人伤亡；

3)介质毒性的危害：盛装一定毒性介质的压力容器爆炸时，因介质外泄、扩散，造成周围环境污染和人员中毒伤亡；

4)二次爆炸：盛装易燃介质的压力容器爆炸时，由于介质外泄，并因静电或遇明火等会造成二次爆炸恶性事故。

2.4 压力管道危险性分析

压力管道安装、检测、气密性试验、质量等不符合要求易造成泄漏、破裂，引起火灾爆炸事故发生。

氢脆的危险性，氢脆现象是在高应力和氢气的联合作用下发生的一种脆性破坏，使金属延性和韧性降低，甚至产生裂纹。高温、高压下钢与氢气接触易产生氢脆和氢腐蚀，这是加氢反应器及管道泄漏以致于出现损坏的重要原因之一。

2.5 气瓶存放危险性分析

氢气钢瓶存放，其危险、有害因素情况分析如下：

氢气极易泄漏。因此氢气钢瓶在储存过程中一旦泄漏，将与空气混合后形成爆炸性混合物，当达到一定爆炸浓度范围，遇明火、电火花、静电火花或极小的点火能量可能引起火灾和爆炸等事故。

氢气储存过程中稍有不慎就会造成爆炸和火灾事故，同时超压、物体打击、雷击产生火花等事故也会引起火灾危险性。

气瓶在运输、搬运过程中遇到猛烈撞击和震动、瓶体及附件质量不良、高温、充装过度等原因造成瓶内气体超压，瓶体发生爆炸破裂，造成人员伤亡事故。

气瓶在运输装卸过程中发生事故也是常见的。因为气瓶容易受到震动或冲击，如果气瓶超压或气瓶本身存在一些缺陷，在这种情况下就更容易发生事故，有时候会使气瓶发生粉碎性爆炸。

各种火源、火种、火花(如运输车辆未戴尾气阻火器、使用产生火花的工具)等引起的火灾爆炸危险。

夏季高温期间，充装车间未设置或冷却降温系统发生故障造成库温高而引发的事故。

建筑防火、防爆未达到设防要求，如电器没有采取防爆措施，通风换气设施缺失或失修等原因，极易导致火灾爆炸的危险。

建筑防火等级，与其它产生明火的建筑、场所之间的间距不符合防火规范要求，导致的事故隐患。

3 氢气充瓶的应急处置技术规范

3.1 易出现的事故及原因

1.氢气充装过程中，由于氢气为易燃气体，氢气压缩过程若因操作不慎，压缩机进口压力降低以致吸入空气，形成爆炸混合气，将可能造成严重的火灾爆炸、伤亡事故。

2.氢气轻，在充装、钢瓶储存过程中，一旦泄漏并上升滞留室内屋顶不易排出，遇火星、火源等会引起爆炸。

3.管道内流动流速过大，与管壁摩擦增强，特别是管道内含有铁锈杂质时，形成火花引发火灾、爆炸事故。

4.输送过程中因超压引起管道、管件等发生破裂、损坏而造成易燃易爆气体泄漏，可能发生火灾、爆炸等事故。

5.氢气在管道内流速超过其极限速度、无防静电措施或效果达不到要求均会引起火灾、爆炸事故的发生。

6.氢气放空管未设置阻火装置引起的燃烧或放空速度太快导致静电积聚引起火花而燃烧。由于氢气比重仅为0.069(空气为1)，若系统的最高点或氢气罐的最高点未设放空管，检修维修前未用氮气进行吹扫、系统置换，极易引起系统内氢气爆炸事故。

7.氢气充装系统未设置相应的安全装置(如超压泄放用安全阀、分组切断阀、压力显示仪表、氢气回流阀、吹扫放空阀、氢气放空管接至室外安全处设施等)，引发的超压爆炸事故。

8.未设置氢气回流阀，使氢气回流至氢气压缩机前管路或氢气缓冲罐，引发火灾、爆炸等事故。

9.未设置气瓶内余气及含氧量测试仪表及氮气置换吹扫系统，引发火灾、爆炸等事故。

10.未设置超压泄放用安全阀，造成充装超压、超量，引发火灾、爆炸等事故。

11.没有设置符合安全技术要求的防雷、静电设施、可燃气体泄漏报警等措施，引发火灾、爆炸等事故。

12.气瓶未有效固定发生倒瓶事故造成瓶嘴漏气，引发火灾、爆炸等事故。

3.2 出现事故后的处置技术

1.灭火

切断气源。若不能立即切断气源，则不允许熄灭正在燃烧的气体。喷水冷却容器，可能的话将容器从火场移至空旷处。喷雾状水、二氧化碳。

2.处理泄漏

迅速撤离泄漏污染区人员至上风处，并隔离直至气体散尽，切断火源。建议应急处理人员戴自给式呼吸器，穿一般消防防护服。切断气源，抽排(室内)或强力通风(室外)。如有可能，将漏出气用排风机送至空旷地方或装设适当喷头烧掉。漏气容器不能再用，且要经过技术处理以清除可能剩下的气体。

