市场应用·碳纤维在火箭燃料箱体中的成功应用再次证明其性能优势

本文摘要：（由ai生成）本文讨论了中国车用氢能产业的快速发展，指出了氢气作为易燃易爆气体的危险性，并强调了安全利用氢能的重要性。文章分析了氢气的理化性质，氢脆现象，以及氢能利用的安全对策。同时，介绍了日本在氢能安全技术研究方面的经验和启示，提出了加强中国车用氢能安全技术研究与标准体系建设的建议，包括总体规划设计、加大科技投入、加快修订完善安全标准体系，以及重视构建70 MPa涉氢装备制造体系。2021年8月4日9时25分，辽宁沈阳市消防救援支队指挥中心接到报警，位于经济技术开发区大明湖街17号一企业内的氢气罐车软管破裂爆燃，指挥中心立即调派灭火救援力量赶赴现场处置，目前火势得到有效控制，明火已扑灭，正在对罐体进行持续降温，现场无人员伤亡。中国车用氢能产业正处于快速起步阶段。充分认识氢气的危险性、安全利用氢能是我国车用氢能产业健康发展的基础。氢气是易燃易爆气体，利用过程的安全措施一旦失当，容易发生着火爆炸事故，造成人员伤亡和财产损失，但目前对氢气的危险性解读存在一些误区。2019 年，美国、韩国、挪威分别在氢运输、储存、加注过程发生了氢安全事故，导致当地宣布暂停加氢站运营，引发了业界对 FCEV 产业健康发展的担忧和对氢能利用安全技术研究的重视与关注。氢能安全利用贯穿氢气的生产、储运、加注、FCEV 利用等环节，是 FCEV 产业健康发展的首要保障。科学认识氢气危险性，合理制定用氢安全对策 氢气的理化性质氢是自然界广泛存在的元素，煤炭、石油、天然气、动物、植物乃至人体都含有氢元素。氢气具有无色、无味、无毒、可燃易爆的特点，密度为 0.0899 kg/Nm3，沸点为 –252.8℃，常温下，氢气性质稳定。下表列出了汽油、天然气、氢气的物理化学性质。与汽油和天然气相比，氢气具有三个特性。汽油、天然气、氢气的物理化学性质 ▼一是氢气爆炸浓度下限与燃烧浓度下限差值远高于汽油和天然气。为了强调其爆炸的危险性，一些文献资料只介绍爆炸浓度范围，甚至将燃烧浓度范围直接作为爆炸浓度范围。在分析氢气的安全性时，既要关注燃烧浓度范围，也要关注爆炸浓度范围。两者之间是有明显差异的，如果将氢气的燃烧浓度范围当作爆炸浓度范围，就放大了氢气的易爆性。二是氢气燃烧时单位体积发热量和单位体积爆炸能相对较低。氢气燃烧时单位体积发热量仅为汽油的 0.053%，单位体积的爆炸能量为汽油的 4.57%。三是氢气的比重最低。当空气的比重为 1 时，汽油蒸气的比重在 3.4~4.0，氢气仅为 0.0695，汽油在空气中泄漏时会积聚在地面上，氢气泄漏至空气中很容易向上扩散，在受限空间内会集聚在上部，如果受限空间的上部有良好的通风措施，氢气就不容易集聚。氢与材料的相容性问题氢与材料的相容性问题是高压氢气系统选择金属材料时必须十分重视的问题，与储氢瓶、管线、阀门、仪表、管件使用中的安全性密切相关。氢脆 ▼氢气在达到一定温度和压力时，会解离成直径很小的氢原子向金属材料中渗透，进入材料的氢原子又会在材料内部转化为氢分子，还会和材料中的碳发生反应造成脱碳并生成甲烷，从而在材料内部产生很大的应力，使材料的塑性和屈服强度下降而造成材料发生裂纹与断裂。如何选择材料防止氢脆，提高氢气与材料的相容性应进行必要的研究，而且 FCEV 供氢系统要在升压降压反复循环条件下长期运行，材料选择时还必须十分关注材料的抗疲劳性能。