關于高壓氣態儲氫罐防雷防靜電措施分析

劉 姣 楊禮科 楊 軍

（1.成都市防雷中心，四川 成都 610041；2.中國科學院大學，北京 100049）

前言：

氫能作為一種清潔、高效、安全、可持續的新能源，可有效減輕廢氣排放所造成的空氣污染、縮減外國石油進口和減少溫室氣體排放，因此，大力發展氫能源汽車是我國轉變能源消費結構、保障能源安全、使經濟保持可持續發展的重要舉措。加氫站有利于實現氫能利用，它是氫能燃料電池汽車、氫能燃料分布式發電等氫能利用技術推廣應用的必備基礎設施。

加氫站氫氣儲罐是高壓氣態氫儲存的關鍵設備，高壓儲氫罐由于材料結構上的缺陷和氫的理化性質，很容易遭受雷擊或產生靜電而引發火災。因此，做好儲氫罐的防雷防靜電措施，具有十分重要的意義。本文分析了儲氫裝置技術的發展和高壓氣態儲氫罐的結構材質，從高壓儲氫罐遭受雷擊或靜電引發火災的原因入手，提出防雷防靜電的技術措施，以加強加氫站的高壓儲氫罐的安全管理。

1.儲氫技術的發展

1.1 氫的儲存技術

現有的氫氣儲存技術包括高壓氣態儲氫、液氫儲存、金屬氫化物儲氫、低溫吸附儲氫、納米碳管高壓吸附儲氫以及液體有機氫化物儲氫等 ；高壓儲氫可在常溫下使用，具有儲氫罐結構簡單、壓縮氫氣制備的能耗較少、充裝速度快等優點, 已成為現階段氫能儲運的主要方式。低溫液態儲氫是將氫氣冷卻至-253℃，液化儲存于低溫絕熱液氫罐中，儲氫密度較高，但液化過程能耗較高，儲存過程中存在蒸發損耗問題。國內液氫已在航天工程中成功使用，民用還未開發。后面幾種儲氫方式現正在研發當中。

目前國內外已建汽車加氫站，基本上采用氫氣儲氣瓶組或固定儲氫罐兩種方式，氫氣儲氫瓶組有集裝式長管儲氣瓶，其儲氫量較大可達數千至數萬立方米，也有采用小容積氫氣鋼瓶儲氣，但氫氣儲氣量較小，且占地面積較大。20MPa高壓儲氫瓶組，通過長管拖運車運到加氫站，作一級儲氫。目前，車用氫氣儲瓶壓力有35MPa和70MPa兩種，車用35MPa氫瓶最高儲罐壓力為45MPa，車用70MPa氫瓶最高儲罐壓力為90MPa。

1.2 高壓氣態儲氫容器的發展

固定式儲氫高壓容器包括單層鋼質高壓容器、多層鋼質高壓容器和復合材料高壓容器，多層鋼質高壓儲存容器又分為層板包扎儲氫高壓容器和全多層儲氫高壓容器。復合材料高壓容器又分為鋼內膽玻璃增強纖維儲氫容器、鋼內膽碳纖維全纏繞容器、鋁內膽碳纖維全纏繞容器和塑料內膽全纏繞容器。

高壓儲氫罐，從單層到多層到復合層，可分四型：Ⅰ型瓶由金屬鋼組成；II型瓶采用金屬材質為主，但是外層已經纏繞玻璃纖維復合材料；III型、IV型瓶則主要是基于碳纖維增強塑料材料，前者內膽多為鋁合金，后者內膽為塑料，鋁合金和塑料內襯為防止鋼材的氫脆發生，外部通過碳纖維增強塑料纏繞加工而成。從Ⅰ型到Ⅳ型，壁厚降低了75%。Ⅰ型、Ⅱ型重容比大，是目前加氫站主要采用固定儲氫方式；Ⅲ型、Ⅳ型因采用了纖維全纏繞結構，具有抗疲勞性能好、重容比小、單位質量儲氧密度高等優點，但由于容積受限的原因，且成本太高，目前主要用于氧燃料電池汽車。

1.2.1 單層鋼質容器

單層旋壓無縫儲氫高壓容器（大無縫瓶式儲氫高壓容器），設計壓力41MPa、50MPa，外直徑≤559mm，有效容積1000L，生產企業有安瑞科、藍能、南亮。

1.2.2 多層鋼質儲氫高壓容器

全多層儲氫高壓容器：浙江大學研制，雙層半球形封頭+鋼帶錯繞筒體；設計壓力50MPa、70MPa、98MPa，容積2.0m3、5.0m3、7.3m3、10.0m3等。

層板包扎儲氫高壓容器：結構：單層半球形封頭+多層包扎筒體，設計壓力為41MPa、50MPa、70MPa、98MPa；容積為0.053m3、 0.3 m3、0.9m3、1.0m3、2.0m3、 5.0m3、7.3m3。

