氢燃料电池高压储供氢系统船上适应性研究.pdf

doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.04.008 氢燃料电池高压储供氢系统船上适应性研究 付树木，李 俊，袁正艳，杨万宇（中国船级社武汉分社，湖北 武汉 430000）摘要：本文介绍了船用氢燃料电池高压储供氢系统适用性的规范标准依据；结合“三峡氢舟 1”涉氢工艺流程，从氢气储存方式，储供氢管系的选材、焊接工艺、焊接方式、无损探伤、双壁管安装、管系的液压及气密试验分析了其适用性，为氢燃料电池船的推广应用提供实用样例。关键词：高压储供氢系统；储供氢管系；适应性 中图分类号：U664.1 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）04-0030-04 Research on the Adaptability of Hydrogen Fuel Cell High-pressure Hydrogen Storage and Supply System on Board FU Shumu,LI Jun,YUAN Zhengyan,YANG Wanyu(Wuhan Branch of China Classification Society,Wuhan Hubei 430000,China)Abstract:This paper introduces the standard basis for the applicability of marine Hydrogen fuel cell high-pressure hydrogen storage and supply system.Combined with the hydrogen related process flow of San Xia Qing Zhou 1,its applicability is analyzed from the aspects of hydrogen storage mode,material selection of hydrogen storage and supply pipeline system,welding process,welding mode,nondestructive testing,double wall pipe installation,hydraulic pressure and air tightness test of pipeline system,providing practical examples for the promotion and application of Hydrogen fuel cell ship.Key words:high-pressure hydrogen storage and supply system;hydrogen storage and supply pipe system;adaptability 0 引言 随着国家“双碳”目标的推进，越来越多的清洁能源被应用到船舶上来，其中清洁性佳、热值高、可再生、零污染的氢能源成了首选目标，氢燃料动力也是目前全球公认的清洁能源动力终极解决方案，随着储氢技术的发展，氢燃料动力也将成为低碳、零碳船舶动力的重要发展方向1。氢燃料动力装置中燃料电池具有效率高、功率密度高、舒适性好等优势2。储氢供氢的船上适应性成了氢燃料电池船一个不可规避的问题。本研究以正在建造的氢燃料电池动力船“三峡氢舟 1”为例，就高压储供氢系统在船上的适应 收稿日期：2023-05-29 作者简介：付树木（1982-），男，山东滨州人，高级工程师，从事船舶建造检验工作.（）性问题展开讨论。1 适用性标准 目前氢燃料电池发电装置在船上应用仍处于起步阶段，相对于比较成熟的陆用标准3-5，船用标准正在不断完善中。中国船级社从 2017 年起发布了相关标准6-7，中国海事局 2022 年 3 月 7 日正式颁布了 氢燃料电池动力船舶技术与检验暂行规则8，各大船级社近几年也发布了多项相关规则规范9-11，IMO 在2022 年 6 月发布了海安会 MSC.1/Circ.1647 通函应用燃料电池发电装置船舶安全暂行指南，目前，标准、法规、规范正在不断积累完善。