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目前， 高压储氢是加氢站的主流储氢方式 。根据氢气加注压力， 加氢站分为35MPa和70MPa两类。我国绝大多数在用或在建的是35MPa 加氢站。为了适应燃料电池汽车供氢系统压力逐渐从35MPa增加到70MPa的需求，加氢站的加注压力提高到70MPa已到了十分紧迫的地步。由于加氢站主要利用储氢容器和车载供氢系统间的压力差进行加氢，因此储氢容器的压力应当高于供氢系统，其设计压力往往超过40MPa，比石油加氢反应器、煤加氢反应器、普通氢气瓶的压力都要高。由于储存压力高， 储存介质易燃易爆，且容器材料有发生氢脆的倾向，加氢站用高压储氢容器(以下简称储氢容器) 具有潜在的泄漏和爆炸危险 。在加氢站建设初期， 研究储氢容器的特点、风险及其建造和使用管理基本安全技术要求，对保障储氢容器安全、促进氢能健康发展具有重要意义。1 储氢容器基本特点
1．1 基本特点
(1) 高压常温且氢气纯度高， 具有高压氢环境氢脆的危险。 35MPa加氢站储氢容器的设计压力一般取45，47，50MPa; 70MPa 加氢站储氢容器的设计压力通常取82，87.5，98，103 MPa。在正常工作条件下，储氢容器壳体金属温度主要取决于大气环境温度。为满足氢燃料电池汽车用氢气的高纯度要求， 储氢容器中氢气的纯度在 99.999%以上 。长期在高压和常温氢气环境中工作，储氢容器材料可能会产生高压氢环境氢脆，导致塑性损减、疲劳裂纹扩展速率加快和耐久性下降，严重威胁储氢容器的安全使用。
(2) 压力波动频繁且范围大， 具有低周疲劳破坏危险(商用站尤为如此)。 目前，在设计寿命期限内加氢站用储氢容器的压力波动次数通常为103～105 次，属于低周疲劳范畴。其中移动(示范) 站储氢容器的压力波动次数较少， 而固定( 商用) 站的波动次数较多。此外，站用储氢容器的压力波动范围较大，通常为20% ～ 80%的设计压力(或者对应气瓶公称工作压力) 。因此，加氢站用储氢容器的疲劳失效问题非常突出， 设计时必须考虑疲劳失效。与加氢站用储氢容器相似，压缩天然气加气站用储罐也储存有大量易燃易爆介质，且压力也有波动，但其压力波动范围小，疲劳失效问题并不突出。
( 3) 容积大，压缩能量多，氢气易燃易爆，失效危害严重。
根据 GB 50516—2010《加氢站技术规范》规定，一级、二级、三级加氢站的储氢量分别为8000，4000，1000kg。对于三级站，按储存压力45MPa、温度20℃计算，储氢容器的容积约为35m3，即需用 900L的高压容器至少39台。每台容器的物理爆炸能量相当于18.4kg TNT 炸药，一旦发生爆炸，产生的冲击波、碎片、高温危害严重。
(4) 面向公众，涉及公共安全。
加氢站( 特别是城市建成区加氢站) 一般靠近道路， 其附近往往人流较密集、车流量较大， 因此面向公众， 涉及公共安全， 一旦发生爆炸， 将会危及人民生命和财产安全，造成巨大损失，引起恐慌，社会影响恶劣 。
1.2 常用材料
储氢容器常用材料为Cr－Mo钢、6061铝合金、316L等。对于Cr－Mo钢，我国常用材料为ASTM A519 4130X(相当于我国材料30CrMo) ，日本为SCM 435和SNCM 439、美国为SA 372 Gr.J。4130X 和日本SCM 430、美国SA 372 Gr.E 具有相近的化学成分和力学性能。2 Cr － Mo 钢高压氢环境氢脆
2.1 高压氢环境氢脆
