我國加氫站儲氣設備檢測監測技術現狀綜述

段志祥 胡杭健 段會永 郝 剛 馮異勇

（1.中國特種設備檢測研究院 北京 l00029）

（2.成都鼎勝科技有限公司 成都 610000）

儲氫設備是加氫站的必要裝備，與氫能產業發展息息相關，也受到了業內研究機構和學者廣泛關注。鄭津洋等人[1-3]對加氫站儲氫設備特點進行了總結，對國外儲氫設備的安全技術方面要求進行了介紹，并對我國氫能承壓設備面臨的主要風險進行了剖析。

目前加氫站儲氫設備[4]主要有氣態儲氫的單層容器（瓶式容器、儲氣井）、多層容器（鋼帶錯繞式容器、層板包扎式容器等），以及真空絕熱液氫壓力容器和固態儲氫容器。

本文在對相關文獻和標準進行分析總結的基礎上，對加氫站儲氣設備的檢驗檢測技術和法規標準情況進行闡述。鑒于目前加氫站使用瓶式容器和鋼帶錯繞式多層容器相對較多，儲氫井近年來受到加氫站設計單位、安裝單位、使用單位和相關研究機構的廣泛關注，本文重點對瓶式容器、鋼帶錯繞式容器和儲氫井的檢驗檢測技術進展進行總結分析，并提出存在的主要問題和建議。

1 加氫站儲氣設備檢驗檢測技術現狀

1.1 站用儲氫瓶組（瓶式容器）檢驗

●1.1.1 檢驗概況

參考天然氣儲氣瓶組的檢驗方法[5]和TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》[6]的檢驗要求，中國特種設備檢測研究院（以下簡稱筆者單位）制定了《站用儲氫氣瓶定期檢驗與評定》等企業標準[7-8]。檢驗除了實施一般檢驗項目外，還包括瓶口滲透檢測、瓶體聲發射檢測、管路水壓試驗等項目。

目前筆者單位已開發加氫站移動式專用加壓檢測車，并依據企業標準完成鄭州宇通、大連新源動力、云浮國鴻、成都氫捷動力等加氫站儲氫瓶組的檢驗。

●1.1.2 渦流/內窺檢測技術

根據站用瓶式容器結構特點，兩端收縮開口，且長徑比較大，開口直徑約70 mm，筒體直徑406～700 mm，采用內壁陣列基于TMR的陣列渦流檢測技術，為此開發探頭機構，對瓶式容器進行檢測，如圖1所示。

圖1 瓶式容器渦流檢測探頭機構

整體運動采用步進式運動，周向旋轉1周，步進1個探頭步長；內壁檢測支撐選用可伸縮形式的3點固定，在檢測件進入內壁檢測前，支撐件處于收起狀態，進入管壁內測可以展開通過彈簧有展開作用力，固定彈簧另一頭，使得不會自動收回。檢測設備選用支桿原理，通過彈簧收縮帶動支桿，使檢測器一直緊貼容器內壁。檢測器支架上安裝內窺高清攝像頭，可檢查瓶壁內表面狀況，檢測圖像見圖2。

圖2 瓶式容器內窺檢測

●1.1.3 在線監測技術

筆者單位在調研工業物聯網技術、特種設備安全狀態參量監測診斷技術、氫能儲運設備監測技術現狀及瓶式容器使用、管理、維護、檢驗單位對監測診斷預警技術的功能需求的基礎上，確定了瓶式容器的主要監測參數和監測方案，提出現場采集和遠程診斷預警系統的功能設計建議。根據瓶式容器監測預警技術的主要功能需求和目前適用于加氣（氫）站瓶式容器的監測預警技術，提出監測預警系統的主要功能和框架結構。搭建數據采集裝置，對瓶式容器的狀態進行實時監測，監測內容包括介質壓力、溫度、氫氣泄漏、容器壁厚、應變、聲信號，視頻信號等，并具備數據通信功能。裝置通過應用控制采集器硬件對各傳感器的實時數據進行采集，根據不同數據類型將數據封裝后通過4G網絡將數據上報至監測診斷預警系統服務器端。傳感器需要考慮壽命、精度、可靠性、環境適應性以及網絡可靠性，還需要重點考慮傳感器的防爆性能。目前已在CNG瓶組和儲氫瓶組上開展示范應用。

1.2 鋼帶錯繞式儲氣容器檢驗

●1.2.1 檢驗概述

該類容器檢驗可參照團體標準T／ZJASE 001—2019《固定式高壓儲氫用鋼帶錯繞式容器定期檢驗與評定》[9]進行，除了常規檢驗項目外，還進行超聲相控陣檢測等項目。而進行相控陣檢測，需要采用與被檢設備相同的材料制作各種可能缺陷的模擬試塊，實施周期較長，成本較高。

●1.2.2 相控陣檢測技術

基于該類容器的特點，需要將探頭放入封頭接管深孔中進行相控陣檢測[10]，但常規相控陣探頭難以進入接管內，且存在小曲率凹面聲耦合、檢測聲程大、奧氏體不銹鋼焊縫晶粒粗大等困難，常規相控陣技術對焊縫及其熱影響區缺陷或損傷檢測較為困難。

繆存堅等人[10-13]提出了內置式曲面耦合超聲相控陣檢測方法，其檢測原理示意如圖3所示。上述研究認為，在解決封頭上雙層結構與單層接管結構連接處的厚壁對接焊縫埋藏缺陷檢測難題的基礎上，再結合宏觀檢驗、壁厚測定等常規定期檢驗項目，可有效發現容器在使用過程中產生的缺陷。