氢燃料电池发电第 4 期 付树木等，氢燃料电池高压储供氢系统船上适应性研究 31 装置在船舶的应用上，也可以借鉴已成熟的陆上标准，但由于陆上环境和船上环境有很大区别，应针对船上应用场景进行优化，使其适应船上使用要求。从已发布的国内国际标准、规则、规范来看，对氢燃料电池的储供氢系统的相关要求已经基本满足船上适应性的要求。2 储供氢系统材料选用 氢气黏性低，渗透性较高，与氢接触的所有组件使用的材料应具有抗氢脆性。研究表明，奥氏体不锈钢材料的镍含量大于 12%时，其微观组织为稳定的奥氏体组织，抗氢脆性好且稳定，故选用该类材料用于储供氢系统材料在国内外已有很好应用12。对奥氏体不锈钢材料的镍含量的分析表明，镍含量的高低对抗氢脆性有很大的影响，其中极低镍含量的铁素体合金会显著变脆，而镍含量高于 40%时抗氢脆性能也会逐渐降低，选择镍含量为 10%30%的奥氏体合金等耐氢材料即可避免氢脆13，如图 1 所示。目前，我国主要采用的不锈钢管国家标准和行业标准有 40 项左右，现行不锈钢管标准各有不同，具体对比情况见表 1。高压氢气不锈钢无缝管长期工作在高压、高纯氢气环境中，对材料的氢气相容性等使用特性有很高要求。图 1 奥氏体不锈钢氢相容图 Fig.1 Hydrogen compatibility diagram of austenitic stainless steel 表 1 各种标准对比表 Tab.1 Compartable of various standards 规范标准名称 设计压力 金属材料 Ni 含量 Ni 当量 其他化学成分 力学性能 GB/T 208782007 不锈钢和耐热钢牌号及化学成分 无要求 S31603 和 S31608 10%14%无要求 有要求 无要求 GB/T 149762012 流体输送用不锈钢无缝钢管 无要求 S31603 和 S31608 10%14%无要求 与GB/T 20878有差异 有要求 GB/T 402972021 高压加氢装置用奥氏体不锈钢无缝钢管 无要求 S31603 和 S31608 10%14%无要求 与GB/T 20878有差异 有要求 GB 505162021加氢站技术规范 无要求 S31603 12%28.5%无要求 符合 GB/T 14976 T/SSTA 2022022 加氢站高压管路用不锈钢无缝管 138MPa S31603 12.5%28.5%与GB/T 20878有差异 有要求 GB/T 297292022 氢系统安全的基本要求 41MPa S31603、S31608 等 无要求 无要求 无要求 无要求 41MPa S31603、S31608 12%14%28.5%与GB/T 20878有差异 有要求 GB 50177氢气站设计标准征求意见稿 20MPa S31603 12%28.5%无要求 无要求 CCS 材料与焊接规范 2022 无要求 S31603、S31608 10%14%无要求 与GB/T 20878相同 有要求 CCS船舶应用燃料电池发电装置指南2022 20MPa S31603、S31608 符合 CCS材料与焊接规范 符合 CCS 材料与焊接规范 符合 CCS材料与焊接规范 符合 CCS材料与焊接规范 从表 1 可以看出，氢环境常用金属材料 S31603和 S31608，镍含量大致相同。CCS 指南要求设计压力 20MPa 的管道采用 S31603、S31608 不锈钢，镍含量为 10%14%，故船用高压储供氢系统管材可选用S31603、S31608 不锈钢。“三峡氢舟 1”船上氢燃料用管采用的是美标 TP316L，查询 不锈钢和耐热钢牌号及化学成分（GB/T 208782007）附录 B 表 B.1，美标 TP316L 与国标 S31603 等效，因此本船使用美标TP316L不锈钢管满足国标GB/T 297292022和CCS指南要求。3 氢气储存 氢气黏性低，渗透性较高，易从焊缝、法兰、密封圈等处泄漏，因此氢气的储存尤为关键，常用的氢气储存方式见表 2。