国外焊管

杜嘉利1， 牛爱军2,3， 赵苗苗2,3， 高 杰4，张生武2,3， 田永强2,3， 郭克星2,3， 李荣森2 编译

（1. 咸阳市天然气总公司， 陕西 咸阳 712000； 2. 宝鸡石油钢管有限责任公司， 陕西 宝鸡 721008；3. 国家石油天然气管材工程技术研究中心， 陕西 宝鸡 721008；4. 陕西省特种设备检验检测研究院， 西安 710000）

摘 要：为了解当前氢的储存、 运输以及安全可靠性的研究现状， 对氢的储存和运输方案进行了深入的探讨， 指出氢储存及运输系统风险和可靠性方面存在的问题和未来需要进行的研究， 以期为氢的储存和运输、 运行可靠性分析提供基础。 分析表明， 氢安全共同体的建设需要传感器、 数据收集和预测等方面技术的共同进步， 未来将实现安全方法的现代化， 包括定量风险评价方法、 蝴蝶结分析法和危险与可操作性分析， 逐渐向动态风险评价方法迈进， 形成完整的故障预测与健康管理技术。 这些方法既能推进安全评估， 又能使氢系统的维护和管理具有成本效益。

关键词：用氢安全； 氢气储存； 氢气输送； 可靠性； 风险评估

目前， 氢气正成为新一代的绿色能源， 并可通过多种方法进行批量制取。 除此之外， 氢气还可以通过多种能源混合产生， 因此在能源储存和能源安全方面发挥着重要作用。 氢不仅可作为运输业低排放的燃料， 氢燃料电池还可储存多余的发电量， 使整个城市几乎实现零污染， 这些优势是氢能产业发展的驱动因素。 氢被广泛应用于加氢裂化、 精炼厂的脱硫、 氨和甲醇生产、 农业化肥生产和食品加工等领域，全球已经拥有了巨大的氢市场 （2022 年预测市场价值为154.74 亿美元）， 这个市场为氢能源的发展提供了一个很好的基础。 随着很多行业对氢气的依赖， 氢能源所需的生产、 储存、 运输和应用所需的基础设施已逐步具备， 因此， 氢能源所需基础设施的安全和可靠性成为氢经济发展的必要条件。 本研究论述了氢气储存和运输技术的研究现状， 指出了确保氢能源系统持续安全、 可靠运行相关技术的需求和差距， 以及未来氢能源的研究方向和建议。

储氢是氢能系统中的关键环节， 特别是在涉及到氢气的大规模使用时。 为了应对当前和未来氢能市场的潜在需求， 为其在应用过程中提供一个稳健可靠的储存解决方案至关重要。图1 为氢气应用环境下储氢应用情况。 储氢的应用可分为固定应用和移动应用两大类。 固定储存方法主要用于生产或使用点的现场储存，以及静态发电。 移动应用是将储存的氢气运送到储存点或使用点。

图1 储氢应用类型

相对于化石燃料， 氢具有较低的体积能量密度， 这就需要极大的储藏容器。 因此， 至少需要满足以下三个要求之一来达到储存足量氢气的目的： ①高储存压力； ②低储存温度； ③使用能吸附大量氢气分子的材料。

储氢技术分类如图2 所示。 由图2 可见， 储氢技术可分为两大类， 物理储氢和材料储氢。 物理储氢包括将氢气作为压缩气体储存、 冷压缩储存以及液化储存； 材料储存包括化学储存和物理储存两类。

图2 储氢技术分类

目前， 有以下4 种类型的压力容器可用于压缩氢气的储存。

I 型： 全金属压力容器。 该类型是最常规、 最经济、 承载氢气容量最大的储氢容器， 承载容量约3.0 lb/L， 通常由铝或钢制成， 承压高达50 MPa。

Ⅱ型： 采用玻璃纤维复合材料包覆的钢制压力容器。 相比于钢材， 采用复合材料， Ⅱ型容器的制造成本比Ⅰ型高50%， 质量却降低了30%～40%， 该类型压力容器的承压能力最高。

Ⅲ型： 全复合材料包覆与金属内衬压力容器。 结构载荷主要由碳纤维复合材料承载， 内衬金属 （铝） 用于密封， 金属衬板约承载5%的机械载荷。 该型压力容器工作压力为45 MPa， 氢承载容量为0.75～1 lb/L， 约为Ⅱ型的一半， 但成本却是Ⅱ型的两倍。

