液氫氣瓶 第 1 部分：設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)與試驗(yàn)

1.背景及意義隨著石化能源的枯竭，以及二氧化碳排放引起的環(huán)境問題，發(fā)展氫能有利于保障能源安全，降低碳排放，推進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)升級(jí)。氫能對(duì)加快推進(jìn)我國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，加快新時(shí)代能源轉(zhuǎn)型發(fā)展具有重大意義。氫能憑借儲(chǔ)量豐富、清潔、高效等特點(diǎn)，正成為能源革命的關(guān)注熱點(diǎn)。氫能產(chǎn)業(yè)鏈包含研發(fā)、制備、儲(chǔ)運(yùn)、應(yīng)用等，隨著政策的引導(dǎo)、技術(shù)的更新突破和產(chǎn)業(yè)構(gòu)建的逐步完善，產(chǎn)業(yè)鏈已有部分完成。氫能的儲(chǔ)運(yùn)是遏制氫能產(chǎn)業(yè)化速度亟需解決的瓶頸。目前有高壓儲(chǔ)氫、吸附儲(chǔ)氫、低溫儲(chǔ)氫以及高壓低溫儲(chǔ)氫等方式。氣瓶作為低溫儲(chǔ)氫的一種高效的手段備受關(guān)注，但氣瓶的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、試驗(yàn)等沒有規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)可依，因此編制液氫氣瓶的標(biāo)準(zhǔn)需求更加突顯。2.編制參照的標(biāo)準(zhǔn)及依據(jù)4Lweldedinsulatedcylinders》（也稱DOT-4L:2018）[2]、ISO13985:2006版《Liquidhydrogen-Landvehiclefueltanks》[3]、CGAS-1.2:2009版《PressureReliefDeviceStandardsPart2-Portablecontainersforcompressedgases》[4]、CGAH-3:2019版《Standardforcryogenichydrogenstorage》[5]、TSG23-2021《氣瓶安全技術(shù)規(guī)程》[6]等。3.標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容環(huán)境溫度（-40℃~60℃)的規(guī)定來(lái)源于TSG23-2021。公稱工作壓力為0.2MPa～3.5MPa的下限0.2MPa的規(guī)定來(lái)源于TSG23-2021，上限3.5MPa的規(guī)定來(lái)源于DOT4L:2018壓力上限3.45MPa的取整。設(shè)計(jì)溫度不高于-253℃的規(guī)定是根據(jù)液氫的沸點(diǎn)溫度為20.369K（~-252.78℃)。公稱容積為150L～450L的下限150L的規(guī)定是借鑒GB/T34510-2017版《汽車用液化天然氣氣瓶》[7]的規(guī)定，上限是參照DOT4L:2018的規(guī)定。氣瓶只允許立式的規(guī)定來(lái)源于DOT4L:2018。3.2術(shù)語(yǔ)及定義3.2.1引用的術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)及定義引用的標(biāo)準(zhǔn)有GB/T12241、GB/T13005、GB/T18442.1、GB/T18442.3、GB/T18443.2、GB/T26929及GB/T33209、GB/T24499-2009等基本能夠涵蓋本標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)的術(shù)語(yǔ)。3.2.2液氫氣瓶本標(biāo)準(zhǔn)定義了“液氫氣瓶”是一種焊接絕熱氣瓶。3.2.3批量、內(nèi)膽批量、產(chǎn)品批量本標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T24159-2022版把“批量”定義分為了“批量”、“內(nèi)膽批量”、“產(chǎn)品批量”更利于本標(biāo)準(zhǔn)的敘述。3.3型號(hào)命名及基本參數(shù)3.3.1型號(hào)命名目前沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定液氫氣瓶的命名方法，因此本標(biāo)準(zhǔn)借鑒GB/T15384-2011版《氣瓶型號(hào)命名方法》[8]來(lái)規(guī)定這類氣瓶的命名。3.3.2壓力規(guī)定本條對(duì)氣瓶分為內(nèi)膽和外殼進(jìn)行了壓力要求。內(nèi)膽計(jì)算壓力采用設(shè)計(jì)壓力，設(shè)計(jì)壓力等于壓力試驗(yàn)壓力。DOT-4L:2018版規(guī)定：“耐壓試驗(yàn)壓力一般不低于2倍公稱工作壓力”。內(nèi)膽由于需要進(jìn)行檢漏，且規(guī)定方法為GB/T18443.3，因此規(guī)定了外壓計(jì)算壓力0.21MPa。氫的特性確定管路系統(tǒng)也要不泄漏，因此規(guī)定了氣密性試驗(yàn)壓力不應(yīng)小于公稱工作壓力。外殼內(nèi)壓由外殼防爆裝置予以保證安全，因此只規(guī)定了外壓計(jì)算壓力0.21MPa。3.3.3有效容積規(guī)定允許充裝的最大容積的實(shí)質(zhì)是預(yù)留氣相空間，保證液體受熱膨脹后，有可以容納的空間。3.4材料規(guī)定3.4.1一般要求對(duì)受壓元件、內(nèi)膽焊接材料的標(biāo)記以及材料質(zhì)量證明書提出了具體要求，從源頭保證材料的真實(shí)性。3.4.2內(nèi)膽材料與液氫或低溫蒸汽接觸的內(nèi)膽受壓元件包括內(nèi)膽主體（筒體和封頭）、管接頭、管座或凸緣、夾層空間管道、補(bǔ)強(qiáng)板需要用奧氏體不銹鋼，主要是因?yàn)閵W氏體不銹鋼在液氫溫度下還有相當(dāng)?shù)捻g性。雖然焊接在內(nèi)膽上的墊板不與液氫或低溫蒸汽接觸也要求使用奧氏體不銹鋼，是由于不銹鋼的導(dǎo)熱會(huì)使墊板的溫度接近液氫溫度。國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)DOT4L:2018版、CGAH-3:2019版、ISO13985:2006版、CGAG-5.6-2005版《Hydrogenpipelinesystems》（Reaffirmed2013）[9]對(duì)于材料的要求見表1。表1國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料的要求DOT4L:2018版CGAH-3:2019版用于構(gòu)造內(nèi)膽或支撐內(nèi)膽的材料應(yīng)適合儲(chǔ)罐的純度要求并在低溫下使通常，內(nèi)膽由300系列奧氏體不銹鋼制成。304SS顯示出在高應(yīng)（如冷成型封頭）中出現(xiàn)氫脆開裂的趨勢(shì)。壓力容器封頭冷CGAG-5.6-2005版GB/T24511-2017版《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》[10]的數(shù)值代號(hào)S30408的板材的化學(xué)成分中硫與磷的含量比DOT4L:2018版嚴(yán)格，硅的含量也要高些外，其他成分的要求都相同；力學(xué)性能也相同。表2、表3是國(guó)內(nèi)低溫容器常用的奧氏體不銹鋼與DOT4L:2018版的對(duì)比。表2材料化學(xué)成分對(duì)照表號(hào)CPSNiN版18.00~8.00~ 18.00~8.00~ 16.00~10.00~2.00~16.00~10.00~2.00~版 18.00~8.00~ 表3力學(xué)性能對(duì)照表≥520MPa≥490MPa≥520MPa≥490MPa—≥517MPa注2：ISO21028-1:2016版《CryogenicvesselsToughnessrequirementsformaterialsatcryogenictemperaturePart1:Temperaturesbelow-80℃》[11]第4.2.3條b)：工作溫度低于?196℃時(shí)，母材、熱影響區(qū)和焊縫金屬應(yīng)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。沖擊試驗(yàn)是在?196℃進(jìn)行，但最小沖擊能值應(yīng)為48J/cm2或最小側(cè)向膨脹值應(yīng)為0.53mm。根據(jù)ISO13985-2006版第4.2.1條規(guī)定，34J/cm2相當(dāng)于沖擊功（V型缺口）27J[來(lái)源于ISO13985-2006版4.2.1注釋1]，40J/cm2相當(dāng)于沖擊功（V型缺口）32J[來(lái)源于ISO13985-2006版4.2.1注釋2]，那么48J/cm2相當(dāng)于沖擊功（V型缺口）38.4J。