氢脆可大致分为氢反应氢脆、内部可逆氢脆和高压氢环境氢脆。氢反应氢脆是指溶解在金属晶格中的原子氢与自身结合成氢分子H2或与基体中的其他化学元素(如碳等) 反应生成气体，或者自发地、或在应变诱导下与基体中的合金元素产生氢化物MHX，从而引起材料的不可逆损伤。内部可逆氢脆是指金属材料在冶炼或加工过程(如电镀、酸洗) 中吸收了过量氢并溶解到金属晶格内，在应力作用下，晶格内的氢扩散、偏聚在裂纹***等应力三轴度较大的局部区域并达到饱和，进而引起的塑性损减和氢致开裂。高压氢环境氢脆是指高压氢气环境中的氢进入金属后，在应力及氢的联合作用下，局部氢浓度达到临界值时， 发生金属延性和韧性损减或氢致滞后断裂的现象。高压氢环境氢脆与内部可逆氢脆都存在氢的溶解、扩散和偏聚过程， 都会引起氢致开裂失效，但由于氢的来源不同，二者的失效机理和主导控制因素并不相同。显然，储氢容器面临的氢脆为高压氢环境氢脆，氢的来源为高压氢气，其特点为氢的侵入传输与受力(变形)同时发生。 2.2 氢脆试验方法
金属材料氢脆试验方法大致可分为两类: 一类用于材料初步筛选，快速评价材料是否可用于制造临氢零部件，如圆片试验、氢致开裂应力强度因子门槛值试验等; 另一类用于材料力学性能原位测试，为临氢零部件设计或者材料适用性评估提供性能数据，如慢应变速率拉伸试验、疲劳裂纹扩展速率试验、疲劳寿命试验等，详见表1。
2.3 Cr－Mo钢氢脆特性
美国圣地亚国家实验室(SNL) 、日本产业技术综合研究所(AIST) 、九州大学和浙江大学等科研机构对Cr－Mo钢的高压氢环境氢脆开展了较为系统和深入的研究。研究表明，Cr－Mo钢高压氢环境氢脆具有以下特点。 (1) 对拉伸性能的影响。当热处理后材料抗拉强度不超过950MPa 时， 在颈缩之前，高压氢气对材料的拉伸性能几乎没有影响，氢气的影响主要
发生在颈缩后，屈服强度和抗拉强度变化很小， 但断面收缩率降低。例如，在92MPa高纯氢气中，4130X的抗拉强度和屈服强度比氩气中分别减小2.1%和2.3%,而断面收缩率减小24.0%;在115MPa氢气中，SCM 435 的抗拉强度比氮气中减小了1%～3% ，而断面收缩率减小了36% ～49%。
( 2) 对疲劳性能的影响。在高压氢气环境下，材料的疲劳裂纹扩展速率明显加快，通常是惰性气体环境下的 10 倍以上，但高压氢气对裂纹萌生阶段的加速作用相对较小。例如， 在92MPa高纯氢气中，4130X 的疲劳裂纹扩展速率是空气环境下的30～50倍; 在100MPa氢气中，SA － 372 Grade J 钢的疲劳裂纹扩展速率约为在惰性气体环境下的 100 倍。容积为35198 L、初始裂纹深度约为1.3mm的小型储氢容器的疲劳试验表明，氢气循环疲劳寿命往往不到油循环疲劳寿命的10%。( 3) 对裂纹开裂的影响。在高压氢气环境下，材料的氢致开裂应力强度因子门槛值(K1H)明显降低，且压力越高，降幅越大。例如，在4570MPa高压氢气中，4130X的K1H分别为52,32MPa·m1 /2，与空气中的值(125MPa·m1/2 ) 相比，下降幅度达58.4%和74.4%; 在 45，115 MPa高压氢气中，SCM 435的K1H值相较于空气中分别下降了10.2% 和 72.1%。 2.4 氢脆影响因素
Cr－Mo钢储氢容器的服役性能受到材料、制造、环境、应力等因素的综合影响，机理极为复杂，至今仍未完全探明。 2.4.1 材料