压缩氢气的储氢方式具有成本低、充放效率高、对环境污染较小等优点，但是由于容器的空间限制，压缩方式储氢量有限。为了提高船舶续航里程，需要提高船舶氢燃料的携带量，在有限的压缩容器内要提高储氢量往往需要控制压力在 35MPa 或以上，而过32 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 高的储存压力势必造成气体压缩时巨大的能量损耗，岸基加氢成本也会随着储存压力增大而大幅提高。表 2 储氢方式表 Tab.2 Hydrogen storage mode table 储氢方式 优点 缺点 改进方法 压缩氢气 较 为 成 熟；商用 容积有限；需要高压缩能；安全性差 开发设计安全性高且成本低的储罐 液氢 较 为 成 熟；商用 氢气容易逸出；安全问题；液化过程的能量损失较大 加强热管理措施以减少液氢蒸发过程造成的逃逸；改进容器绝热性能 金属氢化物 安全性能好；体积密度高 在较高温度储氢效率高；可逆性差；质量密度低 提高氢动力学；合理的吸附、脱附热管理；材料轻量化 碳质储氢 材 料 易 得，机理简单；储氢效率高 体积密度低；实际利用的氢气有限 增加材料与氢的结合能；改变材料结构，优化材料性能 船上高压储氢装置标准的选择，暂行规定和 CCS指南都直接引用了国家标准车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶（GB/T 35544）14。氢气瓶瓶体、瓶阀、温度驱动安全泄放装置的结构和材料暂行规则和指南指向 气瓶安全技术规程（TSG 232021）需要满足的安全技术规程要求。目前，已生产出公称工作压力 35MPa、70MPa 的氢气瓶，“三峡氢舟 1”采用的是公称工作压力 35MPa的氢气瓶，并签发了产品证书（CQ22PPS00849）。4 船用高压储供氢系统施工流程及工艺 4.1 焊接工艺 高压氢燃料用管在船上首次使用，根据 CCS材料与焊接规范的要求，在焊接工作前应进行焊接工艺认可。“三峡氢舟 1”供氢管采用 TP316L 小直径高压管，船上很少使用常规动力。船上空间狭小，施工难度大，对采用手工焊的焊工焊接操作技能要求高，而电子工业工厂特种气体系统和核电厂氢气双壁管施工常用的全自动化焊接给船上氢燃料管焊接提供了很好的借鉴。全自动化焊接设备对焊接操作工技能要求远远低于手工焊，焊接成型好、焊接质量稳定可靠，且几乎不受空间限制，很好地解决了船上焊接难题。由于船上与陆上对焊接的要求不同，需要按照CCS材料与焊接规范进行焊接工艺认可。负责对自动化焊接设备进行参数设置或调节的焊接操作工需要参照 ISO 14732 要求进行能力认证并持有焊工能力认证证书，焊接操作工能力认证可结合焊接工艺试验进行。“三峡氢舟 1”氢气管采用管管对接钨极气体保护焊，单面无衬垫单道焊一次成型，焊机采用的是昆山固途工具有限公司的 M200 型自动焊机，直流反接脉冲电流。自动焊机焊接成型好，焊接质量稳定可靠，已顺利通过 CCS 焊接工艺评定。4.2 无损探伤 氢燃料双壁管的内外管无损探伤比例在暂行规定中无明确规定。CCS 指南关于氢燃料管系的制造、工艺和试验仅原则性指向 CCS船舶应用天然气燃料规范第 13 章的适用要求，也就是设计压力高于1.0MPa的对接焊接头进行100%射线或超声波检查，双壁管外管的对接焊接头射线或超声波检查范围可减少至 10%。加氢站技术规范（GB 505162021）要求氢气管道的对接焊接接头外观检查合格后，按现行行业标准承压设备无损检测第 2 部分：射线检测（NB/T 47013.2）的规定对接头进行 100%射线检测。“三峡氢舟 1”氢气管的对接焊接头采用自动焊接工艺焊接，焊接质量稳定可靠，双壁管内管 100%、外管 10%射线检测，所有焊缝无损探伤一次性全部合格。建议船级社根据船舶实际应用经验和现行行业标准在 CCS 指南中明确无损探伤比例，并在采用自动焊接工艺焊接时允许逐渐减少无损探伤比例。4.3 双壁管安装 暂行规则要求氢燃料管路穿过围蔽处所时采用双壁管，但对双壁管内管和外管之间支架的安装形式无明确要求，CCS 指南只有一些原则性要求。施工人员按照特种气体系统工程技术标准（GB 506462020）在双壁管的内管和外管之间安装弹簧进行隔离，与 CCS 指南原则性要求不符。