1.2.3 復合材料高壓容器

金屬內襯+玻璃增強纖維儲氫容器：是在單層鋼制油罐的基礎上外附一層玻璃纖維增強塑料防滲外套，構成雙層罐。這種罐具有雙層罐的共同特點外，還由于其外層玻璃纖維增強塑料罐體抗土壤和化學腐蝕方面遠遠優于鋼制油罐。

玻璃增強纖維材料，又叫玻璃鋼，原材料主要是樹脂，樹脂是熱固性塑料，使用溫度高，經玻纖和石棉填充后，阻燃性大大增加，如果給它加熱，一般在200℃以上開始分解。具有蠕變性小，形狀穩定，電絕緣性能好，絕緣電阻和介質強度高等優點。

在樹脂中添加抗靜電劑，以改善復合材料的表面性能，提高導電性。防止使用時產生靜電的危害。在制造標準中要求玻璃鋼罐工作面的表面電阻率不大于1×108歐姆，按照國標《防止靜電事故通用導則》“在任何條件下，體積電阻率大于1×106歐姆米，小于1×106歐姆米的物料及表面電阻率大于1×107歐姆米，小于1×1011歐姆米的固體表面”，該玻璃鋼罐工作面屬靜電亞導體。靜電亞導體的導靜電性能處于靜電導體和靜電非導體之間。在靜電發生率不大的情況下，只要對靜電亞導體可靠接地，就能避免靜電危害。但在靜電發生率很大的情況下，接近電阻率上限的靜電亞導體，也能積累較多的靜電，因此除接地外，還應采取其他消除或防止靜電的措施。

2.儲氫罐爆炸風險分析

2.1 氫氣的理化性質

氫氣在常溫常壓下為氣態，密度僅為0.0899千克/立方米，僅是空氣重量的1/14，是質量最輕的氣體。作為易燃氣體，它屬于Ⅰ類危險品（非燃料），空氣中爆炸范圍為4.0--75.0，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇熱即發生爆炸；長期以來被作為?；饭芾怼錃馄渲亓繑U散系數是汽油12倍，氫氣無色無味，發生泄漏后不易被發現。氫氣在常溫常壓下不會對鋼產生明顯的腐蝕，但當溫度超過300℃和壓力高于30MPa時，會產生氫脆這種腐蝕缺陷，尤其是在高溫條件下。

2.2 儲氫罐發生燃燒爆炸風險

氫原子是已知元素中的最小原子，在高壓工作狀態下，氫原子易通過鋼材晶格間隙進入鋼材內部，聚集在鋼材內部的裂紋缺陷中，在裂紋缺陷中氫濃度增大則容易破壞鋼材的晶格結構，使鋼材裂紋擴大，產生氫脆現象，則鋼材強度降低而使容器損壞。目前加氫站單層儲氫罐所用的鋼材由于造價的原因，多為普通鋼材如螺紋鋼，易受到氫的腐蝕形成氫脆。多層儲罐雖采用了優質鋼材，但也主要是在直筒部分進行包裹，封頭部分仍采用普通鋼材，仍有可能產生氫脆現象。

儲罐長期高于一定溫度下儲存氣體，或罐壁長期承受過高壓力，其屈服度和強度降低，引起塑性破壞，從而導致壓力容器從應力集中地方開始出現微小裂紋，裂紋兩端在交變應力作用下不斷擴展，最后導致壓力容器破壞。陽光直射時儲罐里的氫氣被加熱升溫，罐內氣體壓力升高，氣體在頂部空間積聚，達到一定的壓力后可燃氣體會外泄排出。

直擊雷擊中儲罐，會產生強烈的熱效應，其產生的電弧中心溫度高達上萬度，可以將儲罐的罐壁燒穿。站址附近發生雷擊時，會在罐體機械密封突出的金屬件之間引起火花放電，就形成了危險的點火源。儲罐里的氫氣因各種原因發生泄漏，遇火源氫氣很容易被點燃，引發火災，另外大量的氫氣被釋放在空氣來不及擴散，當氫氣和空氣的混合物高于4vol%時，就會發生爆炸。

高壓氣態氫儲罐要做到安全運行，首先是優化儲氫罐工藝設計、儲存方式，其次是清除雷擊或靜電火花風險。

3.儲氫罐防雷設計

儲氫罐為露天布置，主要考慮對儲罐防直擊雷和防靜電感應。雷擊事故最嚴重的情況是雷電直接擊中儲罐，如果儲罐安裝有符合要求的防雷設施，能迅速將雷電流泄放到接地裝置，能夠承受雷電電流的沖擊而不被擊穿。

3.1 防雷等級劃分

按照《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》中有關規定，氫氣罐的周圍空間規定為1、2區爆炸危險場所，依據《建筑物防雷設計規范》（GB50057-2010）3.0.3中有關第二類防雷建筑物規定，1區，且電火花不易引起爆炸或不致造成巨大破壞和人身傷亡者，2區爆炸危險場所的建筑物，有爆炸危險的露天封裝鋼質氣罐，防雷等級為二類。