Ⅳ型： 全复合材料压力容器。 通常由高密度聚乙烯（HDPE） 等聚合物作衬板， 碳纤维或碳玻璃复合材料承载结构载荷。 这种类型的压力容器最轻， 但价格较高， 承压高达100 MPa。

另外还有一种全复合材料、 无衬垫的压力容器（Ⅴ型）， 该类型于2010 年首次开发。 采用该种材料制备的容器相比于同类Ⅳ型容器质量减少20%， 许用压力为1.37 MPa。

1.1.1 液化氢气储存

氢的液化是在极低温度 （-250 ℃） 下完成的， 将氢保持在如此低的温度下是低温储氢的主要挑战。 氢气液化耗时耗能， 因此这种储存方法最常用于中大规模的氢气储存和应用。 典型液氢载体如图3 所示， 最常用的为低温罐车运输， 低温罐车通常可以携带5 000 kg 的氢气， 大约是压缩氢气长管拖车容量的5 倍。

图3 典型液氢载体

就安全性而言， 低温容器附加有保护层（真空套）， 以防发生事故和低温下氢气发生绝热膨胀， 因此， 如果发生泄漏或罐车破裂， 除非有其他原因导致气体着火， 否则不会发生严重爆炸，但泄漏的低温氢气会导致未经严格评估的阀门或减压装置出现故障和发生损坏。

1.1.2 低温压缩氢气储存

这种储氢方法最早由Aceves 等人提出， 低温压缩氢是一种超临界低温气体， 氢气在-233 ℃左右被压缩， 不会发生液化， 该方法在储存和安全水平方面都很有前景。 由于真空室的存在， 低温压缩储存具有较高的储存密度 （80 g/L， 比低温储存高约10 g/L） 和安全水平。 Ahluwalia 等对该储存方法进行了全面的技术评估， 认为其储氢密度、 体积能量密度和操作温度等预期指标有望达到美国能源部公布的标准要求， 因此作为一种具有广泛应用潜力的技术， 在研发工作中需要加以重视， 但该项技术所面临的主要挑战仍然是基础设施的可用性和成本。

对于化学吸附和物理吸附储存， 其所用基材最初主要是以粉末形式存在（有些是液体， 如液体有机氢载体）， 但氢在储存和释放过程中会产生热量，因此粉末材料并不是一种高效的储氢材料。 Ren 等总结了多种方法对基材进行预处理， 包括铸造、 涂层和单轴压缩等； Lototskyy 等将热交换器嵌入储氢应用中， 以达到控制氢气流量和过滤输入输出氢气的目的； Jehan 和Fruchart 提出了一种可能用于加油站规模储氢的设计（如图4 所示）， 尽管如此，但这些方法在将来商业化应用的可能性不大。

图4 某材料储氢单元的设计样品示意图

1.2.1 化学吸附

在化学吸附过程中， 氢分子被分解成原子，并与相应的材料相结合。 其中， 金属氢化物是最有效的化学吸附材料。 化学吸附材料面临的主要挑战是降低成本、 质量和运行温度， 加快充放电动力学过程和控制解吸过程中形成的不必要气体。 液体有机氢载体（LOHCs） 作为最有前途的选择之一， 在LOHCs 储存系统中， 氢通过与贫氢分子的化学键结合进行储存， 并通过催化脱氢释放。 氢气的储存和释放过程是无碳的， 载体不被消耗， 可重复使用， 且载体无毒无腐蚀性， 储存压力较低。 但由于较低的储氢容量 （见表1），会使LOHCs 的应用受到限制。

表1 物理吸附和化学吸附储氢方法的最大储氢量对比

储存方法 材料 最大储存容量/%化学吸附物理吸附氨硼烷金属氢化物金属铝氢化合物甲酸碳水化合物液体有机氢载体碳材料沸石玻璃毛细管阵列玻璃微球19.4 12.6 9.3 4.4 14.8 7.2 8 9.2 10 14

