我国储氢技术发展

促进我国储氢技术发展的必要

氢气是一种易燃、易爆、易泄漏的危险化学介质。日益加重的能源危机和环境污染问题迫切要求人们开发新能源。氢能以其燃烧产物洁净、燃烧效率高、可再生等优点被认为是新世纪的重要二次能源。随着氢燃料电池和电动汽车的迅速发展与产业化，氢源技术及氢能基础设施的研究和建设已引起发达国家的高度关注

发展氢燃料电池汽车的确需要高效储氢技术,因为这是方便使用氢能源的必须.

传统储氢方法有两种，一种方法是利用高压钢瓶（氢气瓶）来储存氢气，但钢瓶储存氢气的容积小，而且还有爆炸的危险；另一种方法是储存液态氢，但液体储存箱非常庞大，需要极好的绝热装置来隔热。近年来，一种新型简便的储氢方法应运而生，即利用储氢合金（金属氢化物）来储存氢气。

研究证明，在一定的温度和压力条件下，一些金属能够大量“吸收”氢气，反应生成金属氢化物，同时放出热量。其后，将这些金属氢化物加热，它们又会分解，将储存在其中的氢释放出来。这些会“吸收”氢气的金属，称为储氢合金。其储氢能力很强。单位体积储氢的密度，是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍，也即相当于储存了1000个大气压的高压氢气。储氢合金都是固体，需要用氢时通过加热或减压使储存于其中的氢释放出来，因此是一种极其简便易行的理想储氢方法。目前研究发展中的储氢合金，主要有钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储氢合金及稀土系储氢合金。

储氢合金还有将储氢过程中的化学能转换成机械能或热能的能量转换功能。储氢合金在吸氢时放热，在放氢时吸热，利用这种放热－吸热循环，可进行热的储存和传输，制造制冷或采暖设备。此外它还可以用于提纯和回收氢气，它可将氢气提纯到很高的纯度。例如，采用储氢合金，可以以很低的成本获得纯度高于99.9999％的超纯氢。

储氢合金的飞速发展，给氢气的利用开辟了一条广阔的道路。目前中国已研制成功了一种氢能汽车，它使用储氢材料90千克，可行驶40千米，时速超过50千米。今后，不但汽车会采用燃料电池，飞机、舰艇、宇宙飞船等运载工具也将使用燃料电池，作为其主要或辅助能源。

现在最常用的储氢手段

高压储氢是最常用和最直接的储氢方式。高压储氢可在常温下使用，通过阀门的调节就可以直接将氢气释放出来［"］，具有储氢罐结构简单、压缩氢气制备的能耗较少、充装速度快等优点，已成为现阶段氢能储运的主要方式

高压储氢缺点

高压氢气储罐不但有可能发生因强度不足（特别是高强钢脆化）引起的物理爆炸，而且有可能发生因氢气泄漏而引发的火灾、爆炸事故，且其风险程度随罐体容积增大、压力升高而加大。因此，如何降低高压储氢的风险程度，是加氢站建设十分关注的一个问题。

高压下运行的高压储氢罐，一旦发生破坏，罐内巨大的能量在瞬间释放，会产生冲击波、容器碎片猛然飞出和易燃、易爆氢气喷漏。冲击波的超压可以将建筑物破坏，也会直接危害在它所波及范围内的人身安全，冲击波后面的高速气流夹杂着碎片往往加重对人员的伤害。具

有较高速度或较大质量的碎片具有较大的动能，也可能造成很大的危害。由于氢气的易燃易爆性，喷漏的氢气可能会燃烧或爆炸，将会造成惨重的损失，因而对储罐的承压能力提出了很高的要求。

氢气储罐建造规范与标准

1.1.1 压力容器分类

压力容器的结构式很多，相应的分类方法也有很多种，为了便于压力容器的设计与分析，常见的分类方法主要有如下两种。

（1）、根据承载压力方式分类：压力容器分为内压容器和外压容器两类，当压力容器内部介质压力大于外部压力是称为内压容器，反之称为外压容器。内压容器按其设计压力p的大小，又可分为四种。

