多功能全多层高压氢气储罐的安全可靠性分析

多功能全多层高压氢气储罐的安全可靠性分析2006-10-13
多功能全多层高压氢气储罐的安全可靠性分析
浙江大学化工机械研究所郑津洋* 徐平陈瑞刘鹏飞李磊开方明朱国辉
北京飞驰绿能电源技术有限公司张立芳
中国石化集团南京设计院俞群
摘要：随着氢燃料电池汽车的发展，国际上正在兴起加氢站建设的高潮。

我国也将在上海、北京等地建设数座采用高压储氢的加氢站。

高压储氢容器是加氢站的关键设备。

本文从多功能全多层高压氢气储罐结构特点、失效形式和设计思想等方面出发，结合钢带错绕式压力容器的发展简史，通过与无缝高压氢气储罐的综合对比分析，阐述多功能全多层高压氢气储罐的安全性、经济性和可靠性。

关键词：高压储氢储氢设备高压容器
Analysis of Safety and Reliability of Multi-functional layered High Pressure Hydrogen Storage Tank
Zheng Jinyang, Xu Ping, Chen Rui, Liu Pengfei, Li Lei, Kai Fangming, Zhu Guohui
Institute of Chemical Machinery & Process Equipment,Zhejiang University, Hangzhou 310027, PR China
Zhang Lifang
(Beijing Feichi Green Energy Electricity Source Co. Ltd, Beijing 100094, P.R. China)
Yu Quan
(Sinopec Nanjing Design Institute, Nanjing 210048, P.R. China) Abstract：With the development of hydrogen fuel cell vehicles, the hydrogen refueling station (denoted HRS) has been the focus of the world. In China, several HRSs utilizing high pressure hydrogen storage will be constructed in Shanghai and Beijing. The high pressure hydrogen storage tank is the key equipment of HRS. This paper analyzes the safety, economical efficiency and reliability of multi-functional layered high pressure hydrogen storage tank by explaining its structural characteristics, failure modes and design concept as well as describing the history of flat ribbon wound pressure vessel and comparing
multi-functional layered high pressure hydrogen storage tank with seamless high pressure hydrogen storage tank.
Key words: hydrogen storage equipment; high pressure hydrogen storage; high pressure vessels
1、引言
由于化石能源短缺和环境污染的加剧，具有燃烧产物洁净、燃烧效率高、可再生等优点的氢能被认为是新世纪的重要二次能源[1]。

随着氢燃料电池和电动汽车的迅速发展与产业化，经济、安全的加氢站建设受到世界各国的高度关注。

随着氢燃料电池汽车的发展，国际上正在兴起加氢站建设的高潮。

我国也将在上海、北京等地建设数座采用高压储氢的加氢站。

高压储氢具有储罐结构简单、压缩氢气制备能耗少、充装速度快等优点，是现阶段加氢站氢能储存的主要方式。

综合
考虑压缩能耗、储罐安全、充装设备投资等因素，高压氢气的理想储存压力为35-70MPa[2-3]。

高压储氢是高压容器的一个新的应用领域。

目前，加氢站使用的高压氢气储罐，绝大多数为高强钢制整体无缝储罐。

由于材料和结构上的原因，这种储罐存在对氢脆敏感性高、在线安全状态检测困难、容积小（大容量时泄漏点多）等缺点。

为此，在深入研究和总结长期实践经验的基础上，浙江大学化工机械研究所研发了具有承压、抑爆抗爆、缺陷分散等多种功能全多层高压储氢容器[4]。

高压储氢容器是加氢站的关键设备，也是具有潜在泄漏和爆炸危险的特种设备。

安全、可靠、经济是高压储氢容器的基本要求。

本文从多功能全多层多功能高压氢气储罐结构特点、失效形式和设计思想等方面出发，结合钢带错绕式压力容器的发展简史，通过与无缝高压氢气储罐的综合对比分析，阐述多功能全多层高压氢气储罐的安全性、经济性和可靠性。