CGAG-5.6-2005版第3.2條規(guī)定了奧氏體的穩(wěn)定性計(jì)算公式（共計(jì)兩個(gè)計(jì)算公式，團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CATSI05006-2021參考選取了其中1個(gè)公式CGAG-5.6-2005版第3.4條規(guī)定了奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度計(jì)算公式。CGAG-5.6-2005版明確適用范圍是：適用于純氫氣和氫氣混合物的金屬傳輸和分配管道系統(tǒng)，如附錄A的圖1所示（說明：原文附錄A是管道系統(tǒng)的典型布置圖，與本標(biāo)準(zhǔn)無(wú)關(guān)）。它僅限于具有以下特性的氣態(tài)產(chǎn)品：溫度范圍介于–40℃和175℃(?40℉和347℉)之間；總壓力從1MPa（150psi）到21MPa（3000psi）或僅限不銹鋼，高于0.2MPa（29psi）的氫分壓；附錄G中定義的濃度標(biāo)準(zhǔn)（說明：原文附錄G是氫氣混合濃度標(biāo)準(zhǔn)，與本標(biāo)準(zhǔn)無(wú)關(guān)）。附錄I中提供了有關(guān)超高純度（UHP）氫氣的具體指南。CGAG-5.6-2005版明確規(guī)定不適用范圍是：鋼瓶灌裝工廠；生產(chǎn)工廠；壓縮機(jī)組；客戶現(xiàn)場(chǎng)的罐體（液體或高壓氣體直至氣體進(jìn)入分配系統(tǒng)；或者專用設(shè)備和機(jī)器上的管道。CGAG-5.6-2005版第3.2條對(duì)公式做出了說明：負(fù)數(shù)表示嚴(yán)重應(yīng)變時(shí)奧氏體到馬氏體轉(zhuǎn)變的高趨勢(shì)。從國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)使用在液氫方面的情況來(lái)看，沒有具體要求計(jì)算奧氏體的穩(wěn)定性以及馬氏體轉(zhuǎn)變溫度。鑒于我國(guó)使用在液氫方面的材料是奧氏體不銹鋼系列，目前主要用于航空航天領(lǐng)域，用于民用的還在起步階段，為避免大型事故的發(fā)生，在國(guó)外成熟材料的基礎(chǔ)上額外提出一些更嚴(yán)的要求來(lái)滿足本國(guó)使用。表4是常用的奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定性機(jī)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的計(jì)算。表4奧氏體穩(wěn)定性及馬氏體轉(zhuǎn)變溫度計(jì)算1.Δ=Ni+0.5Mn+35C-0.0833（Cr+1.5Mo-20）2-12[2.Δ=Ni-（Cr+1.5Mo-20）2/12+0.5說明：1.如果沒有規(guī)定范圍成分是以標(biāo)準(zhǔn)值、有2.括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)是CGAG-5.6-2005的另一公第3.4條公式即T/CATSI0500說明：如果沒有規(guī)定范圍成分是以標(biāo)準(zhǔn)值，有從上表4計(jì)算的結(jié)果分析S31608滿足CGAG-5.6-2005版的要求。CGAG-5.6-2005版第3.2條對(duì)公式的說明“如果300系列不銹鋼中鎳的含量大于10.5%，通常是正值，鋼是穩(wěn)定的”；同時(shí)根據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的S31608實(shí)際復(fù)驗(yàn)情況提出了鎳的含量最低值10.50%的要求。根據(jù)ISO13985-2006版的要求，同時(shí)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的S31608實(shí)際性能提出了同時(shí)滿足沖擊功不低于38J、側(cè)向膨脹量不低于0.53mm以及斷后伸長(zhǎng)率不低于40%的要求。管接頭、管座、凸緣等加工件在液氫溫度下應(yīng)使用奧氏體不銹鋼Ⅲ級(jí)或Ⅳ鍛件，標(biāo)準(zhǔn)為NB/T47010-2017版《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》[12]。CGAH-3:2019版第9.1條要求：管道使用奧氏體不銹鋼，使用304時(shí)，當(dāng)應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度的20%時(shí)或產(chǎn)生氫脆，使用316更抗氫脆。雖然CGAH-3:2019版沒有明確規(guī)定使用316，但是由于夾層管道要彎管制作會(huì)因冷作引起硬化，有可能這個(gè)應(yīng)力狀態(tài)下的304會(huì)氫脆，如果固溶處理就比較麻煩，成本也不會(huì)低；所以滿足本標(biāo)準(zhǔn)情況的也就是316（國(guó)內(nèi)數(shù)字代號(hào)S31608）。無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)為GB13296-2013版《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無(wú)縫鋼管》[13]或GB/T14976-2012版《流體輸送用不銹鋼無(wú)縫鋼管》[14]。3.4.3焊接材料ISO13985-2006版第4.4條：對(duì)于焊接容器，在材料可能遇到的所有溫度下，其焊接性能應(yīng)與母材規(guī)定的性能相同。因此針對(duì)焊接材料的熔敷金屬提出了力學(xué)性能和沖擊要求。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于焊接材料的標(biāo)準(zhǔn)為NB/T47018-2017版《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件》[15]，由于規(guī)定了內(nèi)筒和外殼材料都采用奧氏體不銹鋼，因此采標(biāo)與本標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)的為第1部分《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件第1部分：采購(gòu)?fù)▌t》和第3部分《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件第3部分：氣體保護(hù)電弧焊焊絲和填充絲》。3.4.4附件材料CGAH-3:2019版第5.3條：除奧氏體不銹鋼外，非金屬如聚酰胺、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、滌綸?和玻璃纖維也可作為系統(tǒng)部件(閥門、壓力表等)的元件材質(zhì)。因此規(guī)定了閥門密封材料的范圍。CGAH-3:2019版第8.4條：不銹鋼真空指示器隔離閥連接是首選。因此規(guī)定真空隔離閥（或一體式真空規(guī)管）、抽真空座及堵頭應(yīng)采用奧氏體不銹鋼。3.4.5外殼材料ISO13985:2006版第4.4條“用于外殼的材料應(yīng)確保真空系統(tǒng)的完整性，并且在液氮溫度下其斷裂伸長(zhǎng)率應(yīng)至少為12％?！盌OT4L-2018版第(O）(2)(ii)條“易燃低溫液體。用于運(yùn)輸易燃低溫液體的鋼瓶必須有鋼制的外殼”。雖然這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都允許用碳鋼，但是國(guó)內(nèi)目前焊接絕熱氣瓶已經(jīng)不采用碳鋼外殼。鋁在與生銹的鋼鐵碰撞時(shí)可能產(chǎn)生鋁熱反應(yīng)，該反應(yīng)產(chǎn)生的火花有可能引起可燃介質(zhì)燃燒。鋁的熔化溫度為650℃左右，比鋼低。因此與本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定規(guī)定外殼只采用不銹鋼。3.4.6絕熱材料由于氫的低溫性，會(huì)把空氣中的氧氣液化成液體、甚至變?yōu)楣腆w吸附在絕熱材料上。當(dāng)內(nèi)膽泄漏在一定的情況下可能會(huì)燃燒爆炸，因此要求絕熱材料不與氧氣或者富氧氣氛發(fā)生危險(xiǎn)性反應(yīng)。3.5設(shè)計(jì)3.5.1組成規(guī)定了液氫氣瓶的主要組成，內(nèi)膽、外殼、絕熱系統(tǒng)、內(nèi)膽與外殼之間的連接件、閥門管路系統(tǒng)、保護(hù)閥門管路系統(tǒng)的保護(hù)裝置、底座等組成。3.5.2性能指標(biāo)3.5.2.1靜態(tài)蒸發(fā)率靜態(tài)蒸發(fā)率（NER）按照DOT-4L:2018版（d3）規(guī)定：在520℉溫差，總的熱傳遞引起的氫汽化的量每小時(shí)不超過30SCF（30立方英尺）。