低压容器（代号L）0.1MPA≤P<1.6MPA

中压容器（代号M）1.6MPA≤P<10MPA

高压容器（代号H）10MPA≤P<100MPA

超高压容器（代号U）P≥100MPA

外压容器中，当容器的内压力小于一个绝对大气压（0.1MPA）时又称为真空容器。（2）、根据在生产过程中所起的的作用分类，压力容器可分为四种：

反压力容器主要用于完成介质物理、化学反应的压力容器。如各种反应器、反应釜、合成塔和煤气发生炉等。

换热压力容器主要用于完成介质热量交换的压力容器。如各种热交换器、冷却器、冷凝器和蒸发器等。

分离压力容器主要用于完成介质的流体压力平衡缓冲和气体净化分离的压力容器。如各种分离器、过滤器、洗涤塔和吸收塔等。

储存压力容器主要是用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质压力容器。如各种类型的储罐、缓冲罐、烘缸和蒸锅等。

压力容器形状有圆筒形（容积大于等于5m3）和球形（容积大于等于50m3），其中筒形有立式和卧式。

球形压力容器是多块瓶装焊接，在制造中焊接工艺要求严格，制造工艺复杂。

所以选用筒形压力容器。氢气的密度比空气大，会上升。因为瓶中的氢气对瓶口有压强，直立放置时瓶口小于倒立放置时的瓶身。氢气与接触面积大的瓶身接触后可能会使整个瓶子漂浮在空中。而直立放置就不会，因为他的接触面积小，有一定的压强，所以选择立式圆筒储罐。

球形圆筒圆筒形筒体

1.1.2、封头形式的确定

封头也是压力容器的重要组成部分之一，常见的形状有：凸形（包括半球形、椭球形、蝶形和球冠形）、锥形和平盖。

（1）半球封头：半球形封头是半个球壳组成的，直径不大和厚度较小时，半球形封头通常采用整体冲压成型；直径较大（Di>2500mm）时，半球形封头则采用先分瓣冲压成型后拼装焊接的方法制作。由于半球封头的深度较大，故冲压成型较椭圆形封头和蝶形封头困难，多用于大型高压容器和压力较高的储罐上。

（2）椭球形封头：是有半个椭球壳和高度为h0的短圆筒（常称为直边段）组成。直边段的

作用是为了使封头和筒体的连接环焊缝不出现在经向曲面半径突变处，以改善焊缝的受力情况，其高度一般为25mm或者40mm。由于封头曲面深度hi比半球形封头浅（半球形封头：；标注椭球形封头：；），故冲压成型较为方便，是目前中低压容器中最常用的一种封头形式。

（3）蝶式封头：由三部分组成：第一部分是以的球面部分，第二部分是r≥10%Di 且的固定环壳部分，第三部分是高度为h0=25mm或者40mm 短圆筒。对于蝶形封头，Ri=0.9Di,r=0.17Di。由于蝶形封头在相同直径和深度的条件下的应力分布不如椭球圆形封头均匀，因此，仅在加工椭球形封头有困难或者直径较大、压力较低的情况下才选用蝶形封头。

（4）除了上面三种封头之外，还有球冠形封头（连接处的封头和筒体上都存在着相当大的不连续应力，其应力分布很不合理。一般只用于低压和直径不大的压力容器上。）、锥形封头（锥形封头制作较为方便，但受压稍大时，其大小端可能需要局部加强，其结构就较为复杂了。就其强度而言，其与锥形封头和半球形封头、椭球形封头等封头相比较较差，但高于平盖。）、平盖（厚度要求最大，常用于常需要拆卸的入孔和手孔的盖板、某些换热设备的端盖等地方）。从受力与制造方面分析来看，球形封头是最理想的结构形式。但缺点是深度大，冲压较为困难；椭圆封头浓度比半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用较多的封头之一。平板封头因直径各厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。从钢材耗用量来年：球形封头用材最少，比椭圆开封头节约，平板封头用材最多。因此，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。

1.2 材料的确定

压力容器用钢根据GB150《压力容器》所引用的钢材标准，主要为碳素钢、低合金钢和高合金钢三大类。由于压力容器作为过程工业生产中重要的过程设备，虽然在实际生产过程中的安全运行与很多因素有关，但其中材料性能是最重要的因素之一，为了确保压力容器的使用安全，压力容器在制造技术要求上非常严格，其承压元件应采用压力容器专用钢板。这类钢板要求质地均匀，对硫，磷（，）等有害元素的控制更加严格，且需要进行某些力学性能方面特殊项目的检验。