2、多功能全多层高压氢气储罐结构特点
多功能全多层高压氢气储罐由绕带筒体、双层半球形封头、加强箍和接管组成，如图1所示。

绕带筒体由薄内筒、钢带层和外保护壳组成。

薄内筒通常由钢板卷焊而成，其厚度一般为筒体总厚度的1/6左右。

钢带层由多层宽80～160mm、厚度4～8mm的热轧扁平钢带组成。

钢带以相对于容器环向15°～30°倾角逐层交错进行多层多根预应力缠绕，每根钢带的始末两端斜边用通常的焊接方法与双层封头和加强箍共同组成的斜面相焊接。

外保护壳为厚3～6mm的优质薄板，以包扎方式焊接在钢带层外面。

双层半球形封头的厚度按强度要求确定，由厚度相近的内外层钢板经冲压成型。

在工作压力下，即使内半球形封头因裂纹扩展等原因，导致内层泄漏，外半球形封头也能承受工作压力的作用。

外层半球形封头端部有与加强箍相配合的圆柱面和锥面。

加强箍先由钢板卷焊成短筒节（对接焊接接头经100%无损检测合格），再加工与外层半球形封头相配合的圆柱面和锥面。

3、多功能全多层高压氢气储罐的失效形式
多功能全多层高压氢气储罐的失效形式为容器超压破坏、工作压力下内筒破坏和钢带断裂等三种形式。

3.1 容器超压破坏
跟其他任何结构形式的高压容器一样，当内压达到其爆破压力或者材料发生严重氢脆时，多功能全多层高压氢气储罐也会发生爆破。

但是，这种可能性是极小的。

其原因有四个：一是容器上装有安全阀，一旦容器超压，安全阀就会动作，泄放氢气，防止超压；二是压力由压缩机提供，压缩机的最高排气压力远小于容器的爆破压力；三是容器所用的材料强度低，与室温高压氢气有很好的相容性；四是容器壁厚，氢气温度受环境温度和充放氢引起温度变化的影响小。

3.2 工作压力下内筒破坏
在充氢和放氢过程中，多功能全多层高压氢气储罐受到变动压力的作用，容器有可能发生疲劳破坏。

由于多功能全多层高压氢气储罐独特的结构，即使发生疲劳破坏，内筒和内半球形封头的失效形式也为“只漏不爆”，而不会像单层高压容器那样发生整体脆性破坏，这是因为：
（1）在钢带缠绕预应力作用下，内筒沿环向、轴向同时收缩。

收缩引起的压缩预应力可以部分甚至全部抵消工作压力引起的拉伸应力，使得内筒处于低应力水平。

（2）在材料化学成分和轧制状态相同的条件下，薄钢板、窄薄钢带的断裂韧性高于厚钢板，裂纹、分层等缺陷存在的可能性少，且尺寸小。

（3）当筒体承受内压时，若内筒上的裂纹开始扩展，位于裂纹上方的钢带层会在裂纹附近产生一些附加背压和阻止裂纹张开的摩擦力，抑制裂纹扩展。

（4）试验研究表明：内筒裂穿时，由于裂口不可能很大，泄漏的介质不足以剪断钢带层，只能通过钢带间隙形成的曲折通道，逐渐向外泄漏至外保护壳内[5]。

（5）内、外半球形封头采用整块钢板冲压而成，且与大接管之间采用经过100%无损检测的对接焊接接头，产生缺陷的可能性小。

即使在工作压力下，因某种原因使内半球形封头产生穿透性裂纹，由于外半球形封头的爆破压力大于工作压力，容器仍能工作，而不会爆破。

3.3工作压力下钢带断裂
在工作压力下，钢带有三种可能的失效形式：最外层钢带断裂、钢带层内某根钢带断裂和钢带全部断裂。

由于钢带的层数多，即使最外层钢带全部断裂，对容器总体强度的影响很小，容器仍能承受工作压力，只是强度储备略有减少。

若因某种原因，钢带层内部某根钢带断裂，钢带层间摩擦力会阻止钢带在断口处的相对移动，使断裂的钢带只是在短距离内失去作用，且不会危及其余钢带，不会影响容器的整体强度。

钢带全部断裂只有在钢带受到严重腐蚀时才会发生，其可能性极小。

4、钢带错绕式压力容器的发展简史
钢带错绕式压力容器是我国朱国辉教授发明的一种压力容器结构形式。

自从1964年发明，1965年分别在杭州锅炉厂、南京第二化工机械厂试制成功以来，经过40多年的发展，中国已制造氨合成塔、甲醇合成塔、氨冷凝器、铜液吸收塔、水压机蓄能器、高压气体（空气、氮气、氢气等）储罐等钢带错绕式压力容器7000多台，其中，容器的最大内直径为1200mm、最大长度22m、最大壁厚156mm、最高设计压力31.4MPa。

为我国氮肥工业的发展做出了重大贡献，产生了重大社会效益和经济效益，1984年获国家发明三等奖，1991年获原国家教委科技进步奖一等奖。

从20世纪80年代开始，通过理论分析、试验研究和数值模拟，对钢带错绕式压力容器的强度、可靠性和设计方法进行了系统深入的研究。

在强度方面，建立了综合考虑钢带层间摩擦力、层间间隙和钢带缠绕预应力影响的的应力计算模型，得到了高精度的容器爆破压力计算公式；在安全可靠性方面，研究了钢带错绕式压力容器的失效概率和斜面焊缝的可靠性，发现容器发生灾难性破坏的概率小于每台容器年10-10；在设计方法方面，建立了低应力内筒设计方法、基于爆破压力的设计方法和优化设计方法。