DOT-4L:2018沒有規(guī)定出口壓力、也沒有說明容積基準(zhǔn)；這與國(guó)內(nèi)在大氣壓下進(jìn)行靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)試條件的規(guī)定不同，也與國(guó)內(nèi)靜態(tài)蒸發(fā)率與容積有關(guān)不同。30SCFH=0.849504m3/h；溫差520℉換算出來(lái)約為271℃;環(huán)境溫度為18.3℃（65℉)。查《低溫工程技術(shù).數(shù)據(jù)卷》[16]：1atm，沸點(diǎn)時(shí)液氫的汽化潛熱γH2=448.91kJ/kg，液體密度ρH2=70.848kg/m3，沸點(diǎn)TH2=-252.78℃;1atm，0℃時(shí)氫氣的密度為0.08988kg/m3（根據(jù)氣體狀態(tài)方程，則在18.3℃,1atm時(shí)氫氣密度是0.08424kg/m3）。根據(jù)NER的定義：24小時(shí)內(nèi)蒸發(fā)釋放的氣體與允許盛裝的最大液體質(zhì)量之比。此處以450L充滿率90%的氣瓶計(jì)算：ηH2=（24×0.849504×0.08424）/（0.45×0.9×70.848）=5.99%d≈6%d根據(jù)DOT-4L:2018版的規(guī)定蒸發(fā)釋放的氣體量不分容積是一定的。根據(jù)GB/T24159-2022版關(guān)于NER與公稱容積的關(guān)系，推導(dǎo)出NER與公稱容積出成反比。如果以不同的公稱容積計(jì)算，那么150L的NER應(yīng)該為18%d。液氮與液氫的蒸發(fā)率之間關(guān)系：查《低溫工程技術(shù).數(shù)據(jù)卷》：1atm，沸點(diǎn)時(shí)液氮的汽化潛熱γN2=199.32kJ/kg，液體密度ρN2=806.59kg/m3，沸點(diǎn)TN2=-195.8℃,那么ηN2=(ηH2×ΔTN2×γH2×ρH2）/(ΔTH2×γN2×ρN2）≈0.1563ηH2(ηH2≈6.4ηN2，此為理論計(jì)算。雖然影響因素比較多，導(dǎo)致不太準(zhǔn)確，但是可以做參考）。當(dāng)規(guī)定450L液氫氣瓶的ηH2=6%d，則盛裝液氮時(shí)ηN2=0.938%d≈1%d；那么150L氣瓶的換算為ηH2=18%d，則ηN2≈3%d。3.5.2.2漏率在CGAH-3:2019版第13.3.4條：內(nèi)容器和環(huán)形空間（說明：環(huán)形空間即是真空夾層）管道應(yīng)該在1×10-9到10×10-9大氣壓cc/s（說明：折算出約1×10-10~1×10-9Pa.m3/s）儀器上使用MSLD（說明：質(zhì)譜檢漏）進(jìn)行氦氣泄漏測(cè)試。當(dāng)使用吸槍法試驗(yàn)方法時(shí)，儲(chǔ)罐應(yīng)使用至少含有10%氦氣的混合氣體加壓。當(dāng)采用噴槍法試驗(yàn)方法時(shí)，在所有接頭處噴灑氦氣。沒有可檢測(cè)到的泄漏為合格。參照GB/T24159-2022版對(duì)真空夾層漏率的要求為6×10-8Pa.m3/s，本標(biāo)準(zhǔn)選擇內(nèi)膽漏率比真空夾層優(yōu)一個(gè)數(shù)量級(jí)為6×10-9Pa.m3/s。氫氣分子直徑為0.289nm，氦氣分子直徑為0.26nm；因此氦分子不漏，氫分子一定不漏。3.5.3最大充裝體積與最大充裝質(zhì)量在CGAH-3:2019版第6.1條要求：“任何情況下壓力達(dá)到主安全泄壓裝置的最低設(shè)定值時(shí)，最大充滿率不超過冷態(tài)凈容積的93％”。對(duì)于最大允許充裝，CGAG-5:2017版《Hydrogen》[17]沒有提出具體的數(shù)值，其第5.2.3條要求：“在70℉(21.1℃)充裝氣瓶中的壓力不應(yīng)超過氣瓶上標(biāo)記的工作壓力(或在某些情況下110%的工作壓力)”。氫的詳細(xì)數(shù)據(jù)在澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS2809.6:2019版《RoadtankvehiclesfordangerousgoodsPart6:Tankersforcryogenicliquids》[18]中可以查閱。見本編制說明第4.2條。3.5.4設(shè)計(jì)使用年限氣瓶屬于經(jīng)常搬運(yùn)以及使用時(shí)有壓力循環(huán)的容器，因此即使沒有腐蝕也要考慮疲勞壽命。設(shè)計(jì)壽命是基于振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)M500,000公里使用壽命的，振動(dòng)總共646,020次，相當(dāng)于0.774km（公里）就振動(dòng)一次。作為以非運(yùn)輸功能為主的氣瓶，如果10年共行駛500,000公里，那么每天的運(yùn)輸里程150公里，此里程已經(jīng)足夠。在GB/T18442.3-2019版《固定式真空絕熱深冷壓力容器第3部分：設(shè)計(jì)》[19]第6.4.3條：壓力循環(huán)總次數(shù)不超過4,000次。如果每天1次循環(huán)，換算出來(lái)約等于10.9年。3.5.5靜電的要求3.5.5.1靜電產(chǎn)生原因《液體推進(jìn)劑》[20]指出液氫電導(dǎo)率很?。?.6×10-17S/m約為汽油的1/50,000，屬于高絕緣體。排放或流動(dòng)中，由于摩擦產(chǎn)生靜電荷，存留時(shí)間很長(zhǎng)，存在著火爆炸危險(xiǎn)性。當(dāng)靜電的電場(chǎng)強(qiáng)度為17.5Kv/cm，電量為1.1×10-9C時(shí)，放電產(chǎn)生的電火花能量可使氫氣-空氣混合物發(fā)生著火或爆炸。氣瓶有可能使用密封材料為非金屬（聚四氟乙烯墊片、生料帶等這可能會(huì)造成導(dǎo)電不連續(xù)，在充裝、供應(yīng)、放空液氫或氫蒸汽時(shí)會(huì)產(chǎn)生并積聚靜電。3.5.5.2靜電電阻要求氣瓶整體應(yīng)設(shè)計(jì)為防靜電結(jié)構(gòu)，確保瓶體、閥門、接頭等任何與氫接觸部分具有導(dǎo)電連貫性。導(dǎo)電連貫性是指，金屬與金屬接觸（連接）、金屬被非金屬隔開（非金屬材料）則應(yīng)當(dāng)加跨接線等措施。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于靜電電阻的要求如下：1GB/T30719-2014/ISO13984:1999版《液氫車輛燃料加注系統(tǒng)接口》[21]第4.5.2條：電氣接地和連接接地電阻應(yīng)低于10Ω。2GB/T31138-2014版《汽車用壓縮氫氣加氣機(jī)》[22]第6.3.12條：加氫機(jī)上宜設(shè)置人體靜電導(dǎo)釋裝置，并良好接地，接地電阻不大于10Ω。3GB/T31139-2014版《移動(dòng)式加氫設(shè)施安全技術(shù)規(guī)范》[23]第4.5.4條：金屬氫氣管路的任意兩點(diǎn)間或任意一點(diǎn)到接地線末端的電阻應(yīng)不大于10Ω。4GB50177-2005版《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》[24]第9.0.6條：氫氣儲(chǔ)罐……沖擊接地電阻不應(yīng)大于10Ω。5GB50516-2010版《加氫站技術(shù)規(guī)范》[25]第10.2.5條：加氫站內(nèi)的電氣設(shè)備……防靜電接地……其接地電阻……，并不得大于10Ω。3.5.6閥門進(jìn)口接頭與出口接頭如果沒有統(tǒng)一的接頭標(biāo)準(zhǔn)會(huì)出現(xiàn)如下情況：市場(chǎng)上的接頭不具有通用性，造成連接的軟管、設(shè)備不通用，因而增加使用成本；接頭質(zhì)量參差不齊，產(chǎn)品質(zhì)量沒法保證；液氫和氧化介質(zhì)的接頭可能會(huì)混用而引發(fā)惡性事故。有必要建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范區(qū)分液氫與其他介質(zhì)。本標(biāo)準(zhǔn)參照標(biāo)準(zhǔn)CGAV-1:2013版《Standardforcompressedgascylindervalveoutletandinletconnections》[26]編寫了附錄C。氣瓶對(duì)外的閥門的接口應(yīng)使用左旋螺紋，進(jìn)出口采用CGA795接頭。3.5.7儀表規(guī)定壓力表精度應(yīng)不低于2.5級(jí)是由于氣瓶的外部空間狹小，使用的壓力表一般表盤直徑為40mm或60mm，按照J(rèn)B/T5528-2005版《壓力表標(biāo)度及劃分》[27]第4條，表盤直徑為40mm或60mm的精度等級(jí)為2.5級(jí)或4.0級(jí)，表盤直徑為100mm的最高可以達(dá)到1.0級(jí)。規(guī)定機(jī)械式液位計(jì)只能使用彈簧管式是根據(jù)CGAH-3:2019版第9.1條：由于滲透問題，用于氫氣的壓力表應(yīng)帶有波登管（說明：即布爾登管、彈簧管）。