压力容器专用钢板有：Q245R,Q345R,Q370R,10MnMoNbR,13MnNiMoR,15CrMoR, 14Cr1MoR,12Cr2Mo1R，12Cr1MoVR。纯氢气腐蚀性很小，可以考虑Q345R这种钢种，Q345R 是制造压力容器专用的低合金高强度钢板，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能及低温冲击韧性，其力学性能见表1-1。Q345R钢板是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板，主要用于制造-20℃～400℃的中低压压力容器，多层高压容器及其承压结构件。所以在此选择Q345R钢板作为制造筒体和封头材料。

表1-1 Q345R的力学性能及冷弯性能（摘自GB713）

2、设计计算

2．1 确定设计参数

2．1.1 工作压力、设计压力、计算压力

（1）、工作压力PW是指在正常情况，容器顶部可能达到的最高压力（也称为最高工作压力）。（2）、设计压力P是指设定的压力顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于最高工作压力。按《压力容器安全技术监察规程》[1]规定，装有安全泄放装置的压力容器，其设计压力不低于安全阀的开启压力或者爆破片的爆破压力；盛装液化气体无保冷设施的压力容器，其设计压力应不低于液化气50℃时的饱和蒸汽压力；对无实际组分数据的混合液化石油气压容器，由其相关组分50℃的饱和蒸汽压力确定设计压力。各类内压容器设计压力的选取见表2-1

（3）、计算压力Pc=设计压力P=1.1PW=0.88MPa

2-1 内压容器设计压力的选取

2.1.2 设计温度

设计温度是指容器正常工作时，在相应设计压力下，设定的受压元件的金属温度，其值不得小于元件可能达到的最高温度，在此设计中，设计温度t=150℃。

2.1.3 厚度计算（1）、各种厚度的定义

a、设计厚度容器受压元件满足强度，刚度及稳定性要求所需的厚度；

b、设计厚度

计算厚度与腐蚀裕量之和，即；

c、名义厚度设计后厚度加上刚才厚度负偏差后，向上圆整至钢材标准规

格的厚度，即图样上标注的厚度；

d、有效厚度名义厚度减去厚度附加量，即-C1-C2 （2）、厚度附加量

厚度附加量C有钢板或者钢管的厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2两部分组成，即C=C1+C2. 《锅炉和压力容器用钢板》和GB3531《低温压力容器用低合金钢板》C1为了防止压力容器受压元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，对与腐蚀介质直接接触的筒体、封头接管等受压元件，都应该考虑腐蚀裕量C2，具体规定如下：

a、对有腐蚀裕量或磨损的元件，应根据预期的容器设计使用年限和介质对金属材料的腐蚀速率（及磨蚀速率）确定腐蚀裕量；

b、容器各元件受到的腐蚀程度不同时，可采取不同的腐蚀裕量；

c、介质为压力缩空气、水蒸气或者水的碳素结构钢或低合金制容器、腐蚀裕量不小于1mm。

本次设计中，介质为氢气，材料为低合金钢，此时可取C2=1.0mm。（3）压力容器的最小厚度

压力容器设计中，对于压力较低的容器，按强度计算公式得到的厚度很小，往往不能满足制造、运输和安装时的刚度要求，因此，对于壳体元件规定了加工成型后不包括腐蚀裕量的最小厚度。GB 150-2011《压力容器》[4]中对压力容器壳体的最小厚度的规定为：

a.对碳素钢、低合金钢，不小于3mm；

b.对于高合金钢制容器，一般不小于2mm

2.1.4设计温度下的需用应力

表示材料在t温度下的许用应力，其数值可查表得。在该设计中，假设罐体厚度范围为3～16mm，可查的150℃下，。

2.1.5 焊接接头系数

大多数压力容器采用焊接结构，而焊接接头又是容器上强度比较薄弱的环节，较多事故发生都是由于焊接接头金属部分焊接热影响的破裂引起的。由于焊接过程会使金属组织成分发生变化，导致晶粒变粗，韧性下降，同时焊缝中可能存在夹渣、气孔、和未熔透缺陷致使焊接接头本身的强度消弱。因此，在强度计算中需要引入焊接接头系数，表示焊接金属与母材强度比值，反应容器强度受消弱程度。根据受压元件对接接头的焊缝形式及无损检测的长度比例确定，中国钢制压力容器的焊接接头系数[5]可按2-2表选取.