1.2.2 物理吸附

基于多孔材料的储存系统是实现高容量和可靠储存单元的一种潜在手段， 在所有的多孔材料中， 金属有机框架 （MOFs） 和多孔碳是最具有发展潜力的储氢材料， 这种方法的使用可有效提高表面积、 降低氢结合能、 加快充放电动力学过程和降低材料成本。 此外， 潜在的物理吸附可以减轻储存单元充放电过程中的热量问题。 另一方面， 物理吸附的难点是吸附材料的质量、 低温高压的吸附条件和体积储氢密度。到目前为止， 由于物理吸附技术只进行了小规模的应用， 其性能指标 （如体积/质量氢密度、压力和温度） 并不令人满意， 因此物理吸附技术还远未得到广泛应用。

在未来的氢能产业中， 大规模的储存可以用于储存电网中过剩的能量， 通过氢或两者的结合提供给用户。 由于盐是惰性的， 不会与氢气反应， 因此利用人工建造的盐穴可作为一种主要方法来储存氢气。 德国约有170 个空穴用于储存天然气， 美国得克萨斯州有3 个， 英国有3 个， 并已经获得了技术支撑， 但这种方法仅限于某些地区。 典型情况下， 这些空穴体积约700 000 m3，最大运行压力20 MPa。 另一种选择是利用枯竭的天然气藏或天然含水层， 但是这些空穴中微生物和矿物质的氢反应还有待于进一步研究。 与地面储存方法相比， 由于储气壁的厚度和工作压力较低， 地下储气的安全水平更高， 但是需要解决关于氢泄漏对邻近生态和环境的影响问题。

氢气的运输与氢系统成本、 能源使用和排放等关键因素相关。 在集中制氢的情况下， 向终端用户运输氢包括两个主要阶段： 输送（从生产工厂输送到城市） 和分配（从城市输送到加油站或终端用户）。 根据储存方法主要有三种交付方式：①气态氢气输送； ②液氢输送； ③材料基氢载体。交付方式的选择取决于特定的地理和市场特征，如目标人群、 消费行为、 人口密度、 加油站规模、燃料电池汽车和其他耗氢单位的市场占有率等。

2.1.1 管道输送氢气

在美国， 大约有2 600 km 的氢气管道可供使用， 主要位于炼油厂和氨厂附近。 要在美国各地使用管道输送氢气， 需要数十万千米的专用氢气管道， 因此， 研究人员开始探索利用目前的天然气管道基础设施在全国范围内尝试氢气的输送。

2.1.2 长管拖车输送氢气

几年前， 通过管式拖车运输氢气一直受到美国能源部及其合作者的关注。 HEXAGON Lincoln 的一份报告详细描述了开发高压管拖车的步骤， 这些拖车的工作压力为25 MPa， 储氢质量为616 kg， 约为拖车储罐质量的7%。

使用长管拖车较为经济、 方便， 通过使用最简单的基础设施即可满足。 此外， 气态储存和其他气体运输经验使我们对物理储存有了充分的了解。 长管拖车的另一个优点是氢气损失较小， 加氢站的压缩成本也较低。 Elgowainy 等的研究表明， 采用长管拖车可以进一步降低60%的成本（与下一节将讨论的液氢输送相比）。 为确保长管拖车使用的安全性， 静水压爆破、 渗透试验、 爆破前泄漏、 压力和温度循环等几项试验均需要符合要求。 目前的最大制约是复合材料压力容器（COPV） 的制造成本还较高 （占总成本的70%）， 拖车的储存能力仍然很低， 且运输法规对罐体尺寸和最大压力存在限制。

尽管液氢输送能量损失较高， 但液氢输送对高需求（500 kg/d 以上） 和中距离站点的输送来说， 仍是经济可行的运输方式。 美国加州航空资源委员会 （CARB） 的报告预计， 随着氢储存量的加大， 到2025 年加氢站将主要以液氢供应为主。 低温氢气输送包括三个主要阶段： 液化、 储存和用低温储罐输送至最终用户。 北美现有8 家液化厂， 日产量为5～10 t。 如果液氢成为未来的输送方式， 就必须要提高液化厂生产效率， 降低能量消耗和成本。 Cardella 等研究了一种大规模经济可行的液化工艺， 目前仍在不断努力开发新的工艺； Asadnia 和Mehrpooy 也提出了一种新的较低能耗大规模液化方法， 其能耗明显低于目前的电厂能耗。