氢能利用的安全对策氢气和天然气均为易燃易爆气体，对比物理化学性质，氢气的危险性不高于天然气。天然气已经进入千家万户成为日常使用的清洁燃气，像管理天然气一样管理氢气，落实安全措施，氢能是可以安全利用的。鉴于氢气的物理化学性质和天然气安全使用的经验，氢气的安全利用应遵守三个基本原则：一是不泄漏，即防止氢气尤其是压缩氢气系统的氢气泄漏。要确保储氢瓶、阀门、安全阀、管件、接头及连接件、仪表、垫圈的可靠性，选用的金属材料与氢要有良好的相容性。二是早发现，即氢气泄漏后能及早发现。要在容易发生氢气泄漏的部位设置高灵敏度的氢气浓度自动检测仪表及报警装置，一旦发生泄漏能及时报警处理。三是不积累，即防止氢气泄漏后的积聚。受限空间如加氢站储氢瓶的储存间和氢气压缩机间要具备良好的通风性能，易发生氢气泄漏的部位要设置与氢气检测报警联动的防爆强制通风设备，氢气泄漏时要能够迅速启动强制通风设备，使氢气尽快向空中扩散。日本氢能安全技术研究及启示 （一）日本支持氢能发展战略的安全技术研究日本在建设氢能社会和发展 FCEV、家用燃料电池等领域处于世界领先地位。在政府的支持下，日本企业、科研机构和高校从 20 世纪 80 年代起就围绕氢能利用的基础理论、应用技术、仪器仪表装备制造等开展了系统研究，其中，氢能利用中的安全技术是最为重要的内容之一。进行氢能利用安全技术研究后，日本认为其《高压气体保安法》可作为制定安全利用氢能标准规范的依据。由政府与汽车企业各提供 50% 资金建设和运行的日本自动车研究所是日本开展车用氢能安全研究的重要机构，建有世界上第一座可以进行 FCEV、电动汽车（EV）、内燃机汽车火灾爆炸评价测试的大型试验仓，如下图所示，还建有高压氢气试验设备、液压试验设备、液化氢试验设备等。日本自动车研究所的防爆火灾试验仓 ▼开展了容量为 260 L 的 70 MPa 储氢瓶破坏性试验、FCEV 整车火烧试验、氢气泄漏火灾爆炸试验、高压氢系统设备破坏性测试、容器阀门等的循环寿命和耐久性试验、高压氢安全加注程序研究，以及 FCEV、电动汽车和汽油车安全性对比研究等，为支撑日本车用氢能安全利用做出了重要贡献。（二）高压储氢瓶设计制造与安全可靠性检测日本 FCEV 采用 70 MPa 的高压氢气，加氢站氢气压缩机出口压力及储氢瓶最高压力达 90 MPa，储氢瓶制造的可靠性及安全性能测试十分重要。70 MPa、90 MPa 储氢瓶一般采用 3 层结构，表层采用玻璃纤维复合材料，中间层采用碳纤维复合材料，III 型瓶内层采用铝合金内胆，IV 型瓶内层采用塑料内胆。储氢瓶口与出口阀的结合部位通过特殊的结构设计确保阀门在使用压力下不会像炮弹出膛一样被冲出，瓶身部位玻璃纤维及碳纤维复合材料采用特殊的缠绕方法确保储氢瓶的强度达到长期使用要求。储氢瓶设计及制造技术的可靠性要通过水压爆破试验、枪击试验和火烧试验测试等检测，还要通过汽车碰撞试验测试储氢瓶的安全性。日本70 MPa 储氢瓶水压爆破试验压力为200 MPa，90 MPa 储氢瓶水压爆破试验压力为300 MPa，高于 ISO/TS15869、ISO11439 等关于高压储氢瓶的破坏性试验压力为操作压力 2.25 倍合格值的规定。用 7.62 mm 穿甲弹正面枪击储氢瓶，子弹卡在储氢瓶壳层内，不能击穿瓶体。