3.3 出现事故前的预防措施

1.氢气充装系统设置相应的安全装置(如超压泄放用安全阀、分组切断阀、压力显示仪表、氢气回流阀、吹扫放空阀、氢气放空管接至室外安全处设施等)，避免引发的超压爆炸事故。

2.设置氢气回流阀，使氢气无法回流至氢气压缩机前管路或氢气缓冲罐。

3.设置气瓶内余气及含氧量测试仪表及氮气置换吹扫系统。

4.设置超压泄放用安全阀，使充装不会超压、超量。

5.充装流速低于限度值。

6.设置符合安全技术要求的防雷、防静电设施、可燃气体泄漏报警等措施。

7.气瓶有效固定(基本是集装格)，避免发生倒瓶事故造成瓶嘴漏气。

8.充(灌)装站、汇流排间、空瓶和实瓶的布置符合下列要求：

1)汇流排间、空瓶和实瓶应分开放置。若空瓶和实瓶储存在封闭或半敞开式建筑物内，汇流排间应通过门洞与空瓶或实瓶间相通，但各自应有独立的出入口。

2)当实瓶数量不超过60瓶时，空瓶、实瓶和汇流排可布置在同一房间内，但实瓶、空瓶应分开存放，且实瓶与空瓶之间的间距不小于0.3 m。空(实)瓶与汇流排之间的间距不宜小于2 m。

3)汇流排间、空瓶间和实瓶间不应与仪表室、配电室和生活间直接相通，应用无门、窗、洞的防火墙隔开。如需连通，应设双门斗间，门应能自动关闭(如弹簧门)，且耐火极限不低于0.9 h。

4)空瓶间和实瓶间应有支架、栅栏等防止倒瓶的设施。

5)汇流排间、空瓶间和实瓶间内通道的净宽应根据气瓶的搬运方式确定，一般不宜小于1.5m。

6)汇流排间应尽量宽敞。汇流排应靠墙布置，并设固定气瓶的框架。

7)实瓶间应有遮阳措施，防止阳光直射气瓶。

8)空瓶间和实瓶间宜设气瓶装卸平台。平台的高度应根据气瓶装卸形式确定。平台上的雨篷和支撑应采用阻燃材料。

9)氢气充(灌)装间不应存放实瓶，空瓶数量不应超过汇流排待充瓶位的数量。

4 总 结

氢气在工业中有广泛用途。并且，将来氢气还是人类最清洁且永恒的能源之一。但是氢气也是易燃易爆的气体，容易引发事故。所以，本文总结了：

1.氢气气瓶充装操作流程，包括充装前检查、气瓶充装流程、充装后检查等各个步骤；

2.氢气充装系统危险性分析，包括制氢充装过程中的危险性分析、生产环境的危险性分析、生产过程其它危险性分析、压力容器危险性分析、压力管道危险性分析、气瓶存放危险性分析；

3.氢气充瓶的应急处置技术规范，包括易出现的事故及原因、出现事故后的处置技术、出现事故前的预防措施。

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The Technology and Safety of Hydrogen Cylinder Filling

SUN Meng, LI Heqing, JIN Xianghua

(Suzhou Jinhong Gas Co., Ltd., Suzhou 215152, China)

Hydrogen is the main industrial raw material, is also the most important industrial gas and special gas, but the hydrogen is also a flammable and explosive gas, easily lead to accidents. So this paper summarized hydrogen cylinder filling procedure in operation process, and risk analysis of hydrogen filling process. Finally, the three aspects such as the accident and the cause of the gas filling process, the disposal technology of the accident, the prevention measures before the accident.

hydrogen; technical specifications; danger; cylinder filling

2016-05-31

TQ051.3

A

1007-7804(2016)05-0045-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.05.013

孙 猛(1977)，男，博士研究生，高级工程师。主要研究方向为电子特气、气体工艺、催化剂、显示材料等。2008年毕业于北京航空航天大学材料物理与化学专业获博士学位。拥有30多项专利技术，并且已经在国内外学术会议和期刊上发表了15篇学术论文。