表2列出了储氢系统可靠性的影响因素， 针对各个因素进行分析， 讨论剩余寿命预测的可靠性， 并对氢气系统的定量风险和可靠性评估研究进行综述。 最后， 介绍了氢气系统可靠性分析面临的挑战及改进建议。

表2 对氢系统可靠性产生负面影响的因素

材料属性相关问题 氢气处理相关问题氢对材料的影响衬里鼓包碳纤维的损伤机制COPVs 的火灾损失温度变化压缩过程压力波动氢泄漏污染

3.1.1 材料属性相关问题

（1） 氢对材料的影响

在氢对材料的影响中， 钢的氢脆是一个重要的问题。 Siddiqui 和Abdullah 研究表明， 通过增加充氢时间， w（C）=0.31%的碳钢韧性会急剧下降。 Hardie 等在不同电流密度下对X60、 X80 和X100 管线钢进行了2.8×10-5/s 的应变试验， 研究了阴极保护对氢脆敏感性的影响， 研究发现高于0.44 mA/mm2 的充电电流密度会使氢脆敏感性产生明显差异。 Nanna 进行了疲劳裂纹扩展试验，比较了X52、 X65 和X100 管线钢在高压氢气环境下的氢脆行为， 得出氢脆随氢气压力和合金强度的增加而增加， 合金强度起主要作用。

自2006 年起， Savannah River 国家实验室与玻璃钢管道制造商LLC 合作开展了一项由DOE资助的玻璃钢管道使用情况调研项目。 玻璃钢管道通常由内层不透水衬板、 衬板保护层、 保护层与增强层之间的界面层、 多个玻纤或碳纤维增强层、 外压阻层和外保护层组成。 玻璃钢管道具有理想的力学性能， 通常0.8 km 长度的连续管道不需要拼装， 挖沟安装即可 （如图5 所示）。 其安装对劳动力、 重型机械、 空间等方面的要求较低， 因此对管道的敷设限制问题较少， 使氢气管道的安装成本降低了30%。 2016 年， 玻璃钢管道通过了ASME B31.12 （氢气管道和管道规范） 的验收， 许用压力可达17 MPa。 根据Rawles 等人的研究， 玻璃钢输氢管道技术的目标为管道服役寿命50 年， 压力10 MPa， 泄漏率0.02%。

图5 玻璃钢管道安装现场

（2） 压力容器内衬鼓包

在COPV 压力容器内， 内衬通常采用旋压工艺和碳纤维缠绕工艺， 用于确保容器密封。 在高压下， 塑料衬板吸收氢气， 如果压降发生得太快， 则积聚的气体不能通过扩散逸出而发生鼓包。 图6 为HDPE 衬板氢循环试验前后形貌。Yersak 等开发了一个用来预测内衬鼓包的模型和关于衬里厚度和减压率的函数。 Pepin 等人建立了一个测试平台， 可以通过爆炸减压而不是在气缸上进行测试， 这种方法可以解释内衬失效的物理过程。 研究表明， 鼓包与不同压力和温度下的衬里渗透性、 衬里厚度、 气缸最大压力、 排空后的残余压力和排空速率有关。 尽管如此， 还需要解决鼓包如何影响压力容器泄漏的问题， 并应为材料和制造工艺的选择制定明确的措施。

图6 HDPE 衬板氢循环试验前后形貌

（3） 碳纤维的损伤机理

复合材料压力容器是一种非常复杂的结构，了解纤维断裂、 分层、 基体开裂、 穹顶几何形状对复合材料储罐爆破压力的影响， 以及它们如何抵抗各种冲击， 对设计可靠的储存容器至关重要。 例如， Ramirez 等对70 MPa Ⅳ型氢容器的爆裂进行了模拟和试验验证， 并能以7.74%的误差预测爆裂压力； Wu 等通过改变冲击力、 冲击器形状、 冲击持续时间对碳纤维的损伤机理进行了分析； Demir 等对损伤机理进行了试验和数值分析， 研究了单一冲击和重复冲击对玻璃纤维增强复合材料压力容器的影响。 尽管有上述研究，但复合材料的性能因叠层工艺、 纤维密度等不同存在较大差异。 因此， 使用概率方法预测碳纤维损伤是一条合理的路线。

