ASME规范在氢能设备制造上的运用

如果你在关注气候变化问题和再生能源的发展，你肯定会经常看到氢能的信息。在网上输入“氢能和气候变化”，你会搜到许多链接，倡导使用太阳能和风能发电来电解水产生氢气作为绿色可再生能源，成为实现碳中和的主要方法之一。

按照美国能源部(2020)在“能源储存主要挑战路线图”中指出氢能储存(HES)除具有长期性、二次能源储存外，还具有诸多优点，如电网调节、服务标准化、配合间歇性可再生能源可获得可靠零排放电力。下图展示出氢气可以怎样在双向性和单向能源储存方面扮演重要角色。

传统上，通过蒸汽甲烷重整工艺，使甲烷在 3-5 Bar 压力下与蒸汽反应，在催化剂的作用下产生氢气、一氧化碳、和少量二氧化碳。用这种方法产生的氢气通常称为“灰色氢气”，因为它仍然依赖于化石燃料并伴生有二氧化碳副产品。但是随着低成本再生能源的大量运用，世界上正在建设的大多数氢气生产项目是采用电解制氢。用此方法产生的氢气称为“绿色氢气”。

氢气如果按其质量来计的话，它是汽油的能量含量的3倍左右，即氢气为120MJ/kg，而汽油却只有44MJ/kg。但是氢气的储存和运输困难很多。氢气的低体积密度使得在气态或液态下储存和运输的成本非常高。氢气要变为液态，必须冷到其临界点33K(-240°C)以下。另外，在气态下要经济地储存氢气，必须用350～700 Bar的压力下将其进行压缩。这两种储存方法都需要大量能源和成本。还有一种可选方法也引起大量关注，即采用一种称之为Haber-Bosch的工艺，将氢气转换成氨气。氨气具有一些所期望的特性，认为可以作为氢气储存介质。液化氨气并不需要苛刻的条件。氨在室温下的蒸汽压力为9.2 Barg，其物理特性与丙烷相似，意味着它可以用简单、成本较低的压力容器进行储存。氨含有大量的氢，氢在氨的质量中占17.6%。结合这些因素，液态氨含有的氢体积密度比液态氢的体积密度高45%。这就是为什么许多公司在寻找一种方法，使用多余的可再生能源制氢，然后将其转变成氨，将氨运往世界各地，在目的地再将氨转变成氢用于发电、交通、家庭做饭和取暖，等等。

正是由于这种原因，大家对氢和氨制取和储存压力容器建造非常关注。早在10多年前就开始讨论关于氢的运用，当时ASME委员会为在规范中制定氢气制取、储存、运输的规则开展了很多工作。如今，已经有第VIII卷和B31.12用于制氢和输送氢的压力容器和管路的建造给出了规则。

用于氢在制取、配送和使用过程中储存和运输的基础设施装备的制造，对用氢作为储能介质这一方案的成功实施非常重要。多年来，ASME在设计和制造氢容器方面制定了多种标准，近年来，又将重点放在与氢相关的标准上。

建造氢储存和运输容器的设计形式有好几种。Zui常用的设计是按照ASME规范第VIII-2和VIII-3卷，将低合金钢无缝管的两端采用热成型工艺加工成球型封头。类似的气瓶按照第VIII-3卷和第X卷采用复合缠绕钢衬里成为复合增强压力容器(CRPV)。另外还有按ASME规范第X卷要求在两端复合不锈钢连接接头的气瓶。

VIII-1卷是压力容器设计和建造Zui为常用的规范，一般用于压力不超过20MPa的低压储存容器，安全系数Zui大为3.5，特别适合低强度高韧性材料。VIII-2卷分为两类压力容器，使用的安全系数为3.0和2.4。VIII-3卷一般用于压力大于70MPa的压力容器，使用的Zui低安全系数为1.8。

在氢的运用方面，要求较高的压力，以使氢的运输更加经济。由于氢的低体积能量密度，车辆上都必须装上69MPa的高压储罐，容纳大约5kg压缩氢气。这些车辆通常必须到装有103MPa储气罐加气站进行充气。

VIII-2卷采用了许多高强度材料，可以使容器的重量更轻，更经济。然而，由于高应力又使疲劳成为一个普遍的问题。在关键区域对容器的寿命进行评估，并制定在役检验计划，对容器的长期安全运行至关重要。VIII-2卷对允许使用的大多数材料给出了疲劳分析方法，但对于氢环境下的处理还是要由设计人员自行决定。

