关于IV储氢气瓶纤维失效评判的各种准则

“Failure analysis and maintenance of hydrogen refueling stations” 由 Changjong Kim 等人撰写，随着氢经济发展，加氢站数量增多但故障也增加。本文分析加氢站系统配置和故障类型，提出维护策略以提高其经济可行性，助力氢经济发展。一、研究背景氢经济作为一种新经济体系自 2002 年被提出后备受关注，其发展依赖于加氢站等氢供应基础设施的建设。各国加氢站数量在 2018 - 2022 年间有不同变化趋势，如韩国从 20 个大幅增长到 162 个，而美国有先降后升的波动。此前研究多聚焦加氢站单个组件开发或部分系统特性分析，但缺乏系统的故障及维护研究，本文旨在填补此空白，通过分析加氢站故障提出维护策略，提升其经济可行性以推动氢经济发展。表1.若干主要国家的氢气加油站数量二、加氢站组成与加氢流程（一）主要部件1. 压缩机：是加氢站关键设备，将低压氢压缩至约 900 bar。活塞式压缩机利用活塞的往复运动压缩氢气，虽成本低，但因活塞润滑油污染氢气致纯度低且效率不佳；隔膜式压缩机借助液压油推动隔膜压缩氢气，效率和纯度相对较好，不过隔膜易受压力变化引发的机械应力影响而破裂，增加维护成本；离子式压缩机类似活塞式但采用离子液体活塞，性能和纯度高、维护成本低，可不受进口压力影响达到目标出口压力，但技术复杂安装难度大。综合考虑，隔膜式和活塞式分别适用于提供 500 bar 和 900 bar 氢气压力。(a)活塞压缩机(b)隔膜压缩机(c)离子压缩机2. 储罐：通常采用圆柱形金属衬里储罐，分为 Type 1 和 Type 2 两种。Type 1 由金属材料制成，价格亲民、能承受一定压力但重量较大；Type 2 是在厚金属衬里外缠绕复合材料，耐压性良好、重量适中但成本更高。储罐体积在 300 - 700 L 范围，压力在 500 - 1000 bar 之间，其具体配置需依据加氢站系统整体情况确定，如压缩机容量较低时采用级联存储系统，容量高时则用大容量储罐结合缓冲罐存储氢气。3. dispenser：其作用是将储罐中高压氢气输送至汽车。为满足汽车加氢要求，它配备冷却系统，将氢气冷却至 - 40 °C后再注入汽车，同时利用质量流量计精确测量氢气流量，确保加氢过程安全、准确。表2：三种类型的压缩机的特性。 （二）加氢流程氢气来源广泛，可从石化厂、天然气重整厂或水电解获得，以液态、固态或高压气态形式储存运输至加氢站。在加氢站中，氢气先进入压缩机被压缩，然后依据加氢站的特定配置，被存储在中压或高压储罐内。当有汽车加氢需求时，储罐中的氢气会被输送至 dispenser，经冷却系统降温处理后，最终注入汽车完成加氢过程。表3.韩国氢加油站安装储氢罐的例子。三、加氢站系统配置与故障分析（一）系统配置分析以韩国不同制造商的加氢站为例，其系统配置存在明显差异。A 公司加氢站配置有 2 个中压和 2 个高压压缩机，中压储罐 6 个，每个容积 1209 L，高压储罐 6 个，容积 487 L。氢气从管拖车以 110 bar 压力进入中压压缩机，升压至 480 bar 后，部分进入高压压缩机进一步压缩至 900 bar，最终经 dispenser 冷却后注入汽车。B 公司同样有 2 个中压和 2 个高压压缩机，但中压储罐有 12 个，高压储罐 4 个，氢气先经中压压缩机压缩存入中压储罐，再进入高压压缩机存入高压储罐后供汽车使用。C 公司与 B 公司类似，只是中压储罐数量为 6 个，部分氢气可不经储存直接供应给汽车。图2。氢加油站储罐类型：(a)1型；(b)2型储罐。 （二）故障分析对韩国 42 个加氢站的调查发现约 410 次故障。从部件故障率来看，压缩机和 dispenser 是故障高发区，分别占 48%和 34%，储罐故障率相对较低仅 3.4%。压缩机故障主要源于其在高压环境下运行，易出现阀门泄漏、润滑油泵故障等问题，且由于传感器和部件需承受高压与往复运动疲劳，易损坏，再加上韩国多数加氢站使用进口压缩机，维护难度较大。dispenser 故障主要集中在冷却过程，一方面，低温氢气与大气中水汽混合易在汽车氢气储存缸入口处结冰，导致部件粘连、损坏和泄漏；另一方面，冷却液泄漏和冷却系统故障也较为常见。其余故障主要是管道泄漏问题，总体而言，多数故障可通过合理维护解决。表4、氢气加油站故障明细四、加氢站维护策略（一）压缩机维护需定期检查压缩机的泄漏和运行故障情况，在运行过程中要实时监测温度和噪音变化。根据压缩机类型不同，其部件更换周期也有差异，如隔膜式压缩机的一级隔膜需每 6 个月更换，活塞式压缩机的一级活塞环 3 个月更换等，同时要特别留意油泵是否存在泄漏问题，确保压缩机正常稳定运行。图3。自动分配器的原理图 （二）管道和阀门维护由于氢气分子小易泄漏，要定期对管道和阀门进行泄漏检查。为保证加氢质量，需按规定定期检测排出氢气的纯度，使其达到 99.97%的标准，防止因氢气纯度问题影响加氢站安全与汽车使用性能。图4。在氢气加油站的充放电程序。（三）冷却系统维护重点检查冷却系统中制冷剂的循环情况，及时发现并处理可能存在的泄漏问题，确保冷却系统正常运行，使氢气能稳定降温至 - 40 °C，满足加氢要求。(a)氢燃料加油站原理图(b)氢加油站示意图(c)氢加油站原理图本研究通过对加氢站系统配置和故障的深入分析，提出针对性维护策略，有助于减少加氢站故障发生频率、降低维护成本，提高加氢站经济可行性，为氢经济的可持续发展提供有力支持，但在新兴技术应用中的故障研究及复杂故障的深度分析等方面仍有待进一步拓展。 图6。氢气加油站各部件的故障率。表5各类压缩机的更换计划。来源：气瓶设计的小工程师