（4） 储存容器的耐火和耐高温性能

对于树脂和聚合物的应用， 最高工作温度是需要关注的首要问题， 因为与金属材料相比， 它们通常更容易受到高温的影响。 因此， 了解复合材料的耐火性能具有重要意义。 Ruban 对全复合材料储氢容器进行了火烧试验， 结果表明， 爆裂或泄漏前压力增加较小 （最大为12.7%）， 爆裂延迟 （爆裂前时间） 在6～12 min 范围内， 这些参数主要取决于容器的初始压力。 为了能够在不进行试验的情况下预测容器的行为， Saldi 和Wen 通过组合CFD-FE 模块模拟了Ⅳ型容器对火灾的响应， 并准确地预测了爆炸延迟时间。在储氢容器中， 常用的一种保护方法是热激活卸压装置（TPRD）， 该装置在高温情况下对容器进行排空， 以减少爆裂的几率。 Ruban 等也认为， 在TPRD 激活的情况下， 开口直径为0.5 mm时可以安全释放氢气。 保护高压储罐不受火灾影响的另一种方法是在其外表面涂刷膨胀涂料。Kim 等模拟了膨胀型涂料对氢气压力容器耐火性能的影响， 得出使用膨胀型涂料会减小TPRD所需的开口直径， 从而使压力容器的运行更加安全。 在Kuroki 等对加油站地面储氢容器外壁性能的研究中， 发现使用绝缘材料的容器外壁能够大大降低储罐附近火灾的辐射热流。 因此，产生了多种提高储罐耐火性能的方法： ①用绝缘材料保护容器不受热； ②利用TPRD 和类似机制预防火灾时的爆裂和破裂； ③改善设计环节和材料性能。

3.1.2 氢气处理相关问题

（1） 温度变化。 材料选择和目标设计需要考虑的另一个因素是灌装和排空期间罐内的温度变化， 加氢站使用的喷嘴的温度变化， 以及用于处理氢气的泵和压缩机的温度变化。 在压力容器的充填、 保压和排空过程中， 已经进行了CFD 模拟和试验测量。 安装测量设备的最佳位置目前还不能确定 （特别是对于车载储罐的测量）。 通过监测储罐外部温度来估计罐内的温度是另一种正在研究的测试方法， 该方法方便安装和维护， 但需要更多的试验数据来校准传感器。 从长期来看， 温度变化可能导致储存容器的寿命缩短。

（2） 氢气泄露。 泄漏量测试已经证明， 氢气在钢中的体积泄漏率约为天然气的3 倍。 当涉及到有数千条焊接管道、 大量阀门和泵、 多个压缩机站等长距离管道时， 这个问题将变得更加严峻。 德国天然气管道的分析显示， 对于17%的氢气和天然气混合气体， 泄漏率为0.000 05%。需要进一步的研究和实证数据来获得更准确的气体损失估算。 氢气系统中弹性体密封和接头的气体泄漏是另一个需要关注的泄漏源。 Yamabe 等研究了塑料和橡胶密封件与氢气接触的行为、 三元乙丙橡胶O 形圈在循环氢气作用下的断裂行为以及利用声发射检测耐高压氢气循环后橡胶密封件内部断裂行为。 具体来说， 在泄漏可能造成严重后果的封闭地区， 由于氢气无色无味， 人们不会意识到是否有泄漏。 因此， 传感器应该准确可靠， Hubert 等在这一领域的研究已经取得了良好的进展。

（3） 污染。 如果采用目前的天然气管道输送氢气， 一是管道中腐蚀情况未知， 氢气可能会被腐蚀产物污染， 二是泵和压缩机中的润滑油对氢气的污染。 复合储存容器中聚合物衬里的水脱气可以成为另一种污染源， 因此输送之前的干燥和在生产过程中保持低水分有助于防止这一问题。Cheng 等研究了污染如何影响燃料电池性能， 但没有分别评估上述几种污染源的影响。

（4） 压缩过程。 由于氢气的摩尔质量较低，且氢气的能量密度是天然气的三分之一， 因此在相同流速下， 氢气所需的压缩和泵送功率高于天然气。 因此， 需要更高的压缩功率， 从而转化为更高的压缩机叶尖速度， 这将可能导致其他可靠性问题的出现。