强度越高，在高压氢气环境下材料的塑性损减越明显，疲劳裂纹扩展速率越快，氢致开裂应力强度因子门槛值越小。Cr,Mo,V,Nb,W,Ti等元素，在钢中能形成比Fe3C更稳定的微细碳化物，可提高材料的抗氢脆性能; P，S，Si，Mn等元素，在钢的冶炼和轧制过程中易形成夹杂或偏聚，破坏了基体的连续性，在拉应力作用下易在界面处形成微孔隙和应力集中，促进钢的氢脆。 2.4.2 制造
材料表面越粗糙，疲劳寿命越低，这在高压氢气环境中尤为明显。热处理工艺、成形方式也会影响材料的组织、强度和抗氢脆性能。 2.4.3 环境
O2，SO2，CO，CS2，N2O 等杂质在钢表面的吸附能力较强，能够阻碍氢侵入材料内部，降低材料对氢脆的敏感程度，对氢脆起抑制作用。H2S等杂质能够破坏材料表面的氧化膜， 并使得材料表面变得粗糙，增强材料对氢脆的敏感程度，因此对氢脆有促进作用。水蒸气的作用较为复杂，在一些情况下起抑制作用，在另一些情况下起促进作用。 随着氢气压力增加， 材料对氢脆的敏感性增加。例 如， 当 氢 气 压 力 从 1 MPa 增 加 至90 MPa，SCM 435 的疲劳裂纹扩展速率增加约 30倍。氢气压力对材料力学性能的影响在低压时比在高压时更明显， 但当压力增大至某一阈值时，材料力学性能不再发生明显变化。 温度也是金属材料氢脆的重要影响因素， 通常在某一温度或温度范围时， 金属材料的氢脆更为严重。4130X 钢在室温下的疲劳裂纹扩展速率。 2.4.4 应力
加载速率越小，材料的氢脆敏感程度越高，但在一定的条件下，当加载速率降低至一定值时，材料的氢脆敏感程度反而突然间降低 。疲劳裂纹扩展速率随应力强度因子增大而加快。 3 储氢容器失效预防
3．1 失效模式
储氢容器的失效模式主要包括塑性垮塌、脆性断裂、疲劳、局部过度应变和泄漏等 5 种。 ( 1) 塑性垮塌。储氢容器的压力源是压缩机，储氢容器设计压力通常取压缩机的排气压力。容器因物理超压发生塑性垮塌的可能性不大， 但因置换不当等原因， 有可能引起化学爆炸，导致储氢容器失效。 ( 2) 脆性断裂。储氢容器往往存在制造缺陷或者使用中产生的缺陷。在高压氢气环境下， 材料的氢致开裂应力强度因子门槛值降低， 这有可能导致缺陷快速扩展，使储氢容器发生脆性断裂。 ( 3) 疲劳。在频繁的压力波动作用下， 储氢容器会在应力集中部位产生局部的***损伤， 并在一定压力波动次数后形成裂纹或者裂纹进一步扩展造成断裂。高压氢气会加速疲劳裂纹扩展速率，降低应力强度因子门槛值，疲劳是储氢容器的主导失效模式。
( 4) 局部过度应变。在储氢容器结构不连续区， 如螺纹根部， 有可能在储氢容器塑性垮塌之前，就因韧性耗尽产生裂纹而失效。 ( 5) 泄漏。与金属相比， 高压氢气更容易侵入非金属材料， 导致材料物理性能和化学性能劣化。高压储氢容器通常采用 O 形密封圈， 材料为非金属材料，有可能在高压氢气作用下失效。 3.2 失效预防
3.2.1 美国 ASME BPVC Ⅷ－3 KD－10
2007年，美国机械工程师学会锅炉压力容器规范第Ⅷ篇第3分篇KD－ 10对储氢容器提出了专项技术要求(ASME BPVC Ⅷ－3 KD－10 Special Requirements for Vessels in Hydrogen Service) 。 KD－10的适用范围为: 氢气分压大于41MPa或者材料抗拉强度大于 945 MPa 且氢气分压大于 5．2 MPa 的无焊缝容器; 氢气分压大于17 MPa或者材料抗拉强度大于 620 MPa 且氢气分压大于 5.2 MPa 的焊接容器。41 MPa 压力下限依据的是气瓶的成功使用经验。KD－10 要求测量材料的平面应变断裂韧度、氢致开裂应力强度因子门槛值和疲劳裂纹扩展速率，并采用断裂力学方法对储氢容器进行疲劳评定。 3．2．2 日本 JPEC － TD － 003
