液氢储运压力容器的研制策略

宋云萍

济宁圣柏机电科技有限公司 272100

摘要：液氢储运压力容器的应用是一个新兴的领域，它具有很大的发展潜力。目前国内外对液氢储运压力容器的研究主要集中在压力容器的结构设计、制造工艺中的焊接、安全性能以及使用寿命等方面。随着科学技术的发展，液氢储运压力容器的研究也逐渐走向深入。近年来，我国液氢储运压力容器行业取得了长足的进步，产品质量不断提高，生产规模不断扩大，市场竞争力不断增强。目前，液氢储运压力容器已成为我国重要的战略物资储运设备之一，我国液氢储运压力容器行业将迎来新的发展机遇。本文将重点对液氢储运压力容器的研制进行详细研究，。

关键词：液氢储运压力容器，结构设计；焊接工艺

液氢储运压力容器是一种高压、大容量、长寿命的特种储运装置，它具有安全可靠、运行平稳、操作方便、维护简单等优点，是现代工业发展的必然趋势。现阶段，国内已有不少企业开发生产了适用于液氢储运的压力容器，我国氢能产业起步较晚，目前仍处于发展初期，但随着国家政策的支持，氢能产业已成为我国战略性新兴产业之一。氢能作为一种清洁能源具有绿色环保、安全可靠、储运方便等优势，可广泛应用于交通运输、工业生产、建筑节能、海洋开发等领域，是未来能源结构调整的重要选择，也是实现我国能源清洁低碳转型的重要途径。

一、材料的选择

制造液氢储运压力容器用材料要综合考虑材料的力学性能、机械性能、化学性能、环境适应性等因素，以满足工程设计要求。选用合适的材料，可以提高材料的使用寿命，降低成本，延长使用周期[1]。在选材时，氢对金属的腐蚀比较严重，因此选用耐腐蚀性好的材料是十分重要的。氢对金属的腐蚀主要是通过电化学反应进行的，所以选用耐腐蚀性好的材料，可以减少氢对金属的腐蚀。另外，氢还可以作为催化剂，促进金属的活性，从而提高金属的利用率。因此，选用耐腐蚀性好的材料是十分重要的。并且，内部氢脆和环境氢脆都需要考虑，这两种情况都会影响材料的使用寿命。内部氢脆主要是指在高温条件下，氢气与金属发生反应，引起材料内部氢脆的现象。环境温度越高，氢脆越严重。

液氢储运压力容器用钢材需经特殊处理，具有良好的耐腐蚀性能，可承受高温、高压、高速运行条件，且不与氢发生氢脆，不产生裂纹，不易变形，不易老化，使用寿命长，钢管的屈服强度500mpa，抗拉强度250mpa，延伸率10%，伸长率5%，壁厚0.4mm，管壁光洁度0.5，表面质量达到国家标准。奥氏体不锈钢的屈服强度和延伸率应满足设计要求，并应具有足够的抗腐蚀能力。

液氢储罐一般采用高真空多层绝热结构，即在罐体内设置一层真空绝热层，然后在罐体外设置第二层绝热层，最后在罐体内设置第三层绝热层[2]。这种结构可以减少罐体内的压力损失，并且在保温过程中不会产生气体泄漏。同时，由于罐体内的真空绝热层的存在，使得罐体内的温度始终保持在一个相对稳定的范围内，从而有效防止了热量的散失。此外，真空绝热罐还具有良好的隔热性能，可以有效地阻止热量的传递，保证了设备的正常运行。

使用在局部结构的材料主要涉及到内、外层的金属，特别是钢材、合金钢、不锈钢等。在外层采用耐腐蚀的高强度合金钢，内层采用耐腐蚀的高强度合金钢，以满足不同应用环境的需求。

二、结构设计

液氢储运压力容器的外壳由不锈钢制成，内部采用耐腐蚀材料制成，并且在外壳的四周设置密封圈，以防止空气泄漏。在内部，液氢储运压力容器的内部有一个压力计，用于监测液氢的压力。当压力超过设定值时，液氢会自动喷出，从而保证液氢不会泄漏[3]。此外，该系统还配备了一个可移动的加热器，以防止液氢温度过高。在这种情况下，可以通过控制加热器的开关来调节温度。这样做的好处是，当液氢温度达到一定程度时，可以自动停止加热器，从而避免发生危险。