（5） 管道中的压力波动。 无论使用在役的天然气管道或者专用的输氢管道， 由于可再生能源生产率的变化、 氢气需求的变化（季节性、 高峰时间）， 系统中都会存在压力波动， 这些波动可能会破坏管网系统。 Pellegrino 等建立了天然气管网注入氢气的模型并得出结论， 在P2G 理念下， 需要大宗仓储设施来平衡系统输入输出的波动。

剩余使用寿命（RUL） 预测是根据预期目的对项目、 部件或系统剩余使用寿命的评估。 RUL可以根据观察（条件和健康监测、 检查） 或类似项目、 组件、 系统的平均寿命进行估计， 或结合两种以上的方法进行估计。 RUL 预测在基于条件的项目维护、 故障预测和健康管理中至关重要， 这将大大影响项目的安全评价、 预算分配和维护费用。 正在或将要应用于氢气经济的部件和系统可分为两组： 第一组， 数据丰富且具有现场经验的部件（如甲烷重整生产厂、 低温储存容器等）； 第二组， 相对较新且现场经验有限的部件（COPVs、 氢燃料站等）。 显然， 对第 二 组 系 统随时间的变化情况很难进行预测。 为了能够更准确地规划氢气经济的发展路径， 需要对复合储氢船、 管道、 泵和压缩机以及加氢站等系统进行大量的仿真、 试验和现场测试。 另外， 燃料电池是目前正在进行深入研究的氢系统之一， 从大量的文献可以发现， 关于燃料电池RUL 的预测技术， 领先于其他新系统。 除了因为燃料电池体积小、 实验室环境中相对容易处理外， 更多的资金支持和政府关注也是重要的原因。 这一进展不仅使得拥有商用燃料电池的汽车成为可能， 也能够激励其他新的氢能源技术沿着同样的道路前进。

定量风险评估（QRA） 的目的是为一个系统的决策提供信息， QRA 帮助决策的常用方法是判断一个系统的失效风险是否符合最低合理可行原则（ALARP）。 通常， QRA 执行步骤如图7 所示。

图7 QRA 过程的主要步骤

与天然气基础设施相比， 氢基础设施及其在交通运输领域的应用是全新的。 因此， 氢气相关故障和事故的可用数据有限， 这也是对氢气进行QRA 仍然具有挑战性的主要原因。 尽管对氢基础设施进行QRA 存在困难， 但大量文献都在一定程度上对其进行了研究， 并试图对该领域进行改进。 例如， 智勇等调查了上海某加氢站， 评估了EIHP2 （欧洲综合氢工程第2 期） 验收风险标准的安全距离， 以及站内人员、 用户和第三方的风险。 Jafari 对采用天然气重整工艺的制氢装置进行了危险源辨识、 场景选择、 后果建模、 频率和QRA 估计， 确定了装置的高风险区域、 危险场景和安全距离。 Kikukawa 对加氢站进行风险评估，确定危险场景， 建立风险矩阵， 并对模型实施安全措施， 降低风险的概率。 另外， 还有其他的相关研究案例， 但这些研究各有不同的假设 （CFD建模、 站址假设、 材料和设备的特性等） 和风险评估方法。 因此， 将所有这些系统整合起来， 并将它们作为氢气系统设计的统一准则， 是一项繁琐和艰难的任务。 考虑到上述问题， 氢能技术风险和可靠性分析还存在以下几个方面的挑战： ①缺乏材料性能下降、 失效和事故数据； ②氢气点火概率模型的详细推导及验证； ③火焰和气体的检测精度和合理的概率模型； ④全CFD、 FE 或两者结合的复杂性模拟； ⑤环境和人类的影响；⑥控制因假设条件不同而导致的不同分析结果。

为了提高该领域的风险评估质量， 建立一个研究人员和从业人员可以访问的全面数据库， 以及一套被广泛接受的物理公式、 概率模型和风险分析工具/方法。 例如， 氢事件与事故数据库（HIAD） 是一个不断收集和分类的在线数据库。图8 为氢系统QRA 数据分类图， 其中事故和根本原因数据并不是这个数据库唯一的内容， 为了能够恰当地评估风险和预测各种可能的后果， 需要知道不同条件下的氢物理行为、 与其他材料的相互作用以及所有影响参数， 才能准确地找出后果和风险。 为此， Sandia 国家实验室利用HyRAM 作为氢系统QRA 的工具。