需要用電的儀表有防爆要求，按照GB4962-2008版第4.4.3條氫）爆炸危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)電氣設(shè)備應(yīng)符合GB3836.1的要求，防爆等級(jí)應(yīng)為II類，C級(jí)，T1組……。ISO13985-2006版第4.7.6條：氫罐應(yīng)配備一個(gè)測(cè)量?jī)x表，該儀表在接近最大加液高度時(shí)，以內(nèi)膽容量的±2％的精度測(cè)量?jī)?nèi)膽中的液位。3.5.8內(nèi)膽內(nèi)膽筒體壁厚的計(jì)算公式、封頭壁厚的規(guī)定來(lái)源于DOT-4L:2018。按照本標(biāo)準(zhǔn)公式（1）計(jì)算出來(lái)的壁厚有可能小于2mm。當(dāng)壁厚小于3mm時(shí)難以做出2.5mm的沖擊試樣，也就不能測(cè)試材料、焊接接頭的低溫沖擊性能，這將會(huì)有一定的安全隱患。再參照GB/T150.1-2011版《壓力容器第1部分：通用要求》[28]的第4.3.7條b）款：高合金鋼制容器一般應(yīng)不小于2mm。因此規(guī)定名義壁厚不小于3mm。3.5.9外殼液氫氣瓶是焊接絕熱氣瓶的一種，因此本標(biāo)準(zhǔn)的外殼、外封頭的計(jì)算參照了GB/T34510-2017版的規(guī)定。3.5.10內(nèi)膽與外殼之間的連接件載荷規(guī)定參考ISO21029-1:2018版《Cryogenicvessels-Staticvacuum-insulatedvesselsPart1:Design,fabrication,inspectionandtests》[29]第10.3.8條的其中一部分：“......使用的靜載荷如下：?在水平面上，在任何方向都是總重的兩倍；—在垂直面上，向上為總重，向下為總重的兩倍。這些載荷中的每一個(gè)載荷都被認(rèn)為是孤立作用的，并包括所考慮的構(gòu)件的重量。如果滿足下列任一條件，則向上載荷應(yīng)增加至總重的兩倍：—容積小于100升；—總重小于150千克；—可運(yùn)輸?shù)蜏厝萜鳎òㄋ锌蚣軜?gòu)件）的重心高度在裝滿時(shí)是其底部較小水平尺寸的兩倍以上......”。運(yùn)輸時(shí)，氣瓶（本標(biāo)準(zhǔn)僅允許立式）是軸線與地面垂直的，行駛方向垂直于軸線。由于氣瓶是圓柱形的因此沿行駛方向受力是隨機(jī)的，也只用計(jì)算行駛方向連接件的受力（受彎曲垂直向下方向（受拉伸或壓縮垂直向上方向的力（拉伸或壓縮）。參考ISO21029-1:2018版第10.3.8條的其中一部分：“......由低溫液化氣體質(zhì)量引起的載荷而產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)限制在可接受的應(yīng)力水平，該應(yīng)力水平可基于被驗(yàn)證部件工作溫度下的材料特性確定......”，而ISO21029-1:2018版第10.3.2.3條規(guī)定“材料性能，K20（說明：ISO21029-1:2018版表示20℃的性能）計(jì)算中使用的材料性能K20應(yīng)如下所示：—奧氏體不銹鋼的驗(yàn)證強(qiáng)度為1%（說明：也就是許用應(yīng)力，選取20℃的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度RP1.0）......”。本標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定連接件材料的類型，因此規(guī)定有明顯屈服強(qiáng)度的材料則取安全系數(shù)1.5（2/3屈服強(qiáng)度無(wú)明顯屈服強(qiáng)度的例如奧氏體不銹鋼也取安全系數(shù)1.5（2/3規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度）。這比ISO21029-1:2018版安全系數(shù)1.0要高些。本標(biāo)準(zhǔn)也沒有確定規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度采用RP0.2還是RP1.0由氣瓶制造單位選擇。 “獨(dú)立作用”是指各方向獨(dú)自計(jì)算，不考慮合力，應(yīng)力在各個(gè)方向滿足要求即可。參考ISO21029-1:2018第10.3.8條的其中一部分：“工作載荷的計(jì)算除非設(shè)計(jì)已通過試驗(yàn)驗(yàn)證，否則除了第10.3.7條（說明：10.3.7是指工作壓力載荷及外壓載荷的計(jì)算公式）中的計(jì)算外，為確保由操作載荷引起的應(yīng)力在可接受的范圍內(nèi)還需要進(jìn)行計(jì)算。應(yīng)考慮服務(wù)期間預(yù)期的所有載荷條件（見10.2.3說明：10.2.3是指工作壓力載荷及外壓載荷）?？山邮艿挠?jì)算方法包括：有限元；有限差分法；邊界元；已證實(shí)的計(jì)算方法。在這些計(jì)算中，靜載荷應(yīng)代替靜載荷和動(dòng)載荷。......由低溫流體質(zhì)量引起的載荷而產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)限制在可接受的范圍，該應(yīng)力可基于被驗(yàn)證部件工作溫度下的材料特性確定。分析應(yīng)考慮總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)性，但無(wú)需考慮局部應(yīng)力集中”。3.5.11閥門管路系統(tǒng)大氣壓下空氣中的氧氣在-183℃時(shí)會(huì)液化，在-218℃時(shí)會(huì)固體化。在液氫溫度下如果不采用真空管或者保溫管道，長(zhǎng)期運(yùn)行的管道表面會(huì)凝結(jié)大量的氧固體，這是安全隱患的源頭。CGAH-3:2019版第5.3條：因?yàn)闅涫切》肿?，很容易通過許多材料和部件逃逸，所以所有系統(tǒng)部件的泄漏率都應(yīng)該最小(相當(dāng)于質(zhì)譜儀的10-5個(gè)單位)（說明：unitsonamassspectrometerscale為1atm.cc/s=0.1Pa.m3/s，此處為1×10-6Pa.m3/s）。因此閥門的內(nèi)漏要小于1×10-6Pa.m3/s。外漏不應(yīng)小于容器的漏率6×10-9Pa.m3/s，選擇1×10-9Pa.m3/s，則可以兼顧適用于真空低溫閥。長(zhǎng)閥桿結(jié)構(gòu)可以有效防止閥門被凍死，出現(xiàn)事故時(shí)可以迅速切斷流體。液氫易燃、易爆因此在充裝前應(yīng)該要進(jìn)行置換，GB4962-2008版《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》[30]第5.2c）條要求置換后的氧氣體積濃度小于等于0.5%，如果管道設(shè)置不合適有可能達(dá)不到要CGAH-3:2019版第9.1條要求管子的厚度不低于5S等級(jí)，查ASMEB31.12《Hydrogenpipingandpipelines》[31]，氣瓶常用的夾層管道都小于3/4in（外徑26.7mm），其5S等級(jí)的壁厚不小于0.065in（1.65mm）。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T17395-2008版《無(wú)縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差》[32]比較接近的是1.5mm、1.6mm及1.8mm的壁厚。經(jīng)過承壓計(jì)算，壁厚1.5mm的受力可以滿足液氫瓶的需求。安全泄放管道的高度設(shè)置至少應(yīng)滿足液氫貯存是允許膨脹到的最大體積（本標(biāo)準(zhǔn)7.1.3條規(guī)定是93%公稱容積因此要求進(jìn)口高度為98%。如果不考慮從內(nèi)膽到安全閥進(jìn)口的管道的壓降，因此管內(nèi)因流速過快可能產(chǎn)生背壓導(dǎo)致配置的流道面積可能不滿足實(shí)際的要求。CGAH-3:2019版第10.3條：從內(nèi)膽到安全閥進(jìn)口的管道的壓降不能超過3%。計(jì)算時(shí)應(yīng)當(dāng)以排放壓力為基準(zhǔn)，相同的流道，氣瓶?jī)?nèi)的壓力越高，則流速越快，而流速越快則阻力越大。本標(biāo)準(zhǔn)氣瓶的相關(guān)影響因素：管道的內(nèi)表面粗糙度、流道的大小、流道的突變（氣相空間進(jìn)入管道）、流道的轉(zhuǎn)折（管道的彎曲、孔道變向等）、排放壓力的大?。ㄔ礁吡魉僭娇欤?。3.5.12壓力泄放系統(tǒng)壓力泄放系統(tǒng)是作為保證氣瓶安全的必要選項(xiàng)，可以在氣瓶遇到緊急情況時(shí)泄放內(nèi)部的蒸汽，保持氣瓶的壓力在安全的水平以下。泄放速度具體是多少合適，因?yàn)槿狈ο嚓P(guān)的研究，因此本標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定，但設(shè)計(jì)者應(yīng)該考慮應(yīng)為排放引起的靜電對(duì)安全的影響。