在日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的资助下，经过日本石油能源中心(JPEC) 、高压气体安全协会(KHK) 、九州大学等单位专家两年多时间的共同努力， 日本近日颁布了JPEC－TD－003《加氢站用低合金钢制储氢容器专项技术要求》。其目的主要有两个: 一是提供实践，预防储氢容器失效; 二是指导企业获得 KHK 的特别许可。 JPEC－TD－003适用于工作压力超过40 MPa、工作温度不低于－30 ℃ 且不高于85 ℃、设计压力不超过氢气环境中材料试验压力的非焊接容器。 JPEC－TD－003 重点关注储氢容器材料的氢相容性和力学性能一致性，以及容器的强度、寿命和失效模式(要求为未爆先漏) ， 并从材料、设计、制造和检验等方面提出技术要求。(1) 材料。从储氢容器内表面环向取拉伸试样，先以高纯氢气为介质，在设计压力和***设计金属温度下进行慢应变速率拉伸试验， 再以空气或惰性气体为介质，在设计压力和***设计金属温度下进行慢应变速率拉伸试验，比较两种试验的应力－位移曲线。如果氢气环境中曲线点的位移超过空气或者惰性气体中曲线点的位移，则材料与氢相容，否则不相容。 (2) 设计。规定许用应力确定方法和疲劳寿命评估方法。 1) 许用应力。根据ASME BPVC Ⅷ－1: 1998确定许用应力，即抗拉强度安全系数nb≥4.0、屈服强度安全系数ns≥1.5。
2) 疲劳分析。先在空气中进行疲劳试验，通过应力幅(S)－循环次数(N) 曲线获得疲劳极限，再对储氢容器进行详细的应力分析，计算等效应力幅Seq， 然后以高纯氢气为介质， 在设计压力下按应力幅Seq2(取Seq2≥2Seq，且不得超过疲劳极限)进行疲劳试验，试样不得在储氢容器设计寿命(循环次数) 前失效。
3) 疲劳裂纹扩展分析。假设初始允许裂纹尺寸(深度∶长度=1∶3， 磁粉检测、渗透检测和自动涡流检测时，裂纹长度 1.6 mm; 超声检测时，如果壁厚在 16 ～ 51 mm 之间， 裂纹深度为 1． 1 mm，壁厚≥51 mm 时，裂纹深度为 1． 6 mm) ，根据高压氢气环境中的疲劳裂纹扩展速率上限， 计算裂纹扩展至临界裂纹深度 ac 的总循环次数 Nc 和裂纹扩展至 1 /4ac 的总循环次数 Np，取 Np 和 1 /2Nc 中的较小值为允许压力波动次数。在检验周期内，压力波动次数不得超过允许值。
(3) 制造。规定了材料强度、硬度、冲击吸收能量和未爆先漏要求。
1) 强度。材料制造单位应当向储氢容器制造单位提供与氢气相容时材料的抗拉强度，以及设计温度下材料的屈服强度和抗拉强度; 储氢容器制造单位应当对屈服强度和抗拉强度进行复验。
2) 硬度。为判断材料性能的均匀性，沿厚度方向在容器近内表面、1 /4 壁厚、1 /2 壁厚、3 /4 壁厚和近外表面处，测量维式硬度或者洛氏硬度。根据硬度和抗拉强度的关系，估算***小抗拉强度和近内表面处的抗拉强度。近内表面的抗拉强度不得超过材料制造单位提供的抗拉强度，***小抗拉强度不得低于设计温度下材料的抗拉强度下限值。