相对于陆上环境，船上环境振动大，管路安装应防止相邻部件碰撞和摩擦，陆上标准不再适用于船上。天然气用双壁管在船上已有多年应用经验，氢燃料双壁管的安装可借鉴船用天然气双壁管的安装经验，目前已有团体标准双燃料船舶双壁管设计、制作及安装要求（T/CANSI 182020）、船用燃气输送双壁管（T/ZZB 29242022）等标准可以借鉴。4.4 液压试验和气密试验 船用储供氢系统高压管经过选材、制作、焊接后，依据规范标准要求，管路制造完工后在装船前进行高于设计压力的强度液压试验，各种标准规范对试验强度液压力和介质的要求也各不相同，具体见表 3。第 4 期 付树木等，氢燃料电池高压储供氢系统船上适应性研究 33 表 3 各种标准液压试验对比表 Tab.3 Comparison table of various standard hydraulic tests 规范标准名称 液压试验介质 液压试验压力 气压试验代替 液压试验 气压试验介质 试验压力 免除液压试验 GB 501772005 氢气站设计规范 水 1.5 倍设计压力 未明确 未明确 GB 505172010 石油化工金属管道工程施工质量验收规范 洁净水，氯离子含量不得超过 50mg/L 1.5 倍设计压力 可以 空气，或其他无毒、非可燃气体 设 计 规 定 或1.15 倍设计压力 未明确 GB/T 322702015压力管道规范动力管道 洁净水，氯离子含量不得超过 50mg/L 1.5 倍设计压力 可以 空气，或其他不易燃、无毒、无腐蚀的气体 1.15 倍设计压力 未明确 ASME B31.122019 Hydrogen Piping and Pipelines 水或其他无毒液体 1.5 倍设计压力 业主或设计者认为液压试验不切实际时 空气，或其他不易燃和无毒的气体 不低于1.1倍设计压力，同时不超过规定值 业主或设计者认为液压试验和气压试验都不切实际时，满足规定条件可免除 GB/T 20801.52020压力管道规范工业管道第 5 部分检验与试验 洁净水，氯离子含量不得超过 50mg/L 1.5 倍设计压力 业主或设计者认为液压试验不切实际时 干 燥 洁 净 的 空气、氮气，或其他不易燃和无毒的气体 不低于1.1倍设计压力，同时不超过规定值 业主或设计者认为液压试验和气压试验都不切实际时，满足规定条件可免除 GB 505162021 加氢站技术规范 氮气或干燥无油空气 1.05 倍1.10倍设计压力 未明确 GB 50177 氢气站设计标准征求意见稿 空气或氮气 1.1 倍设计压力 未明确 钢质海船级入级规范2022 未明确 1.5 倍设计压力 未明确 内径小于 15mm 的管子；对接焊焊缝的整个圆周均应经超声波或射线检测，并取得良好结果 船舶应用天然气燃料规范 2021 适当流体 液体管路：1.5倍设计压力；蒸气管路：1.5 倍系统最大工作压力 未明确 未明确 综合表 3 中的船舶规范和陆上行业标准，“三峡氢舟 1”依据氢气站设计规范（GB 501772005）、加氢站技术规范（GB 505162021）和船舶应用天然气燃料规范 2021，储供氢管路在装船前按照 1.5倍设计压力进行液压试验，在装船后氢气管道系统按照 1.051.10 倍设计压力进行气密试验；试验介质为氮气。4.5 泄漏 由于氢气易扩散、易渗漏，船舶应用燃料电池发电装置指南 2022 对泄漏试验做了原则性规定，要求使用合适的试验气体验证气体燃料的管路、阀和连接件没有泄漏，但未明确试验方法。可参考 GB 505162021 或质子交换膜燃料电池供氢系统技术要求（GB/T 348722017）进行泄漏试验。5 结论 综上所述，本文介绍了船用氢燃料电池涉氢系统适用性在各种规范标准中的不同要求；结合“三峡氢舟 1”新船建造检验，从氢气储存方式，储供氢管系的选材、焊接工艺、焊接方式、无损探伤、双壁管安装、管系的液压及气密试验分析了其适用性和标准规范的依据；给出高压储供氢系统建造的工艺流程和方法，为氢燃料电池船的推广应用提供实用样例。参考文献：1 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