加氢站用高压气态储氢容器标准体系现状分析和若干建议

陈志伟，贾晓亮，李 翔，薄 柯，吉 方

(1.中国特种设备检测研究院,北京 100029;2.全国锅炉压力容器标准化技术委员会,北京 100029)

0 引言

由于传统的化石能源造成的环境污染日趋严重以及温室气体排放的迅速增加，许多国家开展了新能源的研究及产业布局工作。氢能作为绿色清洁能源，以其高效、无污染的优势成为开发热点之一。随着氢能应用及氢燃料电池汽车的飞速发展，为氢燃料电池补充氢气的加氢站也开始在全球各地广泛布局和建设[1]。

美国计划到2030年，要建成并投用5 600座加氢站；到2050年，氢能将占据美国能源需求的14%[1]。日本计划到2030年，投放市场的氢燃料电池车达到200万辆，加氢站建设规模超过900座。欧盟则计划到2030年加氢站建设规模达到3 750座[2-3]。截至2022年，我国已建成加氢站超过250座，约占全球总数的40%。加氢站分为气氢加氢站和液氢加氢站，目前我国建成和规划的加氢站，大多采用高压气氢加氢站模式，暂无正式投入运营的液氢加氢站[4-5]。中国“十四五”规划中，氢能的定位为战略新兴产业及需要进行前瞻谋划的未来产业。中国石化也明确提出，要在“十四五”期间加快发展以氢能为核心的新能源业务，拟规划布局1 000座加氢站或油氢合建站[6-7]。

加氢站中的氢气通常以高压气体的形式储存于压力容器中。目前可用于高压气态储氢的压力容器分为4种，分别为多层包扎容器、钢带错绕式容器、单层旋压无缝容器、纤维缠绕式容器。4种容器的结构示意图如图1所示。多层包扎容器和钢带错绕式容器虽然具有容积大、抗氢脆性良好的优点，但也存在制造工艺较复杂、生产及维护成本较高且定期检验困难等问题。单层旋压无缝压力容器一般采用管材通过旋压成形工艺制造，具有制造、运维成本低的优点且定期检验方便，故目前广泛作为加氢站高压储氢容器存储单元。本文中将该类容器简称为“旋压无缝容器”。

图1 4种高压气态储氢压力容器

以下对国内外标准中有关高压气态储氢容器材料、设计制造、在役检验及管理维护等环节的技术要求进行对比研究，主要分析这些标准在选材依据、试验测试、结构设计、所考虑的失效模式等方面的差异，并对未来相关标准化工作及基础研究工作提出一些建议。

1 国内外高压气态储氢技术标准

为保障加氢站的安全运行及氢能产业的健康发展，世界各主要工业发达国家均制定了适合于本国加氢站技术特点的氢能技术标准。国际标准化组织(ISO)已发布了61项氢能技术标准。美国机械工程师协会(ASME)、美国航空航天学会(AIAA)、加拿大标准协会美国分会(CSA)等机构制定了23项美国氢能技术标准。为支撑我国氢能产业发展，我国也制定了84项加氢站相关的氢能技术标准[7]。现有氢能技术标准中，与高压气态储氢容器相关的国内外标准统计见表1[8]。

从表1可以看出，当前高压气态储氢容器标准主要涉及材料、设计制造、在役检验及管理维护三个类别。在材料方面，ISO、美国及中国均发布了多项标准，这些标准通过测试相应的指标，对材料在高压氢环境下的性能进行评定；在设计方面，ISO正在起草适用于长期固定式存储的大容积高压储氢气瓶(组)的专项建造标准，美国则是在压力容器通用建造方法中增加了关于高压储氢容器设计的特殊要求，中国发布了钢带错绕式储氢容器的专项建造标准；在在役检验及管理维护方面，ISO和美国尚无此类标准，中国已发布了1项团体标准并有2项行业标准正在制订中。

加氢站建设标准大多引用了高压气态储氢容器材料和设计制造标准作为支撑。对于材料方面，ISO 19880和CSA HGV 4.9中规定在选材时应依据相应的标准确定氢环境下的材料性能；GB 50516规定高压气态储氢设备金属材料在氢环境下的性能测试应符合GB/T 34542.2及GB/T 34542.3的规定。对于设计方面，ISO 19880规定高压气态储氢容器的设计方法应符合相关国家标准的要求；CSA HGV 4.9规定高压气态储氢容器的设计应符合ASME Ⅷ的要求；与ISO及美国标准不同，GB 50156中仅原则性地规定在进行高压气态储氢容器设计时，必须对容器的塑性垮塌、局部过度应变、疲劳和泄漏失效模式进行评定，而未引用具体的压力容器建造标准进行支撑，这主要是因为我国压力容器建造方法国家标准中尚未明确针对不同的失效模式应采用何种方法进行设计，且目前只有针对钢带错绕式储氢容器建造的国家标准。

