3.1.1　固定式氢压力储罐

3.1.1.1　无缝压缩氢气储罐

固定式高压氢气储存设备主要应于在固定场所储存高压氢气，如加氢站、制氢站或电厂内的储气罐等，其特点是压力高，固定式使用，但是重量的限制不严，一般都采用较大容量的钢制压力容器。容器内氢气的储存量大，一旦发生泄漏爆炸事故，有可能造成严重损失和人员伤亡。

目前，高压氢气加氢站所用的储罐多为无缝压缩氢气储罐。这种储罐一般按照美国机械工程师学会锅炉压力容器规范第Ⅷ篇第1册的UF篇和附录22的规定用无缝钢管经过两端锻造收口而成，属于整体无焊缝结构[7]。常用材料为CrMo钢：SA372Gr.J CL65、SA372FGr.J CL70和SA372Gr.M CL A等。主要力学性能为：抗拉强度不小于724MPa、屈服强度不小于448MPa、延伸率（50mm）不小于18%[8]。无缝压缩氢气储罐的特点是制造过程中无需焊接，整个储罐为统一的无缝整体，其最大的优点是避免了焊接引起的裂纹、气孔、夹渣等缺陷，但有以下不足：

①单台设备的容积小 按美国机械工程师学会锅炉压力容器规范第Ⅷ篇第1册附录22“整体锻造容器”的规定，容器的内直径不得超过610mm，再加上无缝钢管长度的限制（一般在9m以内），无缝压缩氢气储罐的最大容积为2577L。当氢气储存量大时，往往需要多台容器通过用钢板或工字型钢制成的可拆卸的固定管架组合后并联使用，增加了氢气的泄漏点。

②无抑爆抗爆功能 无缝压缩氢气储罐通常采用高强度无缝钢管。提高材料的抗拉强度和屈服强度，有利于减薄储罐壁厚，降低重量，但韧性往往下降。若因腐蚀、疲劳及材料性能劣化（如氢脆）等原因导致储罐突然破裂，会导致所储存的氢气快速排到周围环境中，引起中毒、窒息或燃烧爆炸，造成严重损失。

③健康状态检测困难 无缝压缩氢气储罐的单层结构决定了其只能靠定期检验来确定储罐的安全状况，难以对储罐健康状况进行在线监测。

3.1.1.2　多功能全多层高压氢气储罐

为提高高压储氢的安全性，降低制造成本，浙江大学化工机械研究所郑津洋教授等研究开发了一种多功能全多层高压氢气储罐[9，10]。它由储罐主体和在线健康诊断系统两部分组成。该型储罐已经用于位于北京的中国第一座示范加氢站中，如图3-1所示。

图3-1　北京加氢站的高压储氢罐

多功能全多层高压氢气储罐主体由绕带筒体、双层半球形封头、加强箍和接管组成，如图3-2所示。绕带筒体由薄内筒、钢带层和外保护壳组成。薄内筒通常由钢板卷焊而成，其厚度一般为筒体总厚度的1/6～1/4。钢带层由多层宽80～160mm、厚4～8mm的热轧扁平钢带组成。钢带以相对于容器环向15°～30°倾角逐层交错进行多层多根预拉力缠绕，每根钢带的始末两端斜边用通常的焊接方法与双层封头和加强箍共同组成的斜面相焊接。外保护壳为厚3～6mm的优质薄板，以包扎方式焊接在钢带层外面。双层半球形封头的厚度按强度要求确定，由厚度相近的内外层钢板经冲压成型。在工作压力下，即使内半球形封头因裂纹扩展等原因，导致内层泄漏，外半球形封头也能承受工作压力的作用。外层半球形封头端部有与加强箍相配合的圆柱面和锥面。加强箍先由钢板卷焊成短筒节（对接焊接接头经100%无损检测合格），再加工成与外层半球形封头相配合的圆柱面和锥面。大接管与双层半球形封头通过角接或对接焊接接头连接，管径根据工艺要求确定。

图3-2 多功能全多层高压氢气储罐结构示意图

1—大接管；2—封头接管；3—加强箍；4—外保护壳；5—筒体接管；6—钢带层；7—内筒；8—斜面焊缝；9—外半球形封头；10—内半球形封头

在线健康诊断系统由主管路、传感器、显示报警仪、放空管、阻火器及防静电接地装置等组成，如图3-3所示。在罐体的外保护薄壳上部和两端的外层封头上开孔，并连接氢气泄漏收集接管。泄漏氢气通过接管进入主管道并通过放空管排放到安全的地方。放空管端部设有管端氢气阻火器和防静电接地装置，以保证安全。在接管附近设置传感器探头，实时监测氢气的浓度，传感器探头与信号显示报警仪相连。当有泄漏发生时，信号显示报警仪会显示大致的泄漏位置，并发出声、光报警。