本編制說明將相關(guān)的一些資料羅列如下，供設(shè)計(jì)者參考：（1）《氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及其低溫技術(shù)》[33]第8.3.2章：解決氫氣的安全排放問題，必須以分析氣流的馬赫數(shù)為依據(jù)，用控制氣流的馬赫數(shù)來(lái)制定排放系統(tǒng)管路的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，也就是說，根據(jù)自己的實(shí)測(cè)氣流參數(shù)，確定一個(gè)安全排放氫氣的臨界馬赫數(shù)，開始時(shí)也可能比較粗糙一些，但可以落實(shí)到排放管路的設(shè)計(jì)方案中，可以逐步總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，逐步完善設(shè)計(jì)方法。根據(jù)我們?cè)诙喾N排氫系統(tǒng)中測(cè)得的不同排氫時(shí)的氣流參數(shù)分析，安全排放氫氣的臨界馬赫數(shù)在0.24~0.28范圍內(nèi)。為了將排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)得更安全些，我們建議將排氫系統(tǒng)的氫氣流馬赫數(shù)控制在0.2以下為宜。第8.3.4：對(duì)于低溫管，特別是飽和氫氣或者兩相流的氫排放，垂直管的高度是個(gè)重要問題。一天內(nèi)要有多次重復(fù)排放低溫氫的問題。在第一次排放低溫氫時(shí)，垂直管壁一直處于低于液化空氣的溫度下，在停止排放時(shí)，內(nèi)外管壁溫度都從很低的溫度（約30K）開始恢復(fù)，這時(shí)排放管開始向空氣吸熱，形成低溫抽吸作用。更嚴(yán)重的情況是垂直管的底部殘留一部分液氫，管內(nèi)壁溫度從30K升到54K的過程中，首先冷凝到內(nèi)壁上的固氧（或固空），在54K升到90K的過程中，管內(nèi)壁上形成的是液氧。由此可見，垂直的低溫排氫管的恢復(fù)溫度過程，成了空氣中的氧沿著管壁面進(jìn)行分離冷凝的過程，在管壁上冷凝的液氧，順著垂直管降落到排放管的底部，而后又隨著管子底部溫度不斷恢復(fù)，液氧、固氧又重新變成氣氧，沉積在垂直管的底部。當(dāng)?shù)诙闻欧诺蜏貧鋾r(shí)，沉積在垂直管底部的氧就有可能和氫混合而形成可燃混合物，發(fā)生爆炸。（2）《氫安全》[34]第4頁(yè)：任何其他非導(dǎo)電液體和氣體一樣，容器中的GH2（氣態(tài)氫）或LH2（液態(tài)氫）流，或容器中的湍流會(huì)產(chǎn)生靜電電荷。（3）《液體推進(jìn)劑》第12.9.2條：排空作業(yè)前宜先用氮?dú)獯党軆?nèi)空氣。排放液氫（包括兩相流和飽和蒸汽）或低溫氫氣時(shí)，應(yīng)保證出口溫度不低于90K，排空過程應(yīng)保持正壓。通常管徑（20~150mm）的金屬直管內(nèi)液氫飽和蒸汽流動(dòng)速率應(yīng)不超過16m/s，單相流氫氣流動(dòng)速率應(yīng)不超過150m/s（4）GB/T29729-2013版《氫系統(tǒng)安全的基本要求》[35]第7.2.3.2.3條：液氫儲(chǔ)存容器的放空管應(yīng)設(shè)置在容器頂部，并宜控制排放氫氣的速度，以防止靜電引起爆炸。（5）CGAG-5.5-2014版《Hydrogenventsystems》[36]第6.2.6條：由于超音速可壓縮流動(dòng)的影響，超過15Psi(103kPa)的排氣壓力需要特別考慮。氣流和大氣之間的相對(duì)壓力差可以影響氣流的大小和流動(dòng)方向。第6.2.7條：由于排放管內(nèi)的亞大氣壓區(qū)域可能吸入空氣，因此需要特別考慮排氣系統(tǒng)內(nèi)的超音速流動(dòng)效應(yīng)。排放管內(nèi)的氫氣和空氣混合物會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)。（6）GB50177-2005版《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》[37]第12.0.1的注：氫氣設(shè)計(jì)壓力為0.1~3.0MPa，在不銹鋼管道中最大流速可以為25m/s。3.5.12.1安全泄壓裝置CGAS-1.2:2009版規(guī)定主、副安全泄壓裝置既可以采用安全閥，也可以采用爆破片。本標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)國(guó)內(nèi)習(xí)慣規(guī)定主、副安全泄壓裝置都使用安全閥，是出于控制排放后如果發(fā)生火災(zāi)易于控制的目的。安全閥開啟比爆破片爆破后泄放的氣體少，可以降低著火的風(fēng)險(xiǎn)。關(guān)于回座壓力有以下標(biāo)準(zhǔn)：1在GB/T29026-2012版《低溫介質(zhì)用彈簧直接載荷式安全閥》[38]第5.6.3條要求應(yīng)符合GB/T12243的規(guī)定；GB/T12243-2005版的表8規(guī)定啟閉壓差（可以計(jì)算出回座壓力空氣或其他氣體在整定壓力＞0.4MPa時(shí)，金屬密封面的≤15%整定壓力，非金屬?gòu)椥圆牧厦芊獾摹?5%整定壓力。2GB/T18442.6-2019版《固定式真空絕熱深冷壓力容器第6部分：安全防護(hù)》[39]第4.2.1.2a）款要求主安全閥的回座壓力應(yīng)不低于整定壓力的0.9倍。3CGAS-1.2:2009版第7.1條要求再密封壓力不應(yīng)低于整定壓力的90%。本標(biāo)準(zhǔn)采用低溫液化氣體容器不低于90%整定壓力的規(guī)定。關(guān)于安全閥漏率：根據(jù)GB/T12243-2005版《彈簧直接載荷式安全閥》[40]的表12，選取通徑小于等于7.8mm，整定壓力小于6.9MPa的安全閥，其漏率為11.8cm3/min（11.8mL/min）即約40個(gè)氣泡/min，折 算成1atm下的漏率為1.97×10–2Pa.m3/s。也可以推算每個(gè)空氣氣泡的體積約為0.292cm3（292mm3這里以0.3cm3（300mm3）計(jì)。3.5.13外殼泄壓裝置本標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)外殼泄壓裝置，提出了泄放壓力和泄放面積的要求。CGAS-1.2:2009版第5.4條：氣瓶外殼應(yīng)提供合適的壓力泄放裝置進(jìn)行防護(hù)，釋放內(nèi)部壓力。此泄壓裝置應(yīng)在壓力數(shù)值不超過外殼內(nèi)部設(shè)計(jì)壓力情況下運(yùn)行，可根據(jù)ASME規(guī)范計(jì)算出該壓力值。內(nèi)部容器上的最大外壓力為安全系數(shù)2或是25Psig（172kPa），取兩者較小者。容器上的真空泄壓裝置總排放面積至少應(yīng)為容器水容積的0.00024in2/lb（0.3414mm2/kg）。ISO21029-1:2018版第10.2.5.3條：外殼應(yīng)安裝泄壓裝置。裝置應(yīng)設(shè)置為在不超過1.7bar的壓力下打開。泄壓裝置的泄放面積應(yīng)不小于內(nèi)容器的0.171mm2/L容量，但直徑不得小于6mm。兼做泄放口的外殼泄放裝置需要考慮真空塞在泄壓時(shí)可能彈出傷人，因此要求在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮把真空塞的活動(dòng)范圍進(jìn)行限制，但也要滿足最小排放面積的要求。如果堵頭的開啟高度不夠、開啟后O形圈的回彈、堵頭阻擋泄放孔等現(xiàn)象，則有可能削弱排放面積，所以應(yīng)當(dāng)仔細(xì)考慮排放口的實(shí)際通徑、結(jié)構(gòu)等，將被削弱后的面積作為泄放面積才能滿足“最小”的要求。重閉式的結(jié)構(gòu)比非重閉式（直通式）的復(fù)雜有被堵塞的可能。非重閉式一般為爆破片、活塞等形式，一旦開啟則直通大氣，被堵塞的危險(xiǎn)較低。一旦堵塞，由于漏入夾層空間的液氫轉(zhuǎn)換成大量的氣體，在迅速蒸發(fā)的情況下可能引起外殼的破裂或者內(nèi)膽的失穩(wěn)，這都有一定的隱患。規(guī)定最小直徑6mm也是出于這種考慮。3.5.14絕熱系統(tǒng)CGAH-3:2019版第9.2.4條提出：絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足外殼經(jīng)受1200℉（649℃)時(shí)，絕緣材料性能30分鐘應(yīng)不退化。3.6制造、試驗(yàn)和檢驗(yàn)3.6.1單位職責(zé)制造單位應(yīng)當(dāng)對(duì)制造的產(chǎn)品的安全性負(fù)責(zé)，首先制造的產(chǎn)品應(yīng)經(jīng)過驗(yàn)證，其次要對(duì)制造的質(zhì)量進(jìn)行控制。