当暴露在火灾中的储氢瓶内温度达到 105 ℃后，储氢瓶熔断安全阀会迅速打开，朝预先设定的熔断阀出口方向快速泄放，70 MPa 容积为 60 L 的储氢瓶大约需要 1 min 排空氢气，瓶内气体喷射的氢气迅速燃烧不发生爆炸，火焰长度最长可达 10 m。丰田 Mirai FCEV 被 80 km/h 车辆追尾碰撞造成车身损毁时储氢瓶完好无损。（三）高压氢系统设备材料安全性能评价测试高压氢气系统使用的金属材料必须经过材料安全性能测试（见图 3）。加氢枪使用的软管在高压下要能反复经受低温（–40℃）到高温（85℃）的循环测试。截止阀、流量调节阀、紧急切断阀、安全阀、高压气瓶熔断阀等阀门和管件垫圈都要在高压氢环境下进行长期使用性能测试。加氢枪加氢时充注的氢气温度高于 85℃时，必须立即停止加氢的温度传感器和光纤要进行稳定性和可靠性测试。加氢使用的流量计要经过高压氢环境下计量准确性测试。氢气泄漏或着火后自动检测报警的传感器要进行灵敏性准确可靠性测试。需要进行可靠性测试的加氢系统关键组件 ▼为做好上述高压氢气系统的设备仪表材料安全性能的评价测试，福冈市政府投资建设了福冈氢能测试研究中心，该中心有齐全且专业的测试实验室，其中包括抗爆试验仓、高压氢用阀门耐久性测试、加氢高压软管低温循环测试、O 型圈疲劳测试、加氢站储氢瓶破坏性测试等测试实验室，他们既研究测试试验的方法，还接受设备及材料制造商和用户的委托开展安全性能测试，合格后方可投放市场。（四）加氢站安全技术措施日本的加氢站一般建在交通便利、方便用户的地段，或在人口稠密处或在交通要道上。日本允许在加油站内建设加氢站，即油氢混合站。还允许加氢站内建设集装箱式天然气或以丙烷为原料的制氢装置，即在线制氢加氢站。加氢站内既有大容量高压储氢瓶，也有高压压缩机、氢气接卸设施。加氢站与周边建筑物的安全距离只要求遵守《高压气体安全法》的规定，和居民住宅及各类公共设施的距离不小于 8 m，加氢站和民宅、公共设施设置厚10 cm 的隔离墙。为确保加氢站的安全，采取的安全技术措施主要有：在氢气容易泄漏的部位都设有高灵敏度氢气泄漏检测器，氢气体积浓度高于 1% 时及时报警，设有多台火焰检测器，能及时发现站内氢气着火并进行报警。高压储氢间、氢压缩机间等建筑物要考虑氢气泄漏后不积聚，采用既防雨水又易排气的屋顶设计，室外加氢机顶棚设计要有利于氢气向高空扩散。（五）FCEV 安全设计与安全性能测试丰田 Mirai 的 2 个储氢瓶用底盘和车体内部空间实现隔离，SORA 公共汽车的 10 个储氢瓶设置在车顶，靠顶板实现氢气和汽车内部空间的隔离，防止氢气泄漏到车厢内。丰田 Mirai 氢燃料关联零部件设置示意图 ▼丰田 SORA 氢燃料关联零部件设置示意图 ▼车身安装碰撞传感器，检测到碰撞时会自动关闭储氢瓶出口阀门。Mirai 在车身设置 2 台氢气探测器，SORA设置 4 台氢气探测器，检测到氢气泄漏时也会立刻关闭储氢瓶出口阀门，确保氢气泄漏后可检测、可及时终止泄漏。车身采用流线型设计，利于氢气扩散，确保氢气泄漏后不积聚。加强我国车用氢能安全技术研究与标准体系建设的建议 （一）总体规划设计，加大科技投入，形成以国家氢能安全重点实验室为主体，社会科技力量积极参与的研究体制氢能安全技术是实现 FCEV 发展目标的重要支撑性公用技术，应由国家安全生产主管部门总体规划设计并筹建氢能安全国家重点实验室。