3) 冲击吸收能量。为判断材料在设计温度下的韧性，在储氢容器近内表面 C － R 方向( 载荷方向为环向、缺口方向为径向) 取 3 个夏比冲击试样，3 个试样冲击吸 收 能 量 平 均 值 不 得 低 于40 J，单个试样冲击吸收能量不得低于 32 J。4) 未爆先漏。为验证未爆先漏， 在储氢容器近内表面 C － R 方向取紧凑拉伸试样， 在***设计金属温度下测量平面应变断裂韧度 KIC，取两者的***小值，根据 KHKS 0220 进行未爆先漏分析。
(4) 无损检测。对储氢容器内表面进行无损检测，证实缺陷尺寸小于允许值。锻件采用超声检测、磁粉检测和渗透检测; 无缝管采用超声检测、磁粉检测、渗透检测和自动涡流检测。
1．1 基本特点
(1) 高压常温且氢气纯度高， 具有高压氢环境氢脆的危险。 35MPa加氢站储氢容器的设计压力一般取45，47，50MPa; 70MPa 加氢站储氢容器的设计压力通常取82，87.5，98，103 MPa。在正常工作条件下，储氢容器壳体金属温度主要取决于大气环境温度。为满足氢燃料电池汽车用氢气的高纯度要求， 储氢容器中氢气的纯度在 99.999%以上 。长期在高压和常温氢气环境中工作，储氢容器材料可能会产生高压氢环境氢脆，导致塑性损减、疲劳裂纹扩展速率加快和耐久性下降，严重威胁储氢容器的安全使用。
(2) 压力波动频繁且范围大， 具有低周疲劳破坏危险(商用站尤为如此)。 目前，在设计寿命期限内加氢站用储氢容器的压力波动次数通常为103～105 次，属于低周疲劳范畴。其中移动(示范) 站储氢容器的压力波动次数较少， 而固定( 商用) 站的波动次数较多。此外，站用储氢容器的压力波动范围较大，通常为20% ～ 80%的设计压力(或者对应气瓶公称工作压力) 。因此，加氢站用储氢容器的疲劳失效问题非常突出， 设计时必须考虑疲劳失效。与加氢站用储氢容器相似，压缩天然气加气站用储罐也储存有大量易燃易爆介质，且压力也有波动，但其压力波动范围小，疲劳失效问题并不突出。
( 3) 容积大，压缩能量多，氢气易燃易爆，失效危害严重。
根据 GB 50516—2010《加氢站技术规范》规定，一级、二级、三级加氢站的储氢量分别为8000，4000，1000kg。对于三级站，按储存压力45MPa、温度20℃计算，储氢容器的容积约为35m3，即需用 900L的高压容器至少39台。每台容器的物理爆炸能量相当于18.4kg TNT 炸药，一旦发生爆炸，产生的冲击波、碎片、高温危害严重。
(4) 面向公众，涉及公共安全。
加氢站( 特别是城市建成区加氢站) 一般靠近道路， 其附近往往人流较密集、车流量较大， 因此面向公众， 涉及公共安全， 一旦发生爆炸， 将会危及人民生命和财产安全，造成巨大损失，引起恐慌，社会影响恶劣 。
1.2 常用材料
储氢容器常用材料为Cr－Mo钢、6061铝合金、316L等。对于Cr－Mo钢，我国常用材料为ASTM A519 4130X(相当于我国材料30CrMo) ，日本为SCM 435和SNCM 439、美国为SA 372 Gr.J。4130X 和日本SCM 430、美国SA 372 Gr.E 具有相近的化学成分和力学性能。2 Cr － Mo 钢高压氢环境氢脆
2.1 高压氢环境氢脆
氢脆可大致分为氢反应氢脆、内部可逆氢脆和高压氢环境氢脆。氢反应氢脆是指溶解在金属晶格中的原子氢与自身结合成氢分子H2或与基体中的其他化学元素(如碳等) 反应生成气体，或者自发地、或在应变诱导下与基体中的合金元素产生氢化物MHX，从而引起材料的不可逆损伤。内部可逆氢脆是指金属材料在冶炼或加工过程(如电镀、酸洗) 中吸收了过量氢并溶解到金属晶格内，在应力作用下，晶格内的氢扩散、偏聚在裂纹***等应力三轴度较大的局部区域并达到饱和，进而引起的塑性损减和氢致开裂。高压氢环境氢脆是指高压氢气环境中的氢进入金属后，在应力及氢的联合作用下，局部氢浓度达到临界值时， 发生金属延性和韧性损减或氢致滞后断裂的现象。高压氢环境氢脆与内部可逆氢脆都存在氢的溶解、扩散和偏聚过程， 都会引起氢致开裂失效，但由于氢的来源不同，二者的失效机理和主导控制因素并不相同。显然，储氢容器面临的氢脆为高压氢环境氢脆，氢的来源为高压氢气，其特点为氢的侵入传输与受力(变形)同时发生。 2.2 氢脆试验方法