内容器结构设计需要尽可能简单，减少结构复杂度，提高安全性，工艺管口尽可能合并使用，以降低成本。同时，还要考虑氢气的运输问题，尽可能采用集装箱运输，减少运输过程中的损耗。接管端部应该采用焊接方式连接，不能采用螺栓连接方式，以免影响氢气的密封性。内容器的外形尺寸应符合设计要求，并满足安全要求。并且尽可能减少各个截面部件的接触面积，以提高容器的密封性能。此外，还要考虑到氢气的腐蚀问题，因此，内容器的接管端部应该采用耐腐蚀材料制成，并且要与外部接管保持一定的距离。

三、制造及检测

（一）封头成形

封头可采用钢板冲压成型，也可采用铸铁冲压成型或焊接成型，对于钢制液氢储运压力容器来说，其结构形式主要有两种，其一是采用铸铁冲压成型，其二是采用焊接成型。前者适用于大型液氢储运压力容器，后者适用于中小型液氢储运压力容器[4]。其中，采用铸铁冲压成型的液氢储运压力容器占绝大多数。因为铸铁冲压成型具有制造简单、重量轻、强度高、耐腐蚀、不易变形和易于加工等优点，要根据需要制造适合的液氢储运压力容器。

（二）焊接工艺

使用焊接材料时,应考虑与液氢储罐母材的焊接连接力学性能匹配,选用较低碳强度的焊接材料或高碳焊材

[5]。焊接前应进行热处理，以提高焊接接头的强度和韧性。焊接时应注意保护母材不受损伤，避免产生气孔、裂纹等缺陷。最后一道封闭环缝焊接,因为没有对内部气体进行防护,所以，一般是采用手工氩弧焊接技术,焊接时必须用上一个内衬环,以确保全部焊透。

液氢储运压力容器焊接时需要严格控制焊接温度，以保证焊接质量。焊接温度过高会造成氢气挥发，影响氢气储运压力容器的使用寿命。焊接温度过低会造成氢气不能充分燃烧，影响氢气储运压力容器的使用寿命。因此，在使用氢气储运压力容器时，应根据气体的性质，选择合适的焊接温度。一般情况下，氢气储运压力容器应采用低温焊接，以保证氢气的安全性。为了降低层间温度，采用低温预热的方法进行焊接。在低温预热过程中，应注意保温，防止过热引起氢气泄漏。焊接前应对焊接设备进行检查，确保安全可靠后再焊接。焊接时应严格按照规范要求进行，不得随意改变焊接参数。焊缝采用铝基板或不锈钢板进行电弧焊或气体保护焊，焊缝内涂有防腐涂料。焊接工艺评定试件检验项目主要是针对焊缝强度、表面质量、焊接接头的质量等进行检验，并根据检验结果确定是否合格。

（三）无损检测

无损检测是保证产品质量的重要手段，也是提高企业竞争力的关键环节。目前国内外对于氢气储运压力容器的无损检测技术主要采用的是电子探针法，即将氢气放入一个金属容器中，通过电子探针的扫描，可以获得氢气的浓度、压力、温度等参数，然后根据这些参数计算氢气的储存量。这种方法简单易行，成本低廉，适合大规模生产。

总结

总的来说，液氢储运压力容器的研制对于提高我国液氢储运能力具有重要意义，可以大幅度降低国家能源消耗，促进我国经济社会可持续发展。同时也为国内其他企业开展相关技术研究提供了参考。

参考文献：

[1]张振扬,解辉.液氢的制、储、运技术现状及分析[J].可再生能源,2023,41(03):298-305

[2]苏南. 液氢储运将提升氢气资源共享和应用水平[N]. 中国能源报,2022-11-21(007).

[3]屈莎莎,谭粤,李蔚,夏莉,徐瑶,杨刚,张耕.液氢储运容器用低温材料的研究进展[J].山东化工,2022,51(20):106-109+113.

[4]赵青松,郝蕴华,胡周海.液氢汽化加氢加气合建站工艺设计方案[J].分布式能源,2022,7(04):64-73.

[5]张振扬,解辉.氢能利用-液氢的制、储、运技术现状及分析[J/OL].可再生能源:1-8[2023-03-15].

作者简介：宋云萍 1977.6.8 女 山东省济宁市高新区柳行街道 汉 大学本科 工程师 济宁圣柏机电科技有限公司 研究方向:化工设备或机械的制造及焊接技术