郑津洋院士及其博士团队专注于压力容器的材料、设计、制造和检验研究。郑院士是我国储氢高压容器、深冷压力容器、柔性高压复合管等方面权威的专家，从2002年开始氢气高效储存科研攻关，将我国大容量高压氢气储存装备技术推至国际领先水平，他领衔的“氢气规模化提纯与高压储存装备关键技术及工程应用”项目获得2020年度国家科学技术进步奖二等奖。

《产业观察者》旨在搭建氢能产业科研、生产和消费之间的沟通平台，传播氢能文化，反映市场声音，所以，本期我们就市场关心的安全问题整理了郑津洋院士相关报告，希望借此提升从业人员的安全意识，也能帮助消费者更好地认知氢能产业、理解氢能安全的专业知识，避免谈氢色变的恐慌。总之，无论是氢能从业人员还是消费者，我们都需要尊重市场、敬畏科学、重视安全。

                                                                                                    ——郑贤玲

氢能作为来源多样、应用高效、清洁环保的二次能源，广泛应用于交通、化工、能源和储能，将在能源结构转型中发挥关键作用。氢能的开发利用已经成为新一轮世界能源技术变革的重要方向，也是实现碳中和目标的重要的途径。发达国家上世纪就开始布局氢能产业，美国、日本、德国、韩国先后制定氢能国家战略推进氢能产业发展，我国氢能也进入到产业化规模的示范阶段，发展速度非常快。

由于氢气易泄漏爆炸、易引发材料高压氢脆，导致国内外最近一些年的氢安全事故不断发生，例如2019年美国、挪威、韩国均发生了储氢装备的爆炸事故，我国虽然加氢站运行的时间不是特别长，但也出现了不少的问题，如储氢容器水压实验时的爆炸、压缩机膜片开裂、阀断裂等。

因此，氢能储运装备安全对我们来说还是一个共同的挑战。为此，我们必须建立氢能安全的研究体系与行业标准，为氢能产业的健康发展提供基础保障。

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输氢装备主要有两类，即气态输氢装备和液态储氢装备。气态输氢主要有长管拖车、管束式集装箱和管道输氢三种方式。长管拖车的一个重要发展趋势是进一步提升工作压力。现在国内最高是30MPa，国外最高已经超过50MPa。

还有一个方向是从钢制的容器发展到复合材料的Ⅲ型、Ⅳ型瓶，进一步减轻它的重量，提高运输效率。另外一个是管道的输送，包括长距离输氢管道、场区内输氢管道，前者直径大，后者压力高。对各种方法进行综合的比较，我们发现管道的输送具有运输的体量大、输送距离远、能耗损失低等优点，有望实现氢能经济规模的长距离输送。

全球范围内氢气的输送管道已经超过4600公里，其中最多的国家是美国，总里程已经达到2700km，最高运行压力到10.3MPa，主要位于墨西哥湾的沿岸有1000km左右的管线。2001年荷兰开始天然气管道掺氢研究，此后欧盟、德国、法国、美国、英国、澳大利亚和中国都开展了天然气掺氢方面的研究。

我国在工业管道和专业管道方面积累了不少经验，但天然气掺氢方面相对起步要晚一些。目前国内管道输氢相关技术研究、技术和标准尚不完善，亟待加强。除了气态输氢外，液态输氢也是重要发展方向。例如日本在开发液氢的船运，从澳大利亚往日本运液氢。

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研究发现，同样型号的奥氏体不锈钢在同样压力（如87.5MPa）的氩气和氢气里的断口特征明显不同：在氩气里是典型韧性断裂的韧窝，而同样的材料氢气里就会发生脆性断裂。

也就是说，在高压工作环境下，氢气会影响金属材料的力学性能，这就是氢气储运领域面临的最大的难题之一——氢脆。因为材料与氢气长期的接触，氢会侵入到材料内部，导致金属材料塑性的损减、裂纹扩展速率的加快和断裂韧性的下降。

高压储氢容器的压力高达98MPa，高压氢气易引起材料氢脆，造成容器突然断裂甚至爆炸，危害极大；此外，由于氢气分子小，易泄漏，高压密封难，侵入传感材料的氢会导致检测信号漂移，高压氢环境应变检测难度大。