3.6.2組批ISO21029-1:2004版（說明：ISO13985-2006制造章節(jié)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)）第12.2.1條對(duì)產(chǎn)品焊接試板的制作和測(cè)試應(yīng)符合以下要求：1每個(gè)容器的縱向接頭上的每種焊接工藝用一塊產(chǎn)品焊接試板；2在同一批次的10個(gè)產(chǎn)品焊接試板連續(xù)測(cè)試通過后，可減少到每100個(gè)容器用一個(gè)產(chǎn)品焊接試板。3.6.3材料復(fù)驗(yàn)需要通過復(fù)驗(yàn)來(lái)保證用在產(chǎn)品上的材料是合格的。材料復(fù)驗(yàn)有化學(xué)成分、力學(xué)性能試驗(yàn)。由于氫的低溫性，材料特別規(guī)定了母材需要做低溫沖擊試驗(yàn)，這也符合GB/T150.2-2011版《壓力容器第2部分：材料》[41]第3.7.2條“奧氏體鋼材的使用溫度高于或等于-196℃時(shí)，可免做沖擊試驗(yàn)。低于-196℃~-253℃,由設(shè)計(jì)文件規(guī)定沖擊試驗(yàn)要求”的規(guī)定。GB/T150.4-2011版《壓力容器第4部分：制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收》[42]第7.2.3條規(guī)定：當(dāng)設(shè)計(jì)溫度低于-192℃時(shí)，其沖擊試驗(yàn)溫度取-192℃。在液氮溫度下測(cè)試實(shí)際上是做不到的，即使試驗(yàn)物體在液氮中浸泡到液氮的溫度，但在移至試驗(yàn)設(shè)備的過程中會(huì)有溫度上升。GB/T229-2007版《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》[43]第8.3條：當(dāng)試驗(yàn)不在室溫下進(jìn)行時(shí)，試樣從高溫或低溫裝置中移出至打斷的時(shí)間不大于5s。注1：對(duì)于試樣從高溫或低溫裝置中移出至打擊時(shí)間在3s~5s的試驗(yàn)，可以考慮過冷或過熱試樣的方法補(bǔ)償溫度損失，過冷度或過熱度參照附錄E（說明：即本編制說明的表5）。表5過冷溫度補(bǔ)償值試驗(yàn)溫度/℃過冷溫度補(bǔ)償值/℃3~＜43.6.4標(biāo)志移植TSG23-2021第2.5(5)款：制造氣瓶承壓部件的材料，應(yīng)當(dāng)在分割或者使用前進(jìn)行標(biāo)志移植，保證材料具有可追溯性。GB/T150.4-2011版第5.3.1條：制造受壓元件的材料應(yīng)有可追溯的標(biāo)志。在制造過程中，如原有標(biāo)志被裁掉或材料分成幾塊時(shí)，制造單位應(yīng)規(guī)定標(biāo)志的表達(dá)方式，并在分割前完成標(biāo)志的移植。本標(biāo)準(zhǔn)據(jù)此提出材料標(biāo)志移植要求，強(qiáng)調(diào)要有可追溯性。受壓元件對(duì)于產(chǎn)品的質(zhì)量控制、問題原因分析等都必不可少。氯和硫會(huì)對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)使用的不銹鋼造成腐蝕，特別是一定濃度的氯離子會(huì)破壞不銹鋼的表層氧化膜而點(diǎn)蝕引起應(yīng)力集中，為避免引起不必要的隱患做此規(guī)定。GB/T150.4-2011版第5.3.3條：低溫容器受壓組件不應(yīng)采用硬印標(biāo)記。硬印標(biāo)記會(huì)引起應(yīng)力集中，可能是裂紋的起源，導(dǎo)致真空失效及產(chǎn)品破壞的誘因。3.6.5筒體、封頭的制造及組裝筒體、封頭的制造及組裝參照GB/T24159-2022版的規(guī)定。通常，奧氏體不銹鋼不易受氫脆的影響或較不易受氫脆的影響，并且由于其在低溫下的優(yōu)異韌性而通常用作氫設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料。但是，某些奧氏體不銹鋼不穩(wěn)定，在低溫下變形時(shí)會(huì)形成馬氏體。馬氏體對(duì)氫脆非常敏感，特別是對(duì)于在氫下加熱至室溫的設(shè)備，所以不建議使用。在制造過程中諸如冷彎或成型之類的操作引起的冷塑性變形會(huì)產(chǎn)生部分馬氏體。不銹鋼材料晶相檢測(cè)中檢測(cè)馬氏體的含量，除了傳統(tǒng)的晶相法和化學(xué)計(jì)算法也可以用檢測(cè)儀檢測(cè)鐵素體含量來(lái)表達(dá)檢測(cè)馬氏體的含量。奧氏體不銹鋼在高應(yīng)力部位（如冷形成封頭的小半徑處）出現(xiàn)氫脆開裂的傾向。如果封頭在冷形成后退火，這減少了封頭冷形成產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和氫脆的概率。在制造過程中應(yīng)小心不要在氣瓶的內(nèi)部表面留下工具印記或缺陷，因?yàn)檫@些可能是氫脆的起源點(diǎn)。因此特別規(guī)定了筒體及封頭表面的劃傷處理方法，避免氫脆起源點(diǎn)的出現(xiàn)。按照CGAG-5.6-2005版第7.4.5條：對(duì)于奧氏體不銹鋼，焊接區(qū)的鐵素體含量應(yīng)限制在最大7%。然而，完全沒有鐵素體含量會(huì)導(dǎo)致熱裂。在ISO21029-1:2004版第11.3.1條c）款：成型的封頭的基體材料的試驗(yàn)證書顯示斷裂伸長(zhǎng)率A5：工作溫度低于－196℃時(shí)，不低于50%時(shí)不需要進(jìn)行熱處理（ISO13985-2006版第4.8條規(guī)定制造按照ISO21029-1:2004版的第11條進(jìn)行）。因此規(guī)定了封頭需要進(jìn)行熱處理的條件。3.6.6焊前準(zhǔn)備及施焊環(huán)境及坡口要求GB/T150.4-2011版第7.1.1條：焊條、焊劑及其他焊接材料的貯存庫(kù)應(yīng)保持干燥，相對(duì)濕度不應(yīng)大于60%。如果焊接材料不干燥帶著水分，在焊接過程中可能會(huì)產(chǎn)生氫氣造成氣孔、冷裂紋等，影響焊接質(zhì)量。本標(biāo)準(zhǔn)參照此規(guī)定增加對(duì)焊接材料的要求。清潔、干燥的環(huán)境對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量有直接影響。NB/T47015-2011版《壓力容器焊接工藝規(guī)程》[44]第3.6.3.1條：始焊溫度過低也會(huì)影響焊接質(zhì)量，焊接環(huán)境出現(xiàn)下列任一情況時(shí)，應(yīng)采用有效防護(hù)措施，否則禁止施焊：a）風(fēng)速：氣體保護(hù)焊大于2m/s......；b）相對(duì)濕度大于90%；d）雨、雪環(huán)境；e）焊件溫度低于-20℃。由于本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要采用自動(dòng)氣體保護(hù)焊，抗風(fēng)能力較差，當(dāng)焊接環(huán)境風(fēng)速超過2m/s時(shí)，必須采取防風(fēng)措施，因此采用：氣體保護(hù)焊時(shí)風(fēng)速大于2m/s（GB/T150.4-2011版第7.1.2a）款）。氣瓶的生產(chǎn)是在廠房?jī)?nèi)進(jìn)行，從而不用考慮“雨、雪環(huán)境”。NB/T47015-2011版第3.6.3.3條：當(dāng)焊件溫度在-20℃~0℃時(shí)，應(yīng)在始焊處100mm范圍內(nèi)預(yù)熱到15℃以上。本標(biāo)準(zhǔn)定為-20℃是考慮北方的冬天即使在室內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)，如果保溫措施不到位焊件也會(huì)低于0℃。坡口表面的質(zhì)量也是影響焊接質(zhì)量的一個(gè)重要因素。坡口表面不應(yīng)有裂紋、分層、夾雜等缺陷；施焊前，應(yīng)清除坡口及兩側(cè)母材表面至少20mm范圍內(nèi)（以離坡口邊緣的距離計(jì)）的氧化皮、油污、熔渣及其他有害雜質(zhì)（GB/T150.4-2011版第6.3條本標(biāo)準(zhǔn)條增加了坡口表面及附近的處理要求。3.6.7焊接工藝評(píng)定焊接工藝評(píng)定關(guān)乎產(chǎn)品的質(zhì)量以及安全，氣瓶用于制造前應(yīng)確認(rèn)焊接工藝符合要求。本標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T33209-2016版《焊接氣瓶焊接工藝評(píng)定》[45]的要求編寫了焊接工藝評(píng)定，并對(duì)焊接接頭的沖擊功提出了相應(yīng)的要求。焊接接頭的沖擊功應(yīng)當(dāng)不低于母材的要求。沖擊功見本編制說明第3.4.2條。3.6.8內(nèi)膽產(chǎn)品焊接試板雖然有了焊接工藝評(píng)定，但并不代表在生產(chǎn)過程中焊接工藝是穩(wěn)定的，因此需要按批對(duì)產(chǎn)品的焊接接頭性能進(jìn)行驗(yàn)證，確保制造工藝執(zhí)行的穩(wěn)定性。