1995年，朱国辉和郑津洋撰写的专著《新型绕带式压力容器》由机械工业出版社出版。

该书全面介绍了钢带错绕式压力容器的结构原理、力学特性、设计方法、制造工艺、开孔补强、在线安全状态监控和密封技术，1997年获全国优秀科技图书二等奖。

1969年，钢带错绕式压力容器被列入我国《钢制石油化工压力容器设计规定》。

1980年，JB1149-80《扁平钢带压力容器技术条件》为钢带错绕式压力容器的设计制造提供了标准。

经美国机械工程师学会组织的专家论证，钢带错绕式压力容器于1996年和1997年分别列入美国机械工程师学会锅炉压力容器规范案例2229和2269，即Case2229 Design of Layered Vessels Using Flat Ribbon Wound Cylindrical Shells, Section Ⅷ, Division 1和Case2269 Design of Layered Vessels Using Flat Ribbon Wound Cylindrical Shells, Section Ⅷ, Division
2，可用于制造设计压力在70MPa以内、直径为250-3000mm、设计温度不超过427℃的压力容器。

为适应高压储氢的需要，郑津洋等起草了《多功能全多层高压氢气储罐》企业标准。

2005年，该标准顺利通过全国锅炉压力容器标准化技术委员会的技术评审。

其适用范围为：设计压力不大于75MPa、使用温度范围为-40℃～80℃、容器内直径为300～1500 mm、设计压力（MPa）与容器内直径（mm）的乘积不大于51000、长度为2～25 m的高压储氢容器。

40多年的工程实践证明，钢带错绕式压力容器具有很好的安全可靠性。

迄今为止，没有发生一起恶性爆炸事故。

需要指出的是，许多在用钢带错绕式压力容器的介质都含有氢气，如氨合成塔的介质为高压（31.4MPa）氢气、氮气和氨气；醇化塔的介质为高压（15MPa）氢气、氮气、甲醇、二氧化碳、一氧化碳和甲烷。

这些容器的安全运行实践从多个侧面说明多功能全多层高压氢气储罐具有高的
安全可靠性。

5、多功能全多层高压氢气储罐的设计思想
多功能全多层高压氢气储罐的设计压力一般大于35MPa，已超出压力容器按规则设计标准的适用范围，必须采用分析设计，其设计要点为：
（1）材料选择
与氢气直接接触的零部件，选用与氢气相容的材料，其余零部件则选用一般压力容器用钢。

（2）静强度设计
容器的爆破压力不小于设计压力的2.7倍。

通过控制钢带缠绕预拉应力，使内筒处于低应力水平，钢带层处于等强度状态。

（2）疲劳设计
利用经试验验证的整体有限元应力分析模型，确定疲劳敏感点，计算压力在最低压力和最高压力间变化时，各疲劳敏感点的应力幅，再利用疲劳设计曲线确定疲劳寿命。

（3）泄压装置设计
在容器出口处设置安全阀，防止容器内超压。

安全阀出口与放空管连接。

放空管垂直向上安装，且放空管的通径不小于安全阀阀体的通径。

6、高压储氢容器综合对比分析
目前，高压氢气加氢站所用的储罐多为无缝压缩氢气储罐。

这种储罐一般按照美国机械工程师学会锅炉压力容器规范第Ⅷ册第1分册的UF篇和附录22“整体锻造容器”的规定进行设计制造，它用无缝钢管经过两端收口而成，属于整体无焊缝结构[3]。

无缝压缩氢气储罐和多功能全多层高压氢气储罐的综合对比见表1。

7、结束语
多功能全多层高压氢气储罐是一种我国拥有自主知识产权、综合性能优良的储氢容器，具有显著的技术经济优势。

一台设计压力42MPa、容积5m3的多功能全多层高压氢气储罐已在我国首座站内制氢加氢站成功投入使用，是世界上目前最大的40MPa级高压储氢容器。

参考文献
[1] 毛宗强编著. 氢能——21世纪的绿色能源[M]. 北京：化学工业出版社，2005
[2] Vinay Ananthachar, John J. Duffy. Efficiencies of hydrogen storage systems on board fuel cell vehicles[J]. Solar Energy, 2005(78):687-694 [3] Chen Jiachang. Hydrogen energy vision and technology roadmap report
for China[C]. IPHE ILC Meeting, March 22-23, 2005
[4] 郑津洋等. 多功能全多层高压氢气储罐[J]. 压力容器，2005（12）：25-28
[5] 朱国辉，郑津洋著. 新型绕带式压力容器[M]. 北京：机械工业出版社，1995。