金属材料氢脆试验方法大致可分为两类: 一类用于材料初步筛选，快速评价材料是否可用于制造临氢零部件，如圆片试验、氢致开裂应力强度因子门槛值试验等; 另一类用于材料力学性能原位测试，为临氢零部件设计或者材料适用性评估提供性能数据，如慢应变速率拉伸试验、疲劳裂纹扩展速率试验、疲劳寿命试验等，详见表1。
2.3 Cr－Mo钢氢脆特性
美国圣地亚国家实验室(SNL) 、日本产业技术综合研究所(AIST) 、九州大学和浙江大学等科研机构对Cr－Mo钢的高压氢环境氢脆开展了较为系统和深入的研究。研究表明，Cr－Mo钢高压氢环境氢脆具有以下特点。 (1) 对拉伸性能的影响。当热处理后材料抗拉强度不超过950MPa 时， 在颈缩之前，高压氢气对材料的拉伸性能几乎没有影响，氢气的影响主要
发生在颈缩后，屈服强度和抗拉强度变化很小， 但断面收缩率降低。例如，在92MPa高纯氢气中，4130X的抗拉强度和屈服强度比氩气中分别减小2.1%和2.3%,而断面收缩率减小24.0%;在115MPa氢气中，SCM 435 的抗拉强度比氮气中减小了1%～3% ，而断面收缩率减小了36% ～49%。
( 2) 对疲劳性能的影响。在高压氢气环境下，材料的疲劳裂纹扩展速率明显加快，通常是惰性气体环境下的 10 倍以上，但高压氢气对裂纹萌生阶段的加速作用相对较小。例如， 在92MPa高纯氢气中，4130X 的疲劳裂纹扩展速率是空气环境下的30～50倍; 在100MPa氢气中，SA － 372 Grade J 钢的疲劳裂纹扩展速率约为在惰性气体环境下的 100 倍。容积为35198 L、初始裂纹深度约为1.3mm的小型储氢容器的疲劳试验表明，氢气循环疲劳寿命往往不到油循环疲劳寿命的10%。( 3) 对裂纹开裂的影响。在高压氢气环境下，材料的氢致开裂应力强度因子门槛值(K1H)明显降低，且压力越高，降幅越大。例如，在4570MPa高压氢气中，4130X的K1H分别为52,32MPa·m1 /2，与空气中的值(125MPa·m1/2 ) 相比，下降幅度达58.4%和74.4%; 在 45，115 MPa高压氢气中，SCM 435的K1H值相较于空气中分别下降了10.2% 和 72.1%。 2.4 氢脆影响因素
Cr－Mo钢储氢容器的服役性能受到材料、制造、环境、应力等因素的综合影响，机理极为复杂，至今仍未完全探明。 2.4.1 材料
强度越高，在高压氢气环境下材料的塑性损减越明显，疲劳裂纹扩展速率越快，氢致开裂应力强度因子门槛值越小。Cr,Mo,V,Nb,W,Ti等元素，在钢中能形成比Fe3C更稳定的微细碳化物，可提高材料的抗氢脆性能; P，S，Si，Mn等元素，在钢的冶炼和轧制过程中易形成夹杂或偏聚，破坏了基体的连续性，在拉应力作用下易在界面处形成微孔隙和应力集中，促进钢的氢脆。 2.4.2 制造
材料表面越粗糙，疲劳寿命越低，这在高压氢气环境中尤为明显。热处理工艺、成形方式也会影响材料的组织、强度和抗氢脆性能。 2.4.3 环境