本標(biāo)準(zhǔn)要求，焊接工藝評(píng)定合格后；當(dāng)在生產(chǎn)時(shí)，如果有首10個(gè)產(chǎn)品焊接試板連續(xù)通過試驗(yàn)（不管批次，僅管是否連續(xù)可以放大到100只做一個(gè)試板。見本編制說明第3.6.2條。3.6.9焊縫余高余高對(duì)于交變應(yīng)力的場(chǎng)合是有害的，液氫氣瓶的充裝到使用的過程會(huì)產(chǎn)生交變應(yīng)力，因此內(nèi)膽對(duì)接焊縫余高不宜大。按照GB/T150.4-2011版表3規(guī)定，余高不應(yīng)大于0.15Sn。見本編制說3.6.10無(wú)損檢測(cè)一般由靜載荷引起的焊縫強(qiáng)度降低遠(yuǎn)小于沖擊和往復(fù)動(dòng)載荷引起的焊縫強(qiáng)度降低。因此，鋼焊縫射線檢測(cè)質(zhì)量級(jí)別主要是根據(jù)由缺陷引起的疲勞強(qiáng)度降低程度來(lái)確定。Ⅰ級(jí)焊縫是對(duì)疲勞強(qiáng)度要求很高的焊縫。通常是指核能、超高壓或工作介質(zhì)為高度和極度危害物質(zhì)的設(shè)備焊縫以及承受很大靜載荷、動(dòng)載荷和交變載荷的焊縫、特別是在循環(huán)不對(duì)稱交變載荷作用下的焊縫。此外，余高的存在將使疲勞強(qiáng)度顯著降低，所以Ⅰ級(jí)焊縫通常應(yīng)將焊縫磨平。Ⅱ級(jí)焊縫是對(duì)疲勞強(qiáng)度有一定要求的容器焊縫，即高壓或工作介質(zhì)為有害氣體焊縫以及承受較大動(dòng)、靜載荷或有限循環(huán)次數(shù)交變載荷的焊縫，允許保留余高[46]（《壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程》P338）。液氫氣瓶是低周疲勞、低壓、介質(zhì)非高度和極度危害物質(zhì)，因此選用Ⅱ級(jí)。3.6.11內(nèi)膽耐壓試驗(yàn)?zāi)蛪涸囼?yàn)的目的在于全面綜合檢驗(yàn)產(chǎn)品的整體強(qiáng)度，是對(duì)產(chǎn)品選材、設(shè)計(jì)計(jì)算、結(jié)構(gòu)以及制造質(zhì)量的綜合性檢查，是保證氣瓶在使用中的安全性的必要手段。從安全角度來(lái)說試驗(yàn)首選液壓試驗(yàn)；在有完善安全保障的情況下，也可以選擇效率較高的氣壓試驗(yàn)。CGAH-3:2019版第13.1條：用于液壓試驗(yàn)的水源應(yīng)該是可飲用水，氯化物含量小于50ppm體積(最好在10ppm到15ppm范圍內(nèi))。水壓試驗(yàn)后、內(nèi)容器和整體管道系統(tǒng)應(yīng)立即通過循環(huán)氮?dú)饣蚋稍锟諝膺M(jìn)行干燥通過系統(tǒng)。不得使用加熱氣體，除非水中氯化物含量小于1ppm。水中的氯離子含量對(duì)奧氏體不銹鋼會(huì)造成點(diǎn)蝕，如果用熱的氣體則會(huì)提高腐蝕速度，因此用熱氣體時(shí)要嚴(yán)格控制氯離子的含量。本標(biāo)準(zhǔn)仍舊沿用采用國(guó)內(nèi)耐壓試驗(yàn)對(duì)水的25ppm要求，不采用CGAH-3:2019版的要求。3.6.12內(nèi)膽檢漏氦質(zhì)譜檢漏能夠確保氣瓶?jī)?nèi)膽的致密性，此漏率可以作為計(jì)算真空壽命時(shí)的參數(shù)依據(jù)。3.6.13表面清潔度JB/T6896-2007版《空氣分離設(shè)備表面清潔度》[47]第5.2.1條規(guī)定：凡與氧接觸的零部件表面，及在運(yùn)轉(zhuǎn)中殘留油可能帶入與氧接觸的零部件表面，油脂的殘留量要符合表1一類和二類的要求。表1要求：一類表面油脂殘留量≤50mg/m2,二類表面油脂殘留量≤125mg/m2。二類要求與JB/T6896-1993第3.4.2條：“凡與氧氣接觸的零、部件表面......油脂的殘余量不應(yīng)超過125mg/m2”的數(shù)值是一樣的。ISO23208-2005版《Cryogenicvessels-Cleanlinessforcryogenicservice》[48]最大可接受的碳?xì)浠衔镂廴緸?00mg/m2。因此選用125mg/m2符合國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。3.6.14分子篩、吸氣劑吸附劑、吸氣劑可以用來(lái)保持有效的真空水平。吸附劑和吸氣劑的類型、位置和包裝應(yīng)由制造商確定。這種材料在真空空間中使用，當(dāng)它們暴露在氧氣(或空氣)中時(shí)，可以產(chǎn)生放熱反應(yīng)。在設(shè)計(jì)、修理或更換包裝以及在真空空間中的位置時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)這種潛在反應(yīng)的控制。這使得外夾套頭部材料可以作為吸氣包的型式散熱。包裝應(yīng)彼此分開，以避免集中的熱區(qū)域。還可以使用吸氣劑的一個(gè)單獨(dú)的外部附件，據(jù)此提出了分子篩在冷端，吸氣劑在熱端的要求。CGAH-3:2019第9.2.3條：“吸氣劑/吸附劑可用于維持有效的真空水平。吸氣劑和吸收劑的類型、位置和包裝應(yīng)由制造商確定。在真空空間中使用的此類材料在暴露于氧氣（或空氣）時(shí)會(huì)產(chǎn)生放熱反應(yīng)。在設(shè)計(jì)、修理或更換包裝和真空空間中的位置時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)此類潛在反應(yīng)的控制。吸氣劑包可以牢固地附著在外護(hù)套頂部的內(nèi)表面上。這允許外護(hù)套頭材料充當(dāng)吸氣劑包的散熱器。包裝應(yīng)彼此分開，以避免集中的熱量區(qū)域。也可以使用單獨(dú)的吸氣劑外部附件”。3.6.15真空夾層漏氣速率、真空夾層漏放氣速率在內(nèi)膽氦質(zhì)譜檢漏合格的基礎(chǔ)上再對(duì)外殼進(jìn)行漏率進(jìn)行規(guī)定、控制放氣速率則可以保證氣瓶的真空壽命；漏放氣速率可以作為真空壽命需要的吸附劑、吸氣劑的計(jì)算依據(jù)。3.6.16管道、閥門排放口與進(jìn)口同軸線的彈簧式安全閥，如果排放口朝上裝，在開啟后，有可能會(huì)在通道內(nèi)凝結(jié)固態(tài)氧，在適合的情況下發(fā)生著火甚至爆炸，且固態(tài)氧會(huì)堵塞排放通道造成排放量小于需要的泄放量從而引起氣瓶?jī)?nèi)部壓力升高。如果水平安裝，有可能排放的低溫蒸汽（液體）會(huì)對(duì)人員造成傷害。角度朝下可以避免這個(gè)問題，但如果角度太大，則可能會(huì)在封頭上形成固氧聚集區(qū)。截止閥安裝時(shí)，如果閥桿在閥座的下方則可能造成閥桿凍死，因此要求閥桿位于閥座正上方；最大偏轉(zhuǎn)角度不大于45°。GB/T4962-2008版第4.4.11條：不應(yīng)使用生料帶或其他絕緣材料作為連接密封手段。如無(wú)法避免使用，則應(yīng)考慮部件之間的導(dǎo)電跨接，跨接電阻應(yīng)小于0.03Ω。外部管道的焊接一般建議采用對(duì)接接頭，管道一般不建議做增加長(zhǎng)度的焊接。焊接應(yīng)用氬氣保護(hù)，背部不應(yīng)有焊瘤、焊渣、飛濺等。焊瘤、焊渣、飛濺物、毛刺、切屑可能在液氫溫度下收縮而掉落在管道內(nèi)，如果管得到內(nèi)流體速度過大，可能因?yàn)榕鲎伯a(chǎn)生火花，而發(fā)生危險(xiǎn)。掉落的焊瘤、焊渣、飛濺物、毛刺、切屑可能破壞閥門密封面。3.6.17氣密性試驗(yàn)管路氣密性試驗(yàn)可以降低氣瓶在使用過程中泄漏的幾率。管路氣密性試驗(yàn)完成后，對(duì)露點(diǎn)進(jìn)行控制主要是防止其中有水分在液氫溫度下凝結(jié)成冰而堵塞管道。保持正壓可以防止潮氣、空氣進(jìn)入內(nèi)膽。3.6.18露點(diǎn)CGAG-5.3:2017版《Commodityspecificationforhydrogen》[49]表5有露點(diǎn)與含水量的關(guān)系。露點(diǎn)-40℃的含水量為0.10291mg/L，比如175L的氣瓶則總含水量有18mg，也就是體積18mm3[一滴水的體積約是0.05ml（50mm3）]，那么這是可以接受的。3.6.19常溫真空度真空多層絕熱的設(shè)備在夾層壓強(qiáng)低于10-3Pa時(shí)表觀熱導(dǎo)率趨于一致，殘余氣體的導(dǎo)熱可以忽略不計(jì)；夾層壓強(qiáng)在10-1Pa~10Pa時(shí)，表觀熱導(dǎo)率隨壓強(qiáng)呈線性變化，是氣體分子熱傳導(dǎo)為主的原因[50]（《低溫絕熱與傳熱技術(shù)》P75當(dāng)夾層壓強(qiáng)高于10Pa時(shí)，表觀熱導(dǎo)率的主導(dǎo)因素為夾層內(nèi)的氣體，其值增加較快。在液氮溫度下，真空度數(shù)值（低溫）要比常溫真空度低10倍以上，液氫比液氮的溫度更低，因此理論上真空會(huì)更好，因此需要滿足10-3Pa等級(jí)，那么常溫真空度應(yīng)當(dāng)達(dá)到10-2Pa等級(jí)；況且進(jìn)入10-3Pa等級(jí)需要使用電離規(guī)管，這在液氫溫度下有一定的危險(xiǎn)，常用的皮拉尼規(guī)管在微機(jī)電技術(shù)（MEMS）下可穩(wěn)定達(dá)到10-2Pa等級(jí)。