首先，我们需要了解氢气与储氢装备材料和环境之间的关系。氢气的储运有纯氢，也有掺氢天然气。

对于氢脆的研究，我们希望能够获得真实气体环境当中材料的性能。通过纯氢环境和天然气掺氢环境的比较发现，在天然气管网的运行的工况下，掺氢对我们现在常用的材料X70、X80、X52的屈服强度和抗拉强度影响不大，但是会导致材料的断裂韧性和疲劳性能下降，这些性能的下降，会导致材料对缺陷的敏感性加大，如果有同样的缺陷，在同样的状况下，就有可能导致管道使用的寿命下降。

对于掺氢的天然气我们研究还发现，因为掺氢天然气里面，除了甲烷、氢气以外，还会有水分、二氧化碳、氧气等。有的组分会加剧材料的劣化，而有的会延迟或阻碍材料的劣化，我们需要去研究不同的组分对性能劣化的影响。

例如，二氧化碳和氢气一起会发生协同的作用，促进20号钢的疲劳裂纹扩展速率比氢气当中还要加快，因此，对于掺氢天然气，现在世界上面临的一个问题是：实验室的项目都是通过一个一个案例来研究，但是还没有找到一种普适性的可推广可复制的技术。我们要做的是找出影响安全的最大条件，如何获得对材料性能影响最大的工况。

同样，氢气还会对非金属的性能产生影响，主要是氢致损伤和氢的渗漏，因为氢的分子很少，它有可能通过非金属来渗漏。

其次，除了材料之外，我们还要关注管道设备和零部件对氢气或者掺氢天然气的适应性，如压缩机、加氢机、阀门、密封接头等等。

第三个是管道运行安全保障。由于氢气分子小，容易泄漏，且漏出来以后又跑得快，但是需要去研究掺氢以后，或者在氢气环境当中，它的泄漏扩散、燃烧爆炸的特点，需要加强这方面的研究。

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由于氢气独特的物理和化学性能，固定式储氢装备与传统的气体装备相比具有一些独特的特点。以加氢站高压储氢设备为例，其典型特征包括：（1）高压常温且氢气纯度高，压力可达98MPa，具有高压氢环境氢脆危险；（2）压力波动频繁（商用站尤为突出）、波动范围大，具有疲劳破坏危险；（3）容积大，储存的压缩能量多，氢气易燃易爆，失效危害严重；（4）面向公众，涉及公共安全问题。

对于加氢站高压储氢设备的基本要求，包括：（1）耐高压，压力超过35兆帕；（2）抗爆抑爆，要求设备在工作状态即使失效也不会爆炸，只会泄漏，即只漏不爆；（3）在线检漏，应该实时监测储氢设备的氢气泄漏情况，在氢气泄漏后发出警报的同时，自动卸压，安全排放泄漏的氢气；（4）经济简便，材料在满足安全要求的前提下价格要低，可获得性好，不使用或减少使用贵重、特殊、不常见的材料；制造工艺简单，不需要大型、重型装备；使用方便，操作简单，少维修等。

加氢站高压储氢设备主要有几类结构形式，第一类是通过旋压成型或锻造成型的单层高压储氢容器，这类装备比较常见，我国现在的这类产品的压力上升到50MPa，有效容积1000L左右。这类容器容积小，一般采用铬钼钢制造，材料对氢脆敏感。

另外一类是多层高压储氢容器，有以下几种，一种是全多层储氢高压容器，主要结构由双层半球形封头和钢带错绕筒体构成。经过近20年的努力，我们团队打通了从技术理论建立、关键技术攻克、到检测氢平台构建、技术标准制定，再到核心装备研制、推广应用的全技术创新链。成功研发了25MPa、50MPa、70MPa、98MPa的全多层储氢高压容器。

该类容器独特的全多层技术解决了高压氢脆问题，与氢直接接触的内筒采用抗氢脆性能良好的材料制造，其余部分采用成本较低的普通压力容器用钢制造，显著降低了产品成本。此外，该容器可方便地实现安全状态在线监测。

98MPa全多层储氢高压容器的容器达到1m³，50MPa容器的容积最大到了7.3m³，已成功应用于丰田常熟加气站、国家能源集团江苏如皋加气站等30多座加氢站。第二种是层板包扎储氢高压容器。单层半球形封头或多层包扎筒体结构，在设计制造的时候仍然引用了目前国内的通用标准，如 JB4732。