表1 国内外高压气态储氢容器相关标准

2 材料标准

高压气态储氢容器在氢环境下的材料性能标准可分为两类，一类为测试方法标准；一类为分级评价标准。这两类标准中用于评定氢环境下材料性能的指标主要包括氢脆敏感度系数、氢致开裂应力强度因子门槛值、疲劳裂纹扩展速率曲线、慢应变速率拉伸曲线、光滑圆棒试样的疲劳寿命、试件断裂的临界氢含量等。统计的国内外11项高压气态储氢容器材料技术标准如表2所示。

表2 国内外高压气态储氢容器材料技术标准

2.1 国际标准

氢环境下材料性能测试方法标准主要涉及6种试验：圆片试验、恒载荷拉伸试验、氢致开裂应力强度因子门槛值试验、慢应变速率拉伸试验、疲劳裂纹扩展速率试验、疲劳寿命试验。通过表2可知，ISO 11114-4，ANSI/CSA CHMC 1，ASME Ⅷ标准均要求对材料进行多项试验后，综合所有试验结果评定材料在氢环境下的性能；而ISO 16573,ASTM F1459,ASTM F1624及ASTM G142标准则是通过单项试验评定氢环境下材料的性能。此外，ISO标准与美国标准所包含的试验类型也有所不同，如ISO 16537给出了基于恒载荷拉伸试验的试件断裂临界氢含量的测试方法，而美国的标准不包含该方法；同时，美国的ANSI/CSA CHMC 1标准给出了基于光滑圆棒的疲劳试验方法用于材料性能的测定，而ISO标准中不包含该方法。

目前，只有ISO发布了ISO 11114-1和ISO/TR 15916两项氢环境下的材料性能分级评价标准用于指导涉氢设备的选材工作。其中，ISO/TR 15916根据不同金属在氢环境下的氢脆严重程度将氢脆敏感性分为极度脆化、严重脆化、轻度脆化、基本不脆化4个等级，并且以表格的形式给出了6个铝合金牌号、1个合金钢牌号、3个碳钢牌号、1个镍基合金牌号、9个不锈钢牌号和4个钛和钛合金牌号的氢脆敏感性级别。同时，ISO/TR 15916将金属对气态氢系统的适用性分成了3个级别(适用、不适用、通过评估确定适用性)，并且以表格的形式给出了不同种类材料的推荐级别。ISO 11114-1以分类评价的方式给出了碳钢、合金钢、奥氏体不锈钢、铝合金及镍基合金5种钢材对氢的相容程度，并给出了影响氢环境下金属材料性能的关键因素。

2.2 中国标准

GB/T 34542.2和GB/T 34542.3均为试验方法标准。其中，GB/T 34542.2规定根据金属材料在高压氢气环境下的氢致开裂应力强度因子门槛值试验、慢应变速率拉伸试验、疲劳裂纹扩展速率试验及疲劳寿命试验结果评定金属在氢环境下的性能。GB/T 34542.3规定基于圆片试验获得的氢脆敏感系数判断材料的氢脆敏感程度。与美国标准类似，我国氢环境下的材料性能试验方法标准不包含基于恒载荷拉伸试验的试件断裂临界氢含量测试方法。

2.3 标准对比

ISO的高压气态储氢容器材料标准覆盖了试验方法与分级评价两个类别，而中国和美国的高压气态储氢容器材料标准均只包含试验方法标准，尚缺乏分级评价标准。

虽然我国标准给出了氢环境下的材料性能试验方法，但在实际应用中，每个储氢容器生产企业在进行储氢容器建造前均单独进行试验来判定所选临氢材料的性能与容器设计条件是否匹配。如果试验研究及分析结果表明所选材料性能不满足设计要求，则需通过调整生产工艺，改善材料性能并重新试验，这极大地增加了储氢容器的建造成本。另外，高压气态储氢容器通常采用牌号为4130X的Cr-Mo钢制造，但我国现行的压力容器标准中并未有引入4130X钢。4130X钢在氢环境下的基础力学性能数据积累不足，尤其是在高压氢环境下的疲劳设计曲线、疲劳裂纹扩展速率曲线及材料断裂韧度数据缺失问题亟待解决。