图3-3　储氢容器在线健康诊断系统

1—储罐；2—传感器；3—显示报警仪；4—氢气阻火器；5—放空管；6—防静电接地装置

多功能全多层高压氢气储罐是在传统的扁平钢带倾角错绕式容器基础上发展的新结构。自从1964年中国首创扁平钢带倾角错绕式容器以来，已制造内径达ϕ1000mm的该型容器7000多台，主要产品有氨合成塔、甲醇合成塔、氨冷凝器、铜液吸收塔、水压机蓄能器及各种高压气体（空气、氦气、氮气和氢气）储罐，产生了重大社会效益和经济效益。该型容器已列入美国锅炉压力容器规范案例，即Case2229 Design of Layered Vessels Using Flat Ribbon Wound Cylindrical Shells，SectionⅧ，Division 1和Case2269 Design of Layered Vessels Using Flat Ribbon Wound Cylindrical Shells，SectionⅧ，Division 2，可用于制造设计压力在70MPa以内、直径为250～3000mm、设计温度不超过427℃的压力容器。多功能全多层高压氢气储罐具有以下优点：

①适用于制造高参数氢气储罐 随着压力和直径的提高，氢气储罐的壁厚增加。受加工能力和无缝钢管长度的限制，钢制无缝压缩氢气储罐的容积往往较小。多功能全多层高压氢气储罐由薄或中厚钢板和钢带组成，长度和壁厚不受限制。目前，中国已具备制造直径达2500mm、长度达25m的全多层高压容器的能力。

②具有抑爆抗爆功能 在工作压力下，失效方式为“只漏不爆”，不会发生整体脆性破坏。这是因为：内筒应力水平低，在钢带缠绕预拉力作用下，内筒沿环向、轴向同时收缩，收缩引起的压缩预应力可以部分甚至全部抵消工作压力引起的拉伸应力，使得内筒处于低应力水平；内筒与钢带材料性能优良，在材料化学成分和轧制状态相同的条件下，薄钢板、窄薄钢带的断裂韧性高于厚钢板，裂纹、分层等缺陷存在的可能性少，且尺寸小；钢带层摩擦阻力有“止裂”作用，当筒体承受内压时，若内筒上的裂纹开始扩展，位于裂纹上方的钢带层会在裂纹附近产生一些附加背压和阻止裂纹张开的摩擦力，抑制裂纹扩展；泄漏的介质不能剪断钢带层，内筒裂穿时，由于裂口不可能很大，泄漏的介质不足以剪断钢带层，只能通过钢带间隙形成的曲折通道，逐渐向外泄漏至外保护壳内。

③缺陷分散 储罐全长无深环焊缝，而绕带层与容器封头连接方式采用相互错开的阶梯状斜面焊缝代替传统的对接焊接结构，这样不仅增大焊缝承载面积，提高焊缝结构的可靠性，而且实现了筒体与封头应力水平的平滑过渡。

④健康状态可在线诊断 多功能全多层高压氢气储罐的双层封头结构和带有外保护薄壳的绕带结构给实施在线健康状态检测提供了条件。在罐体的外保护薄壳上部和两端的外层封头上开孔，并连接氢气泄漏收集接管。泄漏氢气通过接管进入主管道并通过放空管排放到安全的地方。在接管附近设置传感器探头，实时监测氢气的浓度，传感器探头与信号显示报警仪相连。当有泄漏发生时，信号显示报警仪会显示大致的泄漏位置，并发出声、光报警。

⑤制造经济简便 扁平绕带式容器的内筒厚度约为总壁厚的1/6～1/4，即使对于壁厚达200mm以上的大型容器，其内筒壁厚也只有30～50mm左右，仍为中厚板。因此内筒的制作并不困难，质量容易保证。容器厚度的大部分由绕带层组成，因此减少了大量焊接、无损检测和热处理的工作量，尤其是避免了深厚环焊缝和整体热处理。所用扁平钢带轧制简易、成本低廉。钢带窄，缠绕倾角较大，因此钢带端部切割简单，钢带与封头端部采用斜面焊接，不仅施焊容易而且质量可靠。制造过程中不需要采用大型重型设备和困难技术，除了需要一台绕带机床和采用特殊缠绕技术外，其他技术都类似于薄壁容器的制造技术，而且不需要起吊整台容器的重型厂房和桥式行车。

随着70MPa车载高压储氢容器的发展，固定式高压储氢容器的压力也对应提高，有的高达110MPa。浙江大学和巨化集团工程公司利用全多层高压储氢容器的研制经验，负责制定了国际上首部高压储氢容器国家标准（GB/T 26466《固定式高压储氢用钢带错绕式容器》），并成功研制了拥有自主知识产权的国际首台98MPa级全多层高压储氢容器[11]，实现了安全状态的远程在线监控，使高压氢气压力平衡充装方式得以实现，大大提高了氢气充装速率，实现了高压氢气的经济规模储存，达到国际领先水平，相关成果成功应用于丰田中国加氢站等。