以上三种储氢容器，目前在我国加氢站应用较多，在全国270座加氢站中应用了二千多台。总体而言，我国已实现加氢站储氢压力容器的自主可控，可满足加氢站的经济需要。除了以上几种储氢容器外，我国还在开发复合材料储氢高压容器，包括Ⅲ型和Ⅳ型瓶。

这种结构的优点是抗氢脆，缺点是成本高，单个容器容积受到限制。移动式高压储氢装备主要用于交通领域，如燃料电池乘用车、物流车、大巴车、重卡、轨道交通，移动式储氢对轻量化要求更高，目前移动式储氢多采用碳纤维缠绕复合材料气瓶，一类是铝内胆碳纤维全缠绕储氢瓶，即Ⅲ型瓶，另一类是塑料内胆碳纤维全缠绕储氢瓶，即Ⅳ型瓶。

从质量储氢密度的角度来看，Ⅳ型瓶要比Ⅲ型瓶更好一些。因为Ⅲ型瓶我国已颁布了GB/T35544-2017国家标准，具备了35MPa、70MPaⅢ型瓶的批量生产能力，有资质的制造企业超过10家。据初步统计，我国在用的Ⅲ型瓶已超过四万只。对于Ⅳ型瓶，国外已具备了70MPa气瓶的批量生产能力，例如挪威的海格斯康公司、日本的丰田公司等。

近年来，我国高度重视Ⅳ型瓶发展，提出了“优生优育、先低后高、稳步发展”的技术路线。2019年颁布实施了液化石油气Ⅳ型瓶产品团体标准，产能已超70万吨，车载高压储氢Ⅳ型瓶产品团体标准也已经发布，国家标准也已报批，已初步形成生产能力。

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标准是在科学验证的基础上做出的规范，氢能的储运涉及到一系列的安全标准。我们知道，目前,我国管束车实施的标准是20MPa，刚刚过渡到30MPa，而国外的产品已到52MPa。

在输氢管道规范标准方面，美国机械工程师协会（ASME)、美国的压缩气体协会（CGA）、欧洲工业气体协会（EIGA）等已经颁布了一些跟氢气管道相关的标准，在国际上，现在影响比较大的是美国机械工程师协会颁布的ASME B31.12标准。标准涉及到设计、施工、操作、维护等。

在该标准中，我们举一个例子来说明氢气管道跟天然气管道之间的差异，在ASME里面给出了一个计算公式，这个公式是用来计算某一厚度、直径、材质的管道能够承受的压力的大小，这个公式里面，参数 H_f，这是天然气管道的计算公式里面没有的，这个系数是用来反映氢对金属材料的劣化。

这个系数小于等于1，当X42、X52钢在13.79MPa压力以下的时候该系数为1，其他的材料或者在其他的压力等级下面这个系数都是小于1的。这表明同样的管道如果输送氢气的话，它输送的压力要比输送天然气的压力要小，到目前为止国内还没有完整的氢能管道输送标准，只是在一些相关的标准里面，给出了一些要求，像氢气输送系统的第一部分、第二部分和第三部分，以及修订的GB 50516里面也对管道作了一些规定。

各国标准规范一定程度上也代表了本国对相关技术的掌握程度，标准也是随着技术成熟不断修订的。

ASME B31.12的前言里面也提到，随着对氢脆的进一步认识以及数据的积累，将对标准中的有关数据进行完善和修改，说明氢脆是一个全球性的问题。我们需要根据生产技术实际情况不断修订和完善相关储运标准，并加快制定纯氢管道以及掺氢管道标准，包括对临氢材料能够给出指导性文件。对氢能储运装备的设计、建造、运行、维护进行规范，并包含密封、储氢容器和管道的风险评估、定期检验等等。

氢能必须在安全规范的标准下运行，而标准的尺度往往决定了行业发展的效率与规模。我们团队牵头起草了金属高压氢脆检测评价方法的国家标准，并牵头制定了首部高压储氢容器产品国家标准；建立了首个国产材料高压氢脆数据库，为氢能高压储运设备研制提供了关键基础数据。

总体来看，要实现大规模的氢能储运，特别是稳定可靠的氢能或者掺氢天然气的管道的输送，我们还面临着诸多的挑战，还需要企业与科研机构、国内国外科研技术人员不懈的努力。