3 设计制造标准

高压气态储氢容器具有工作压力高、压力波动频繁且范围大、容积大、压缩能量高、储存的高纯氢气易燃易爆等特点，故高压气态储氢容器结构易发生的失效模式主要有以下5种形式：塑性垮塌、局部过度应变、脆性断裂、疲劳、泄漏。本文收集到7项高压气态储氢容器建造标准，各标准中包含失效模式的分类统计如表3所示。

表3 国内外高压气态储氢容器设计相关标准包含的失效模式

3.1 国际标准

在ISO标准中尚无储氢容器建造的标准，故在本次研究中将ISO/DIS 19884作为对比标准之一。ISO/DIS 19884规定的无缝金属制固定式存储用高压储氢气瓶(组)在结构、体积及操作压力等方面与我国加氢站用单层旋压无缝压力容器类似。

ISO/DIS 19884标准主要给出了水容积不大于10 000 L且操作压力不大于110 MPa的固定式存储用无缝金属制及复合材料制高压储氢气瓶(组)的设计制造方法，并在标准中将固定式存储用高压储氢气瓶(组)简称为“压力容器”；另外，该标准将ASME BPVC作为规范性引用文件，并在疲劳评定中引用了ASME Ⅷ-3中针对高压储氢容器疲劳评定的断裂力学法。

ISO/DIS 19884标准要求必须基于有限元方法并考虑几何及材料力学性能非线性影响进行结构设计。在设计完成后，ISO/DIS 19884要求对容器试制样品及材料进行氢相容性试验、氢脆敏感度试验、耐压试验、爆破试验、未爆先漏试验、极限温度下的循环加载试验、高应变速率下冲击试验、化学爆炸试验、氢环境下的循环加载试验、火烧试验等，用以保证容器的安全性。ISO/DIS 19884虽然未在设计计算环节采用防止各种可能失效模式的计算方法，但在试验测试环节，根据容器可能发生的失效模式规定了对应的试验，以防止失效的发生。

美国高压容器建造标准ASME Ⅷ-3中规定了塑性垮塌、局部过度应变、快速断裂等高压容器常见的失效模式评定方法，并在KD-10章中给出高压气态储氢容器设计的特殊要求。KD-10章指出，在进行储氢容器设计时，要测试材料的平面应变断裂韧度、氢致开裂应力强度因子门槛值和疲劳裂纹扩展速率，并采用断裂力学方法对储氢容器进行疲劳评定。在制造方面，ASME标准并未针对储氢容器给出特殊的规定。

3.2 中国标准

目前我国的压力容器核心建造方法标准均未提及对加氢站高压储氢容器的特殊要求。虽然JB 4732中已经给出了压力容器塑性垮塌评定和基于疲劳设计曲线的疲劳评定方法，但一定程度上，高压氢环境下疲劳设计曲线缺失问题制约了JB 4732在高压储氢容器设计中的应用[9-11]。另外，我国压力容器建造标准中尚缺少针对高压储氢容器局部过度应变、泄漏及基于断裂力学法的疲劳评定方法。

在压力容器特定建造方法方面，我国仅有GB/T 26466这一项高压储氢容器建造标准，且其只适用于钢带错绕式储氢容器的建造。针对正处于快速发展阶段的旋压无缝高压储氢容器，尚无用于该类容器建造的国家标准。我国已发布的团体标准T/CATSI 05003对旋压无缝储氢容器的建造提出了原则性要求；同时，我国另一项团体标准T/CATSI 02013对加氢站用高压储氢气瓶(组)的技术要求进行了规定，其内容与ISO/DIS 19884类似，主要对高压氢气瓶用于加氢站储氢时应满足的技术要求作出了规定。

当前我国对于储氢容器建造参照的标准如下：钢带错绕式容器按GB/T 26466建造；多层包扎式容器按GB/T 150或JB 4732建造；对于旋压无缝储氢容器，由于现阶段缺乏相应的国家或行业标准，企业一般会参考T/CATSI 05003—2020《加氢站储氢压力容器专项技术要求》和特种设备相关法规研制企业标准开展储氢容器的设计制造。

3.3 标准对比

国内外标准化技术组织对高压气态储氢容器设计的规定方式分为两种：一种是在压力容器通用建造方法标准中单独对储氢容器设计制造进行规定；另一种是制定高压气态储氢容器专项建造标准。这些标准均直接或间接地针对高压气态储氢容器的5种常见失效模式给出了对应的设计方法。