图8 氢系统QRA 数据分类图

HyRAM 包含了9 种类型的氢系统部件的一般失效概率、 点火概率， 以及热通量和压力对环境和氢系统结构影响的概率模型。 此外， 对氢的释放和火焰行为进行了建模， 并对模型进行了验证， 使分析速度更快， 从而减少了对系统进行全CFD 建模的需要。 通过HyRAM 能够计算出3 个风险指标： FAR （致命事故率），AIR （平均个人风险值）， PLL （潜在生命损失）。 同时， 内置三个物理行为模型： ①氢射流， 包括宽度、 速度、 密度等； ②喷射火焰，包括火焰长度、 热通量等； ③注释， 包括可标记的体积、 过压等。

LaFleur 等详细说明了HyRAM 如何使用，其输入输出参数是什么， 以及如何加快风险分析的进程。 这些项目有助于进行更高质量的风险评估。

“氢系统” 一词将各种复杂的系统纳入其中，包括单个压力容器或整个加氢站、 输送管网或生产厂。 简单的系统通常可以使用完全依赖于数据的方法进行寿命预测。 而对于较大的系统， 使用概率方法需要所有组件的数据， 以及组件作为集成系统的行为数据。 虽然是在一般数据、 假设和估计的基础上对氢系统进行经典QRA， 但由于缺乏数据以及不确定性风险的存在， 越来越倾向于使用贝叶斯网络 （Bayesian networks, BN） 等概率方法。 BN 以现有知识为基础建立模型， 并通过加入新的信息（观测值） 缩小模型， 从而降低模型的不确定性。 早在1985 年就开始使用BN进行系统风险和可靠性评估， 到1987 年BN 方法在风险和可靠性分析中越来越受欢迎。 目前，一般用于系统可靠性建模、 软件可靠性评估、 预测和根本原因检测、 人为可靠性评估， 以及将人为错误和操作环境的影响与系统可靠性模型相结合， 该方法能够使用所有可用的信息， 即使这种信息是从外部试验中获得。

Hamada 讨论了BN 法在风险和可靠性评估中的实施细节。 Kelly 和Smith 通过马尔可夫链蒙特卡罗方法（MCMC） 讨论贝叶斯推理的实际应用。 Pasman 和Rogers 试图通过对案例应用离散、 混合离散-连续BN 来解释BN 如何提高风险分析的准确性， 结论是BN 可以潜在地替代故障树、 事件树和蝴蝶结分析法。 已有许多利用贝叶斯网络来评估工业系统可靠性的案例， 如化工厂和天然气加气站， 在本质上类似于氢系统。Khakzad 等做了一个案例研究， 评估了供气工艺装置中供给控制系统的性能， 并将故障树和BN方法进行了比较。 由于更新和不确定性处理能力以及包含更复杂的随机关系， BN 被认为是一种可靠的方法。 Zarei 利用FMEA 进行危害分析，利用蝴蝶结分析法进行因果分析。 Xin 演示了BN 在危险场景分析中的应用， 提出了一种将事故场景映射到BN 并通过施加现有证据更新BN的方法， 与不同场景相关联。

就氢系统而言， 虽然在文献中可以找到有价值的研究， 但使用BN 的研究并不多。 例如，Haugom 和Friis-Hanse 通过BN 重新研究了氢燃料站风险分析， 以前是通过经典的QRA 方法进行的， 研究者表明了使用BN 法的优势及将其应用于氢基础设施风险分析潜在的适合性， 这项研究是首次将BN 用于氢系统。 在更高层次的风险分析中， Pasman 和Rogers 使用BN 对液氢燃料站和气态燃料站以及三种不同的供氢运输方式进行了风险评估， 结果表明， 与其他场景相比， 压缩氢气加气站联合卡车输送氢气的风险水平最低。 如前所述， BN 可以成为风险和可靠性分析的有力工具， 但同时也存在一些弊端。由于计算和内存需求的复杂性， 其在大型系统中的应用仍然有限。 Tien 和Der Kiureghian 试图通过引入压缩算法和一种能够处理压缩矩阵的更新算法来解决这个问题， 但这一问题仍未得到解决。

