高压氢气储运过程的泄漏研究

2022-05-18罗启圭韩文超姜永善何琦

中国设备工程 2022年8期

罗启圭，韩文超，姜永善，何琦

（中国特种设备检测研究院，北京 100029）

氢能作为清洁能源，已经成为各国优先发展的新能源产业，更是进入我国十四五规划和2035年远景目标纲要，成为21世纪优先发展的新能源产业之一，氢能的储运以及加氢站的建成是氢能利用的重要环节。受成本和技术的影响，目前加氢站用氢以及工业氢气的运输以短途运输为主，主要方式为高压氢气长管拖车运输。长管拖车是将若干支大容积钢制高压储氢气瓶装配一起，并在头部通过管路连接以进行氢气充装的移动式压力容器。因长管拖车运输的高压氢气压力达到20MPa，且氢气存在密度轻、分子小易扩散的特点，氢气在运输或者充卸过程中易出现泄漏扩散的情况，另一方面，因氢气无色无味，泄漏不容易发现，一旦发生氢气聚集，遇明火低燃点爆燃而引起事故。因此，对高压氢气储运过程中的泄漏问题研究对氢能的安全使用具有积极意义，本文将从长管拖车充卸及运输过程中易产生泄漏的端塞和各类附件入手，研究泄漏机理并提出应对措施。

1 氢气长管拖车结构简述

长管拖车总体分为行走机构、大容积钢制气瓶及其连接装置三部分，承装高压氢气的大容积气瓶通过两端螺纹与法兰连接，再由法兰固定到行走机构上的前后支撑板上。气瓶后端通过端塞、管路等连接装置将所有气瓶连通并设置氢气充卸口、排污管路等，同时增加了安全泄放附件、紧急切断装置等安全装置，以保证长管拖车安全运行，气瓶前端则简单布置端塞与安全泄放装置相连，整体氢气长管拖车如图1所示。

图1 氢气长管拖车

2 泄漏分析及应对措施

2.1 端塞泄漏

端塞是气瓶与外部管路或安全泄放附件相连的连接装置，分为前端塞和后端塞。前端塞主要与超压泄放装置相连，后端塞则增加了与充卸主管路相连的阀门接口，有的还增加了排污管路接口。端塞通过螺纹与气瓶内螺纹连接，加密封垫以保证密封性，在密封面外部通常还进行胶封处理。经过上述密封处理，运行过程中氢气长管拖车的端塞泄漏一般为微漏，用肥皂水检漏可得到如图2所示，可见均为细小的泡沫慢慢鼓出，有的渗漏甚至得持续观察一段时间才能分辨出。

图2 端塞泄漏

端塞泄漏的原因主要有以下几点：长管拖车长期运行造成端塞与气瓶连接螺纹松动，导致密封面产生间隙从而失效泄漏；气瓶端塞密封面存在异物或划伤，密封不严导致泄漏；端塞或气瓶螺纹存在磨损及损伤，导致氢气向外扩散泄漏。

针对以上泄漏可以采取如下措施：定期对长管拖车前后端塞进行观察及测漏，若发现螺纹松动痕迹后，在空车状态下及时进行紧固处理；若未发现端塞松动痕迹，使用单位应及时告知维修单位进行拆修处理，拆下的端塞进行螺纹、密封面、密封材料检查，依据泄漏问题进行螺纹修复、密封面清洗打磨、密封材料更换等操作，处理安装后重新进行测漏检验，氢气测漏一般可用肥皂水进行测漏，若是高纯氢气，可用专业氢气测漏仪或准确性更高的氦检漏方法进行检测。

2.2 附件泄漏

氢气长管拖车的附件主要包含连接附件和安全附件，连接附件主要为管路上的阀门、接头，安全附件主要为压力表、爆破片、易熔塞。因工作承压达到20MPa且氢气分子易扩散，这几种附件在长管拖车运行中都有可能发生泄漏。

阀门布置在后端，主要有进气瓶阀、进气主阀、排污阀、压力表阀几种，阀门的泄漏原因主要有以下两点：氢气长管拖车运行时间长久或反复充装气体导致阀门功能失效，造成阀门内漏，这种泄漏以球阀常见并在高压和低压状态都有可能发生；阀门连接处密封面材料因时间长久或腐蚀出现损坏导致密封失效产生外漏，外漏同样可因阀门未拧紧或螺纹损坏而产生。另外，阀门内漏因为是阀门功能引起且泄漏发生在管路里，在外部难以观察到，一般在做阀门密封性试验的时候可检测到，外漏则可直接通过测漏检测到具体部位，如图3所示。接头的泄漏重点关注充装氢气接头在充卸过程中的泄漏，由于未规范化操作或者充卸软管的破损造成大面积泄漏。

图3 阀门外漏

安全附件是保障氢气长管拖车安全运行的关键部件，压力表能反应气瓶内压力状态，爆破片和易熔塞更是保证在瓶内超压以及发生火灾时，氢气能安全泄放从而预防严重事故发生。压力表的泄漏主要发生在连接密封处，同样是因为密封材料失效和松动引起，如图4所示。爆破片和易熔塞的泄漏除了瓶内超压或火灾事故，两者发挥功能泄放外，还存在未定期更换爆破片装置导致爆破片或易熔塞失效泄漏的原因，比如，爆破片长期受压变形或易熔塞发生萎缩，不再起密封及保护作用。