3.2 直擊雷防護

3.2.1 儲罐接閃性分析

金屬類儲氫罐壁壁厚遠大于4mm，按規范要求是可利用罐本體作為接閃器。由于氫氣特有的理化性質，質量輕、比其他氣體更易泄漏，罐體易發生氫脆，所以不能作為接閃器使用。玻璃增強纖維材料作為非金屬儲罐，雷擊的高溫及能量足以引起玻璃鋼熱固體塑料分解甚至氣，本體不能作為接閃器，因此需加設避雷針作為防直擊雷設施。

3.2.2 防直擊雷措施

避雷針能將雷電流引入大地，以保證儲罐的安全，避雷針分為獨立避雷針和附設避雷針。獨立避雷針是離開建筑物單獨裝設的；附設避雷針是裝設在建筑物上的。一套完整的避雷裝置包括接閃器、引下線和接地裝置。由于避雷針高度較高，并且具有良好的接地，隨著雷云的帶電，避雷針上因靜電感應而聚集了與雷云相反的電荷，使其針上和附近的電場強度顯著增強，所以當雷云開始放電時，電場發生畸變，雷云放電途徑由原來可能向被保護建筑物發展的方向轉到避雷針本身，然后將雷電流按預定通路導入大地。

儲罐表面上安裝避雷短針。在采用獨立避雷針難以實現時，可在儲罐罐頂護欄處安裝3—4支避雷針。避雷針在護欄處的安裝位置應均勻分布。避雷針的規格應滿足下列要求：

3.2.2.1 針長＜1m時： 圓 鋼為φ12mm；鋼 管 為φ20mm。

3.2.2.2 針 長1-2m時：圓 鋼 為φ16mm；鋼 管 為φ25mm。

3.2.3 引下線設置

引下線不少于兩根，采用熱鍍鋅圓鋼或扁鋼，明敷設置，以最短路徑接地，圓鋼直徑不小于10mm，扁鋼截面不小于80mm2，距離儲罐壁距離大于0.1m。

3.3 防雷防靜電接地

儲罐在運行過程中，會在罐體設備壁上產生靜電現象，由于電荷量的積累，極易引起電火花，造成火災，甚至爆炸。因此，需要有良好的接地，將積聚的電荷引入大地進行中和。在氣流輸送管道中央，加設兩端接地的金屬線或管道靜電消除器，以降低管內靜電電位。接地裝置宜采用耐腐蝕性較好的金屬銅材料，從專用埋設的地線接地體引出的接地線，敷設到儲罐的靜電接地。對于單獨敷設的接地導線通常使用厚度要求應≥25×4mm的鍍鋅扁鋼或用截面≥16mm2的銅芯軟線作為罐體的支線單獨引入。

玻璃纖維具有很好抗腐蝕能力，其儲罐不需要做防腐，不會發生因接地材料與犧牲陽極，和強制電流防腐法發生沖突。根據《防止靜電事故通用導則》要求，由于玻璃纖維屬于非金屬材料，因此在該類儲罐安裝過程中，用直徑不小于8mm的銅棒與罐底內部工作面進行連接，其緊密接觸面積應大于20cm2，并加設金屬箔保證可靠連接，該銅棒接地線在罐內、外應盡量的短，與罐外接地裝置經斷接卡可靠連接，該接地線不得與防直擊雷地線共用。固定設備與接地線或連接線宜采用螺栓連接，連接端子可設置在設備的側面、設備聯合金屬支座的側面或端部位置。金屬管道部件及其他隔離絕緣部件（如法蘭、膠管接頭、噴嘴等），應采用銅芯軟絞線跨接引出接地。

儲罐的防雷、防靜電接地應納入站內共用接地裝置,其接地電阻不宜大于4Ω。距儲罐周圍3m，作環形接地體，接地裝置采用水平接地體和垂直接地體的裝置，接地體的埋深為1m，水平接地體采用直徑20mm的圓鋼，接地體距離儲罐的距離為3m，接地干線采用40×4mm的扁鋼。靜電導體與大地間的總泄漏電阻值在通常情況下均不應大于106Ω。每組專設的靜電接地體的接地電阻值一般不應大于100Ω。

4.結論

加氫站屬公眾場所，來往車輛較多，人員較為密集，一旦發生火災爆炸，必將對人民群眾生命財產造成重大損失。高壓氫氣儲罐不但有可能發生因罐體強度不足( 特別是高強鋼脆化 )引起的物理爆炸,而且有可能發生雷擊和靜電火花引發的火災、爆炸事故,且其風險程度隨罐體容積增大、壓力升高而加大。因此必須做好儲氫罐的防雷防靜電工作,排除高壓儲氫罐的爆炸風險隱患,確保加氫站的安全運行。