要借鉴国外经验，明确氢能安全技术必须覆盖的研究项目、必须建设的实验设施和装备，建设投资和日常研究经费应列入中央财政，确保适时投入。氢能安全国家重点实验室的研究工作应由国家安全生产主管部门管理，氢能安全利用的标准规范制定应由国家实验室负责。氢能安全利用技术研究还需要发挥地方政府和企业的积极性，允许有条件的省市和企业建设氢能检测与研究机构，机构应由国家安全生产主管部门审定批准，测试仪器设备设施和技术力量应满足国家标准规范的要求，可有偿接受氢能系统设备、材料、阀门、管件、仪器、仪表、加氢枪的检测鉴定认证。逐步形成以氢能安全国家重点实验室为主体，社会科技力量积极参与的研究体制。（二）加快修订完善车用氢能安全标准体系建立先进完整的车用氢能安全标准体系，是支撑 FCEV 及相关产业科学、健康发展的迫切需要。车用氢能的开发利用涉及制氢、氢气压缩或液化储存、运输、加注、燃料电池、FCEV 等诸多环节，既要确保安全又要有利于 FCEV 的发展。日本在车用氢能领域建立了先进、完整的标准体系，如针对FCEV，高压氢系统（包括高压储氢瓶和容器主阀）适用《高压气体保安法》，其余车辆系统适用《道路运送车辆法》。针对加氢站遵循的法律标准、规范主要有：《高压气体保安法》《消防法》《建筑基准法》《加氢站安全检查标准》等。目前我国发展FCEV 的热度不比日本低，但与 FCEV 安全有关的国家强制性标准缺少完整性，有些标准也缺少先进性。如《加氢站技术规范》，是十年前借鉴国外标准组织相关规范，经国内有关专家讨论后制定的，与国外加氢站现行的技术标准相比，先进性存在不足。近十多年来，国际氢能利用快速进步，安全标准也在实践中不断修改完善，我们需要在系统研究安全技术和借鉴国外先进标准的基础上不断修改完善我国车用氢能安全标准体系。（三）重视构建 70 MPa 涉氢装备制造体系构建 70 MPa 涉氢装备制造体系，是发展 FCEV的一项重要基础性工作。我国 70 MPa 以上压缩氢系统装备制造能力与日本、欧美存在较大差距，储氢瓶、FCEV 及加氢站涉及的关键设备、仪表、阀门、加氢枪、压缩机等均不具备产业化能力，完全依靠进口。不脱除此瓶颈约束，FCEV 成为我国经济未来的增长点是不可能实现的。70 MPa 涉氢系统的装备制造与我国新材料研发与生产、高端装备开发与制造能力密切相关，是装备制造业迈向高质量发展的重要标志。应加大科研投入，开展70 MPa、90 MPa 储氢瓶和氢气压缩机及关键零部件如阀门、仪表、高灵敏氢气检测传感器、氢气火焰传感器的制造能力攻关，尽快实现 70 MPa 涉氢装备由中国制造。来源：央视新闻、氢能俱乐部特别声明:公 众号部分文章和图片来源于网络，发布的目的在于传递更多信息及分享，并不代表本公 众号赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。版权归原作者所有，任何组织或个人对文章版权或内容的准确性存在疑议，请第一时间联系我们，我们会及时修改或删除。广告免责声明:为了公 众号稳定发展，本公众 号会不定时承接行业广告、产品推广、会议培训推广等广告展示方式有文章前/中/后以图片形式展示、软文展示、产品链接展示等。本公 众号只提供发布平台，对广告内容的真实性或有效性不做评价，请自行判别。所有广告内容及相关事项与本公 众号无关，特此声明。来源：碳纤维生产技术