因此采用檢測(cè)常溫真空度。3.6.20靜態(tài)蒸發(fā)率抽檢測(cè)試靜態(tài)蒸發(fā)率可以確認(rèn)這批產(chǎn)品是否符合質(zhì)量預(yù)期。3.6.21復(fù)驗(yàn)規(guī)則在檢驗(yàn)中由于多種原因檢驗(yàn)的結(jié)果并不能真實(shí)代表產(chǎn)品的性能（如設(shè)備的原因），因此編制了復(fù)驗(yàn)規(guī)則。在復(fù)驗(yàn)條件下，對(duì)不合格的情況進(jìn)行了規(guī)定，報(bào)廢或逐張（只）檢驗(yàn)。3.7型式試驗(yàn)型式試驗(yàn)是驗(yàn)證氣瓶設(shè)計(jì)、制造工藝、安全性能等是否符合預(yù)期的一種驗(yàn)證手段。當(dāng)確定符合預(yù)期以后，則圖樣以及重要的工藝不能隨意變更。型式試驗(yàn)也只能對(duì)樣品負(fù)責(zé)，不對(duì)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量負(fù)責(zé)。3.8標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸、存放氣瓶的銘牌是表明氣瓶類別（容量、介質(zhì)）、安全（壓力、允許充裝量、使用壽命）等重要參數(shù)的方式。氣瓶標(biāo)簽是表明氣瓶類別、使用安全（警示標(biāo)簽、警示語(yǔ)、急救措施）等信息的重要載體。必要的警告內(nèi)容是對(duì)用戶的基本要求和使用規(guī)范，應(yīng)把有關(guān)安全的盡可能羅列（應(yīng)該有但不限于，如應(yīng)有“密閉或通風(fēng)不良空間禁止使用”、“遠(yuǎn)離點(diǎn)火源”，“應(yīng)保持直立”、“每?jī)赡陸?yīng)恢復(fù)常3.9產(chǎn)品說明書產(chǎn)品說明書對(duì)于氣瓶的安全使用、維護(hù)等至關(guān)重要。3.10產(chǎn)品資料資料的保管是出于當(dāng)氣瓶出現(xiàn)事故時(shí)可以為事故原因分析提供佐證資料。4.附錄附錄A的資料來(lái)源于NIST（nationalinstituteofStandardsandTechnology由于儲(chǔ)存的仲氫含量大于95%，因此性質(zhì)偏向于仲氫。通過附錄A可以了解氫的性質(zhì)，在設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)注氫的安全。4.2附錄B由于外部熱量的傳入會(huì)引起貯存的液氫的液體部分膨脹，甚至直至充滿氣瓶而引發(fā)危險(xiǎn)。澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS2809.6:2019版公式采用的質(zhì)量守恒的原理（初始充裝的質(zhì)量與安全閥整定壓力時(shí)的質(zhì)量相等其附錄A對(duì)于氫的最大允許充滿率是0.98，而本標(biāo)準(zhǔn)要求是0.93，因此其最大充滿率的公式及表格不能直接使用，而需要把其中公式的系數(shù)0.98替換為0.93，系數(shù)0.02替換為0.07。根據(jù)替換后的公式，按照本標(biāo)準(zhǔn)整定壓力的規(guī)定，計(jì)算出部分?jǐn)?shù)據(jù)供查閱。4.3附錄C編制本附錄的原因見本編制說明第3.5.6條。本附錄提供的圖紙的螺紋與CGAV-1:2013版的CGA795是一致的，只是通徑為10mm比CGA795規(guī)定的5.3mm大，并且把英制的管換成了公制管。這是一段真空管道，標(biāo)準(zhǔn)沒有對(duì)真空值提出要求，由制造單位自行決定，但至少應(yīng)該不低于氣瓶的要求。4.4附錄D由于氣瓶車上進(jìn)行運(yùn)輸，但固定簡(jiǎn)單、不牢固，因此工況比較惡劣。振動(dòng)次數(shù)、頻率按照GB/T34510-2017版附錄A。參照GB18296-2019版《汽車燃油箱及其安裝的安全性能要求和試驗(yàn)方法》[51]第5.9條“金屬燃油箱振動(dòng)耐久性試驗(yàn)”。表6金屬燃油箱振動(dòng)耐久性試驗(yàn)要求422GB18296-2019版規(guī)定液體的充裝體積為50%額定容積，GB/T34510-2017版第A.2.1.2條規(guī)定充裝與裝滿LNG等重的液氮（約50%的容積）。在容積一半的情況下振動(dòng)沖擊更加激烈，因此做此規(guī)定。振動(dòng)結(jié)果只要內(nèi)膽不泄漏，外殼結(jié)露或結(jié)霜是允許的。4.5附錄E立式氣瓶閥門端保護(hù)罩（圈）試驗(yàn)是驗(yàn)證保護(hù)罩（圈）的抗沖擊性能；底部的試驗(yàn)是模擬氣瓶在吊裝時(shí)突然跌落到地面時(shí)外殼上封頭、內(nèi)膽是否因沖擊而損壞；側(cè)面（瓶體）跌落是驗(yàn)證氣瓶的外殼在受沖擊時(shí)是否可以保持完好；上述試驗(yàn)同時(shí)能驗(yàn)證內(nèi)膽與外殼之間連接件的抗沖擊性能。本標(biāo)準(zhǔn)參照了ISO21029-1:2018版的第10.4.4條有關(guān)試驗(yàn)，其包含：提升試驗(yàn)、堆垛試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)（垂直、反向）、水平?jīng)_擊試驗(yàn)，本標(biāo)準(zhǔn)選擇了跌落試驗(yàn)及水平?jīng)_擊試驗(yàn)（本標(biāo)準(zhǔn)用跌跌落試驗(yàn)的高度按ISO21029-1:2018版要求為1.2m，方法按標(biāo)準(zhǔn)ISO11117:2019版《Gascylinders—Valveprotectioncapsandguards—Design,constructionandtests》[52]。ISO11117:2019版提出閥門保護(hù)裝置應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度，在搬運(yùn)和運(yùn)輸過程中保護(hù)閥門。它與氣瓶本體的連接應(yīng)該是固定的、不易拆卸的，保證在正常使用條件氣瓶能夠受到保護(hù)。要求受沖擊面應(yīng)為堅(jiān)硬、平坦、光滑和水平的厚度不小于10mm的鋼板，鋼板置于厚度不小于100mm的混凝土地面上。跌落高度為1.2m，跌落時(shí)氣瓶軸線與豎直方向夾角為30°。水平?jīng)_擊試驗(yàn)速度按ISO21029-1:2018版要求不低于2.6m/s，方法按標(biāo)準(zhǔn)ISO2244:2002版《Packaging—Complete,filledtransportpackagesandunitloads—Horizontalimpacttests》[53]。ISO2244:2002版實(shí)際是對(duì)氣瓶的端頭（閥門端或非閥門端）保護(hù)裝置進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，有斜坡沖擊試驗(yàn)和擺錘沖擊試驗(yàn)兩種。斜坡沖擊是把氣瓶放置在小車上，小車置于10°的斜坡上一定高度（滿足沖擊時(shí)速度不低于2.6m/s受沖擊面與斜坡成90°,然后釋放。如果采用1.5m自由落體沖擊，則速度約3.88m/s遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求的2.6m/s。汽車的車廂底板高度約為1.5米。因此本標(biāo)準(zhǔn)選用1.5米作為試驗(yàn)要求。試驗(yàn)評(píng)定采用GB/T34510-2017版第A.2.3.4條的規(guī)定。氣瓶受損后不發(fā)生的泄漏可以避免人員受低溫灼傷、窒息、可燃介質(zhì)爆炸等危險(xiǎn)。4.6附錄F安全泄放的計(jì)算正確與否關(guān)系氣瓶的安全。本附錄的計(jì)算公式采用CGAS-1.2:2009版的規(guī)定。其中λ1和λ2來(lái)源于ISO21013-3:2016版《Cryogenicvessels-Pressurereliefaccessoriesforcryogenicservice》[54]的表1，超臨界壓力計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)源于ISO21013-3:2016版的表2。T/GDASE0033.1-2022編寫組參考文獻(xiàn)：[1]GB/T24159-2022焊接絕熱氣瓶[S][2]49CFR§178.57:2018Specification4Lweldedinsulatedcylinders（DOT-4L:2018）[S][3]ISO13985:2006Liquidhydrogen-Landvehiclefueltanks[S][4]CGAS-1.2:2009PressureReliefDeviceStandardsPart2-Portablecontainersforcompressedgases[S][5]CGAH-3:2019Standardforcryogenichydrogenstorage[S][6]TSG23-2021