Moen 等研究表明， 大规模利用氢能源时将涉及很多关键问题， 如分布式生产协议、 维护和安全法规、 每种应用的允许杂质水平、 关键测量误差等， 精确分析预测很难进行， 但基于大规模利用天然气的经验， 应该能够解决上述问题。 未来要使氢成为广泛使用的能源载体，需要对大型互联生产、 储存和输送网络的运行进一步研究。

（1） 低温和压缩储氢是最成熟的技术， 但低温储氢具有较差的能量效率， 压缩储存由于氢气密度较低， 需要较大的体积。

（2） 复合贮罐的可靠性有待进一步提高， 必须确定损坏机制、 检测方法和维修工艺。

（3） 基于材料的储存方法还处于早期发展阶段， 需要更多的时间来证明其可行性。

（4） 长管拖车不适合长距离输送， 液氢罐车是较好的选择， 但其能量损失较高（可达40%）。管道是最合理的解决方案， 但管道的建设和使用，需要巨大的资源和较高的市场需求。

（5） 交付方式的选择应根据区域规化和潜力、 需求和经济情况而定。

（6） 集中制氢需要慎重选择输送方式， 分布式制氢是正在研究的另一条途径， 可能会降低远距离输送氢气的困难。

（7） 几乎所有与氢基础设施有关的储存和运送技术都没有足够的试验和现场数据。 虽然对单个部件的可靠性进行了大量的试验研究， 但对氢气系统的数据收集很少， 更没有大规模的项目数据。 在可靠性评估中， 需要进行主动的数据收集和分类， 并且仅凭数据是不够的。

（8） 采用合理的建模是实现所有数据集成和使用的必要条件。 迫切需要使用定量风险评估方法， 并结合贝叶斯分析技术， 开展进一步的系统研究。

（9） 氢安全共同体的建设需要传感器、 数据收集和预测等方面技术的共同进步。 未来的方向是实现定量风险评估、 蝴蝶结分析法和危险与可操作性分析法向动态定量风险评估迈进， 形成完整的故障预测与健康管理技术， 这样既能推进安全评估， 又能使氢系统维护和管理具有成本效益。

Current Status and Reliability Analysis of Hydrogen Storage and Delivery Technology

Translated by DU Jiali1, NIU Aijun2,3, ZHAO Miaomiao2,3， GAO Jie4， ZHANG Shengwu2,3,TIAN Yongqiang2,3, GUO Kexing2,3, LI Rongsen2（1. Xianyang Natural Gas Corporation, Xianyang 712000, Shaanxi, China; 2. Baoji Petroleum Steel Pipe Co., Ltd., Baoji 721008, Shaanxi, China; 3. Chinese National Enginnering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008, Shaanxi, China; 4. Shaanxi Special Equipment and Testing Institute, Xi’an 710000, China）

Abstract: In order to understand the current research status of hydrogen storage, delivery and safety and reliability research related issues, the hydrogen storage and transportation scheme is deeply discussed, and the existing problems in the risk and reliability of hydrogen storage and transportation system and the future research need to be carried out are found out, and suggestions are put forward, so as to provide the basis for risk assessment and reliability analysis of safe and reliable operation of hydrogen in the future. The analysis shows that the construction of hydrogen safety community needs the common progress of sensor, data collection and prediction technology. In the future, the safety method will be modernized, including the classical quantitative risk assessment method, bow-ties method and HAZOP analysis, the dynamic risk assessment method will be gradually advanced, and a complete fault prediction and health management technology will be formed. These more modern methods can both advance safety assessments and enable cost-effective maintenance and management of hydrogen systems.

Key words: hydrogen safety；hydrogen storage；hydrogen delivery；reliability；risk assessment

中图分类号：TK912

文献标识码：B

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2022.09.009

*基金项目：中国石油天然气股份有限公司重大科技专项 “高压储氢四型瓶关键材料及制备技术开发” （项目编号2021DJ5001（JT））。

译自：MORADI R，MGROTH K. Hydrogen storage and delivery：review of the state of the art technologies and risk and reliability analysis[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2019（44）：12254-12269.

译者简介：杜嘉利 （1971—）， 女， 高级工程师， 长期从事压力管道设计管理工作。

收稿日期：2022-01-08

编辑： 黄蔚莉