O2，SO2，CO，CS2，N2O 等杂质在钢表面的吸附能力较强，能够阻碍氢侵入材料内部，降低材料对氢脆的敏感程度，对氢脆起抑制作用。H2S等杂质能够破坏材料表面的氧化膜， 并使得材料表面变得粗糙，增强材料对氢脆的敏感程度，因此对氢脆有促进作用。水蒸气的作用较为复杂，在一些情况下起抑制作用，在另一些情况下起促进作用。 随着氢气压力增加， 材料对氢脆的敏感性增加。例 如， 当 氢 气 压 力 从 1 MPa 增 加 至90 MPa，SCM 435 的疲劳裂纹扩展速率增加约 30倍。氢气压力对材料力学性能的影响在低压时比在高压时更明显， 但当压力增大至某一阈值时，材料力学性能不再发生明显变化。 温度也是金属材料氢脆的重要影响因素， 通常在某一温度或温度范围时， 金属材料的氢脆更为严重。4130X 钢在室温下的疲劳裂纹扩展速率。 2.4.4 应力
加载速率越小，材料的氢脆敏感程度越高，但在一定的条件下，当加载速率降低至一定值时，材料的氢脆敏感程度反而突然间降低 。疲劳裂纹扩展速率随应力强度因子增大而加快。 3 储氢容器失效预防
3．1 失效模式
储氢容器的失效模式主要包括塑性垮塌、脆性断裂、疲劳、局部过度应变和泄漏等 5 种。 ( 1) 塑性垮塌。储氢容器的压力源是压缩机，储氢容器设计压力通常取压缩机的排气压力。容器因物理超压发生塑性垮塌的可能性不大， 但因置换不当等原因， 有可能引起化学爆炸，导致储氢容器失效。 ( 2) 脆性断裂。储氢容器往往存在制造缺陷或者使用中产生的缺陷。在高压氢气环境下， 材料的氢致开裂应力强度因子门槛值降低， 这有可能导致缺陷快速扩展，使储氢容器发生脆性断裂。 ( 3) 疲劳。在频繁的压力波动作用下， 储氢容器会在应力集中部位产生局部的***损伤， 并在一定压力波动次数后形成裂纹或者裂纹进一步扩展造成断裂。高压氢气会加速疲劳裂纹扩展速率，降低应力强度因子门槛值，疲劳是储氢容器的主导失效模式。
( 4) 局部过度应变。在储氢容器结构不连续区， 如螺纹根部， 有可能在储氢容器塑性垮塌之前，就因韧性耗尽产生裂纹而失效。 ( 5) 泄漏。与金属相比， 高压氢气更容易侵入非金属材料， 导致材料物理性能和化学性能劣化。高压储氢容器通常采用 O 形密封圈， 材料为非金属材料，有可能在高压氢气作用下失效。 3.2 失效预防
3.2.1 美国 ASME BPVC Ⅷ－3 KD－10
2007年，美国机械工程师学会锅炉压力容器规范第Ⅷ篇第3分篇KD－ 10对储氢容器提出了专项技术要求(ASME BPVC Ⅷ－3 KD－10 Special Requirements for Vessels in Hydrogen Service) 。 KD－10的适用范围为: 氢气分压大于41MPa或者材料抗拉强度大于 945 MPa 且氢气分压大于 5．2 MPa 的无焊缝容器; 氢气分压大于17 MPa或者材料抗拉强度大于 620 MPa 且氢气分压大于 5.2 MPa 的焊接容器。41 MPa 压力下限依据的是气瓶的成功使用经验。KD－10 要求测量材料的平面应变断裂韧度、氢致开裂应力强度因子门槛值和疲劳裂纹扩展速率，并采用断裂力学方法对储氢容器进行疲劳评定。 3．2．2 日本 JPEC － TD － 003