其中，ISO/DIS 19884和T/CATSI 02013采用气瓶的设计制造理念对固定式存储用高压储氢气瓶(组)进行建造，并通过试验对储氢气瓶(组)防止失效的能力进行了验证。ASME Ⅷ-3和T/CATSI 05003则给出了用于高压储氢容器设计的塑性垮塌评定、局部过度应变评定及断裂力学评定方法，但并未给出防止泄漏的设计方法及高压氢环境下的疲劳设计曲线。在制造方面，GB/T 26466 对钢带错绕式储氢容器的筒体成形、组装、焊接及热处理提出了相应规定，而T/CATSI 05003对旋压无缝储氢容器热处理后的材料性能检验及合格指标作出了详细规定。

虽然我国已有针对钢带错绕式储氢容器建造方法的国家标准，但承压设备标准体系中尚缺少针对旋压无缝高压气态储氢容器建造方法的国家标准。

4 在役检验及管理维护标准

目前国内外高压储氢容器在役检验及管理维护的专项标准较少，当前公开的、可以收集到的相关标准如表4所示。

表4 国内外高压气态储氢容器在役检验及管理维护标准

我国承压设备标准体系中已包含针对常规承压设备的在役检验、管理维护及修理改造标准等，如GB/T 26610—2011《承压设备系统基于风险的检验实施导则》、《成套装置完整性管理》(正在制订)、《承压设备修理导则基本要求》(正在制订)等标准。但是，这些标准中均未针对高压气态储氢容器的特殊工况提出专项要求。目前国外关于高压气态储氢容器在役检验及管理维护的标准较少，而国内仅有团体标准T/ZJASE 001《固定式高压储氢用钢带错绕式容器定期检验与评定》对钢带错绕式的储氢容器的在役检验作出了规定。

伴随我国加氢站的大量布局、建设及投用，对于加氢站用承压设备的在役检验、运行管理及修理改造等标准的需求将愈发迫切。针对储氢容器在役检验标准短缺的问题，全国锅炉压力容器标准化技术委员会已经开始进行《加氢站压力设备监测技术要求》、《加氢站压力设备风险评价与检验》等涉氢承压设备运行维护标准的研究制定工作。我国仍需加快加氢站用承压设备运行维护标准的制订工作，完善承压设备标准体系，从而为氢能领域承压设备的安全监管提供有力支撑，保障我国氢能开发利用产业的健康发展。

5 建议

(1)加快完善高压气态储氢容器标准体系。

虽然我国已经发布了氢能的顶层建设规划，但针对氢能源特征的标准尚未彻底完成体系建设。因此，有必要建立高压储氢容器专用标准体系(应包含高压气态储氢容器材料选用、设计制造、在役检验、管理维护等模块)，用以对高压气态储氢容器全寿命周期内的平稳运行提供标准支撑。

(2)推进氢环境下材料性能分级评价标准及专项建造方法标准制订工作。

我国压力容器建造方法核心标准中尚缺乏用于储氢容器建造的原则性基本安全技术要求，且承压设备标准体系中储氢容器建造的国家或行业标准尚不完善[12-13]。我国应推进高压气态储氢容器材料分级评价标准、专项建造标准及运行管理标准的制订工作，并在压力容器核心建造方法标准及基础性支撑标准中增加对于涉氢压力容器的原则性基本安全技术要求。以上标准化工作的落实将极大降低储氢容器建造企业的研发成本，促进储氢容器建造行业的快速发展，提升我国储氢容器设计方法的先进性、结构的安全性及可靠性。

(3)加强基于失效模式的设计方法研究及加快材料数据库建设。

在材料方面，我国需加快构建氢环境下的材料性能数据库，以支撑高压气态储氢容器材料性能分级评价标准的制订，加快高压氢环境下材料疲劳曲线、疲劳裂纹扩展速率曲线及材料断裂韧度数据的测试及分析工作，以支撑高压储氢容器设计标准的制订。在设计方法方面，对于正处于快速发展阶段的旋压无缝高压储氢容器，我国应加强基于断裂力学的疲劳评定方法、局部过度应变评定方法、密封结构设计方法的研究工作，并将这些基于失效模式的设计方法引入高压气态储氢容器建造国家标准中。

6 结语

通过对国内外标准的对比分析可知，我国缺少高压气态储氢容器用材在氢环境下的材料性能数据库；基于失效模式的高压储氢容器设计方法尚需深入研究；承压设备标准体系中尚缺乏高压气态储氢容器专项建造标准、氢环境下材料性能分级评价标准；我国高压气态储氢容器在役检验标准制订工作进展良好。针对研究结论，对我国高压气态储氢容器标准化工作和基础研究工作提出了若干建议。