ASME意识到其规范并没有涵盖一些环境影响的情况，比如氢气。ASME第II卷D篇的非强制附录A中的A-702条给出了关于氢损坏、脆化、气孔和裂纹的一般信息，为氢设备的设计人员提供简要说明。

ASME早在十多年前成立了“氢储罐项目组”，由参与高压氢设备的业界专家和研究人员组成，旨在制定在氢环境下的设计规则。首先于2007年，在第VIII-3卷中的KD-10“高压氢气运输和储存容器的特殊要求”给出了规则。

KD-10收集了行业经验以及氢环境试验的建议，其中包括准则，比如与氢气分压41MPa(无焊接)和17MPa(有焊接)相关联的要求。KD-10要求采用断裂力学对疲劳裂纹进行评估，要求制造厂商对材料进行试验，获得疲劳裂纹扩展速率(da/dN)和氢致裂纹临界应力因子(KIH)。对两种常用材料(SA-372和SA-723)的疲劳裂纹扩展速率(da/dN)和氢致裂纹临界应力因子(KIH)试验，已经可以由国际上一些实验室开展，这些实验室包括：Sandia 国家试验室、Savanah River国家试验室、NIST和JSW。试验证实，与在惰性环境使用材料相比，裂纹扩展速率和对临界裂纹尺寸的限制上都有显著增加。规范案例Code Case 3938于2019首次发布，允许制造厂商在满足KD-10时免除多余的试验。

其它支持氢储罐的标准还有第X卷，其中给出了纤维增强热固塑料压力容器的要求。此标准用于整体复合材料气瓶和按照VIII-3卷和第X卷附录8(Class III)制造的复合增强压力容器(CRPV)。

氢储存还依赖管道和管道元件连接容器和储存运输装备。ASME B31.12(2008)对用于氢气的管道和管道元件给出了要求。该标准引用了其它B31标准，以采纳“zuijia方法”，比如B31.3过程管道、B31.1动力管道、B31.8气体传输和分配管路系统、B31.8S气体管路管理系统完整性、以及VIII-3。

对于许多运营商来说，还有个挑战是寿命管理。不管采用VIII-3卷的断裂力学设计方法，还是使用VIII-2卷的疲劳分析方法，容器的设计寿命是有限的。有的容器安装使用不到10年却已经超过了设计寿命期。疲劳工况下的再评估并不是新技术，ASME PCC-3使用基于风险方法的检验计划，给出了循环载荷下容器再评估的方法，已经运用了很多年了。此方法通过适当的资产管理程序、设计基础文件的维护、在役循环使用跟踪和对可信失效的定期检验，允许容器在超过设计寿命下继续使用。当然，监管法规要求不能违反。

不幸的是，对于许多Zui终用户来说，在设计或安装期间制定在役检验计划并不罕见，即使是简单的无缝钢瓶也往往是安装在支架上，做到在必要时可对系统进行拆卸，可检验钢瓶的外表面。

许多氢失效模式的评估方法可在API 579-1/ASME FFS 服务适用性标准找到。这些失效评估程序的许多方面都可以实施，包括使用断裂力学来评估延长容器的寿命。但是，由于氢脆的影响，应考虑使用KD-10和规范案例2938。

Zui近有几个研究案例，是关于使用ASME标准中对氢环境下寿命评估方法的，特别是规范案例2983。在ASME压力容器和管道(PVP)大会上的讨论，以及与研究小组的讨论，引起了对低压氢及对疲劳的影响的进一步研究。在接下来的ASME  PVP大会上将会公布，即使氢压力低到 1 Bar的情况下，对氢设备的寿命也会产生明显的不利影响。这一结论会使ASME与氢相关的规范和标准，包括VIII-1卷及其它低压容器规则发生变化。

降低二氧化碳排放，满足阻止全球变暖计划，将驱使市场变化，在未来的几十年里会影响我们的生活。在过去的10年里，我们看到了风能和太阳能等再生能源飞速的发展，而且随着产业批量化成本不断下降。正如前面所述，许多国家都看好氢能，把它作为实现环境目标的关键方法之一。所有这些将推动对生产、储存、运输能量储存介质、如氢和氨的压力设备的需求。