表2-2 钢制压力容器的焊接接头系数

（1）、进料管的选择[9]

容器接管一般采用无缝钢管，所以进料口接管材料可选用无缝钢管标准。结构：接管伸进设备内切成45°，可避免物料沿设备内壁流动，减少物料对壁的磨损与腐蚀。

接管的壁厚除要考虑上述要求外，还需考虑焊接方法、焊接系数、加工条件、施焊位置等制造上的因素及运输、安装中的刚性要求。一般情况下，管壁厚不宜小于壳体壁厚的一半，否则，应采用厚壁管或整体锻件，以保证接管与壳体相焊部分厚度的匹配。不需要另行补强的条件：当壳体的开孔满足下述全部要求时，可不另行补强。

（2）、出料管的选择[9]

设计出料接管的尺寸

管法兰的选择

（3）、压力表的选择

查化工工艺设计手册[10] 表10-49 氢气压力表YTQ-60

HG/T20592 法兰WN25（B）-9.7 RF 16Mn （4）、安全阀的选择[10]

安装安全阀，其主要作用是保证压力容器或管道的安全。可靠地正常运行。

安全阀是一种自动阀门，它不借助任何外力而是利用介质本身的压力，通过阀瓣的开启来排出额定数量的流动，以防止设备内的压力超过允许值。当压力恢复正常后，阀门自动关闭以阻止介质继续排出。

安全阀已广泛地用于多种类型的压力容器。安全阀的特点是：仅仅泄放出容器内高于规定的压力，一旦压力达到或低于容器可允许的压力时，阀瓣即自行闭合，容器仍能维持正常操作。安全阀主要由密封机构（阀座和阀瓣）和加载机构组成。弹簧作为加载机构紧压在阀瓣上形成密封比压力。

（5）、温度计的选择

化工工艺手册[10] 表10-4 电接点双金属温度计WSSX-401

HG/T20592 法兰WN15（B）-9.7 RF 16Mn.

3 结构设计

3．1 人孔选择[14]

为便于检查和清洗设备，一般在设备内径为以上，应至少开设1个人孔。此设计的内径为，所以该设计选择开设一个人孔。直径较小、压力较高的内压设备，一般可选用DN450mm人孔。室外露天放置的设备，考虑清洗、检修方便，一般可选用DN500mm 人孔。寒冷地区的常压大型容器如有薄衬层，或有较大内件需要经常更换取出时，选用DN500、DN600人孔。

3.2人孔补强

为了满足各种工艺和结构上的要求，不可避免的要在容器的筒体或封头上开孔，并安装接管，开孔后，壳壁因为出去了一部分金属材料，所以会出现应力集中的现象，为了保证容器的安全运行，对开孔必须采取适当的措施加以补强以降低峰值的应力。本设计采用补强圈补强，因其结构简单，制造方便，使用经验丰富。

由于人孔的筒节不是采用无缝钢管，故不能直接选用补强圈标准，

支座用来支撑容器的重量、固定容器的位置并使容器在操作中保持稳定。立式圆筒形容器的支座分为支承式支座、裙式、腿式、耳式支座四类。由于立式支座承压能力较好且对筒体产生的局部应力较小，故根据文献[11]设计中选用支承式支座。

3.3.2支座的选择及校核（1）支座的选择

3.3.3 支座的安装位置

氢气储罐的种类（不同压力下）储罐的结构

低压氢气储罐

介质：氢气温度常温压力0.4MPA 材质碳钢数量1台

样式上下封头加裙坐式直径* 高度 * 厚度*按通用标准设计

规格2000L 进口、出口50，安全阀50，氮气置换进口15，置换出口

50，排净32，压力表标准口径，。按通用标准设计，沟通确定后制造。

制造单位有设计和制造资质，压力容器手续

高压氢气储罐

上下封头裙坐式进口、出口32，安全阀50，氮气置换进口15，置换出口32，排净32，压力表标准口径

新型储罐的安全性与可行性分析

为提高高压储氢的安全性，降低制造成本，本文提出了一种多功能全多层高压氢气储罐。它由储罐主体和在线健康诊断系统两部分组成。储罐主体结构多功能全多层高压氢气储罐主体由绕带筒体、双层半球形封头、加强箍和接管组成，如图1所示。

绕带筒体由内筒、钢带层和外保护壳组成。内筒通常由钢板卷焊而成，其厚度一般为筒体总厚度的1/6~1/8 。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°~80°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 的优质薄钢板，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。大接管与双层半球形封头通过角接或对接焊接接头连接，管径根据工艺要求确定。