在日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的资助下，经过日本石油能源中心(JPEC) 、高压气体安全协会(KHK) 、九州大学等单位专家两年多时间的共同努力， 日本近日颁布了JPEC－TD－003《加氢站用低合金钢制储氢容器专项技术要求》。其目的主要有两个: 一是提供实践，预防储氢容器失效; 二是指导企业获得 KHK 的特别许可。 JPEC－TD－003适用于工作压力超过40 MPa、工作温度不低于－30 ℃ 且不高于85 ℃、设计压力不超过氢气环境中材料试验压力的非焊接容器。 JPEC－TD－003 重点关注储氢容器材料的氢相容性和力学性能一致性，以及容器的强度、寿命和失效模式(要求为未爆先漏) ， 并从材料、设计、制造和检验等方面提出技术要求。(1) 材料。从储氢容器内表面环向取拉伸试样，先以高纯氢气为介质，在设计压力和***设计金属温度下进行慢应变速率拉伸试验， 再以空气或惰性气体为介质，在设计压力和***设计金属温度下进行慢应变速率拉伸试验，比较两种试验的应力－位移曲线。如果氢气环境中曲线点的位移超过空气或者惰性气体中曲线点的位移，则材料与氢相容，否则不相容。 (2) 设计。规定许用应力确定方法和疲劳寿命评估方法。 1) 许用应力。根据ASME BPVC Ⅷ－1: 1998确定许用应力，即抗拉强度安全系数nb≥4.0、屈服强度安全系数ns≥1.5。
2) 疲劳分析。先在空气中进行疲劳试验，通过应力幅(S)－循环次数(N) 曲线获得疲劳极限，再对储氢容器进行详细的应力分析，计算等效应力幅Seq， 然后以高纯氢气为介质， 在设计压力下按应力幅Seq2(取Seq2≥2Seq，且不得超过疲劳极限)进行疲劳试验，试样不得在储氢容器设计寿命(循环次数) 前失效。
3) 疲劳裂纹扩展分析。假设初始允许裂纹尺寸(深度∶长度=1∶3， 磁粉检测、渗透检测和自动涡流检测时，裂纹长度 1.6 mm; 超声检测时，如果壁厚在 16 ～ 51 mm 之间， 裂纹深度为 1． 1 mm，壁厚≥51 mm 时，裂纹深度为 1． 6 mm) ，根据高压氢气环境中的疲劳裂纹扩展速率上限， 计算裂纹扩展至临界裂纹深度 ac 的总循环次数 Nc 和裂纹扩展至 1 /4ac 的总循环次数 Np，取 Np 和 1 /2Nc 中的较小值为允许压力波动次数。在检验周期内，压力波动次数不得超过允许值。
(3) 制造。规定了材料强度、硬度、冲击吸收能量和未爆先漏要求。
1) 强度。材料制造单位应当向储氢容器制造单位提供与氢气相容时材料的抗拉强度，以及设计温度下材料的屈服强度和抗拉强度; 储氢容器制造单位应当对屈服强度和抗拉强度进行复验。
2) 硬度。为判断材料性能的均匀性，沿厚度方向在容器近内表面、1 /4 壁厚、1 /2 壁厚、3 /4 壁厚和近外表面处，测量维式硬度或者洛氏硬度。根据硬度和抗拉强度的关系，估算***小抗拉强度和近内表面处的抗拉强度。近内表面的抗拉强度不得超过材料制造单位提供的抗拉强度，***小抗拉强度不得低于设计温度下材料的抗拉强度下限值。
3) 冲击吸收能量。为判断材料在设计温度下的韧性，在储氢容器近内表面 C － R 方向( 载荷方向为环向、缺口方向为径向) 取 3 个夏比冲击试样，3 个试样冲击吸 收 能 量 平 均 值 不 得 低 于40 J，单个试样冲击吸收能量不得低于 32 J。4) 未爆先漏。为验证未爆先漏， 在储氢容器近内表面 C － R 方向取紧凑拉伸试样， 在***设计金属温度下测量平面应变断裂韧度 KIC，取两者的***小值，根据 KHKS 0220 进行未爆先漏分析。
(4) 无损检测。对储氢容器内表面进行无损检测，证实缺陷尺寸小于允许值。锻件采用超声检测、磁粉检测和渗透检测; 无缝管采用超声检测、磁粉检测、渗透检测和自动涡流检测。