在线健康状态诊断系统

在线健康诊断系统由主管路、传感器、显示报警仪、放空管、阻火器及防静电接地装置等组成，如图1所示。

在罐体的外保护薄壳上部和两端的外层封头上开孔，并连接氢气泄漏收集接管。泄漏氢气通过接管进入主管道并通过放空管排放到安全的地方。放空管端部设有管端氢气阻火器和防静电接地装置，以保证安全。在接管附近设置传感器探头，实时监测氢气的浓度，传感器探头与信号显示、报警仪相连。当有泄漏发生时，信号显示、报警仪会显示大致的泄漏位置，并发出声、光报警。多功能全多层高压氢气储罐的优点

（1）适用于制造高参数氢气储罐

随着压力和直径的提高，氢气储罐的壁厚增加。受加工能力和无缝钢管长度的限制，钢制无缝压缩氢气储罐的容积往往较小。多功能全多层高压氢气储罐由薄或中厚钢板和钢带组成，长度和壁厚不受

限制。

（2）具有抑爆抗爆功能

在工作压力下，失效方式为“只漏不爆”，不会发生整体脆性破坏。这是因为：内筒应力水平低。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。内筒与钢带材料性

能优良。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。钢带层摩擦阻力有“止裂”作用。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。泄漏的介质不能剪断钢带层。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。

（3）缺陷分散

储罐全长无深环焊缝，而绕带层与容器封头连接方式采用相互错开的阶梯状斜面焊缝代替传统的对接焊接结构，这样不仅增大焊缝承载面积，提高焊缝结构的可靠性，而且实现了筒体与封头应力水平的平滑过渡。

（4）健康状态可在线诊断

多功能全多层高压氢气储罐的双层封头结构和带有外保护壳的绕带结构给实施在线健康状态检测提供了条件。在罐体的外保护壳上部和两端的外层封头上开孔，并连接氢气泄漏收集接管。泄漏氢气通过接管进入主管道并通过放空管排放到安全的地方。在接管附近设置传感器探头，实时监测氢气的浓度，传感器探头与信号显示、报警仪相连。当有泄漏发生时，信号显示、报警仪会显示大致的泄漏位

可行性

1.政策可行性

此项目属于国家鼓励支持发展项目，符合国家大力发展产业链的战略部署，项目建设具备政策可行性。在国家政府的倾斜和大力扶持下，科技、资本、人才等资源将会进一步整合，从而为该项目提供了良好的政策环境。

2.市场可行性

本项目将会提高我国储氢技术的研究水平，推进先进技术产业化，有力推动我国氢气储罐产业的发展，创造出巨大的经济效益和社会效益。“十二五”时期，伴随着政策、技术、和渠道逐步成熟，储氢相关产业将进入一个全新的发展高峰时期，因而看好整个行业的发展前景。这充分说明该项目具备市场可行性

3.技术可行性

我国拥有作业技术纯熟、诚实敬业、年富力强、精干高效的技术人员和生产工人队伍。从而为研究此项目奠定了雄厚的基础。项目产品技术及质量均达到国内领先水平，产品适合中国国情，适销对路。同时研究人员还会着重对项目产品的生产技术进行研发，结合当前储氢市场需求，不断提高产品技术水平。因此本项目建设在技术上可行。

新型储罐的经济向和推广

全多层高压氢气储罐具有承压、抑爆抗爆、缺陷分散、健康状态在线监测等功能，结构合理、生产效率高、使用安全，可应用于不同条件下的高压氢气储存

制造经济简便

扁平绕带式容器的内筒厚度约为总壁厚的1/6~1/8，即使对于壁厚达200mm以上的大型容器，其内筒壁厚也只有25~50mm，仍为中厚板。因此内筒的制作并不困难，质量容易保证。容器厚度的大部分由绕带层组成，因此减少了置，并发出声、光报警。大量焊接、无损检测和热处理的工作量，尤其是避免了深厚环焊缝和整体热处理。所用扁平钢带轧制简易、成本低廉。钢带窄，缠绕倾角较大，因此钢带端部切割简单，钢带与封头端部采用斜面焊接，不仅施焊容易而且质量可靠。

制造过程中不需要采用大型重型设备和高难技术，除了需要一台绕带机床和采用特殊缠绕技术外，其它技术都类似于薄壁容器的制造技术，而且不需要起吊整台容器的重型厂房和桥式行车。

这样的氢气储罐不仅安全，更有助于提高企业竞争力，有助于企业长远战略发展需要。