圖3 內置式曲面耦合超聲相控陣檢測示意圖

1.3 儲氣（氫）井檢驗

●1.3.1 檢驗概述

當前儲存天然氣等介質儲氣井定期檢驗以宏觀檢驗、井筒腐蝕檢測、水壓試驗等項目為主。主要依據NB／T 10621—2021《儲氣井定期檢驗》[14]進行。檢驗過程中需要對介質進行置換，一般采用注水的方式。

儲氫井的外部損傷模式與天然氣儲氣井相近。但由介質引起的失效模式與天然氣儲氣井存在區別，且氫氣的品質要求高，檢驗相關的輔助工作更加嚴格。目前的檢測和評價方法尚需要通過試驗改進和工程驗證，在儲氫井損傷和失效模式、檢驗檢測與評價等技術等方面還需要開展進一步的科研攻關。

盡管如此，從外部損傷角度分析，儲氫井和CNG儲氣井基本是相同的。CNG儲氣井[15]的檢驗技術現狀，一定程度上也反映了儲氫井的檢驗檢測技術現狀。

●1.3.2 儲氣井防腐及固井檢測技術

石坤等人[16]研究了適用于儲氣井的固井質量檢測和評價方法；開發了短源距水泥膠結固井質量檢測儀器設備系統（見圖4）。建立包含固井水泥環的儲氣井結構有限元模型，開展數值仿真分析，研究了水泥環對儲氣井金屬本體的強度影響，并確定了有效固井水泥環長度要求。

圖4 儲氣井水泥防護層膠結質量檢測設備（現場及示意）

針對儲氣井外部腐蝕問題，開發了陰極保護防腐技術及遠程監控系統（見圖5），能有效提高儲氣井抗腐蝕能力。為加強儲氣井的固定效果，降低失效風險，減小事故后果，設計開發了儲氣井鋼筋混凝土加固處理技術（見圖6），并研究提出了相應加固評價方法。

圖5 儲氣井陰極保護裝置及其遠程監控系統

圖6 加固處理現場照片

●1.3.3 儲氣井定期檢驗技術

儲氣井位于地下，采用傳統的壓力容器檢驗方法開展檢測與測試極為困難。筆者單位在充分研究分析油氣井檢測平臺的基礎上，對適于儲氣井檢測的技術開展理論研究，在已有無損檢測技術成果的基礎上，充分應用高新技術，研究適用于儲氣井井筒壁厚檢測的無損檢測技術和評價方法，開發了多通道陣列厚水層水浸超聲檢測儀器（見圖7），集成開發了井下電視檢測儀器。結合壓力容器檢驗規范，建立了儲氣井檢驗技術體系，形成了適用于儲氣井的安全檢測與評價系列方法。

圖7 井筒壁厚腐蝕自動超聲檢測系統及檢測示意

東北石油大學等單位[17]開展了儲氣井漏磁檢測的理論分析、有限元模擬，研制了相應檢測設備系統。該方法可以不需要耦合介質，對于介質純凈度要求更高的儲氫井的檢測來說比較有利，但它對檢測發現的缺陷尺寸大小難以定量確定，目前評價較為困難。該項技術目前以科研或試用為主，工程應用較少。

●1.3.4 儲氣井綜合試驗及智能監測技術

筆者單位[18，19]建造了儲氣井試驗驗證基地和裝備，在試驗井中進行儲氣井固井檢測、自動超聲測厚等檢驗方法的驗證試驗，并且實施了應力測試（見圖8）、抗拔力測試（見圖9）等試驗。獲得了全尺寸真實儲氣井的應力狀況、疲勞性能、抗拔能力，以及儲氣井的安全狀態參數。

圖8 儲氣井地下井筒應力測試

圖9 儲氣井抗拔力測試

研制了儲氣井移動式檢測試驗平臺（檢測工程車），見圖10?？捎糜谛轮圃靸饩喙叹|量檢測及在用儲氣井定期檢驗，配置有固井檢測儀、自動超聲腐蝕檢測儀、井下電視、陰極保護以及常規無損檢測儀器設備。該移動檢測試驗平臺設置有儀器存放單元、鋼纜動力單元、檢測操作單元和駕駛單元。

圖10 儲氣井移動式檢測平臺

筆者單位聯合儲氣井制造企業開發了儲氣井智能監測管理平臺（見圖11），可實時進行儲氣井井筒垂直位移監測（上冒下沉監測）及預警、壓力循環監測、井口泄漏監測與預警、井下泄漏監測報警、泄漏修復處置以及井區視屏監測與報警等，可實現多層次多維度網絡化智能監控與管理功能，提升儲氣井安全水平。

圖11 儲氣井智能安全管理數據中心大屏展示

2 檢驗檢測與使用的法規標準

我國在加氫站儲氫設備檢驗與使用方面的主要標準見表1。

表1 加氫站儲氣設備檢驗與使用標準規范

在氣態儲氫容器的檢驗和使用方面，已有部分標準，提出了部分要求，但目前還缺乏瓶式壓力容器和纖維纏繞類儲氫容器的相關標準，尚未出臺固定式高壓儲氫容器定期檢驗的國家或行業標準。在加氫站儲氫容器的使用管理方面，GB／T 34583—2017《加氫站用儲氫裝置安全技術要求》做出了相關規定。加氫站承壓設備風險評估及在線監測技術方面的行業標準已立項，正在起草中。在加氫站儲氫井方面，雖有儲氣井的檢驗標準，但檢驗技術和輔助工作還需進一步研究完善及工程化驗證。儲氫井使用和檢修（包括介質置換、清潔等方面）、儲氣井（儲氫井）漏磁無損檢測技術等尚需研制相關標準。我國在真空絕熱液氫壓力容器的性能測試標準方面仍是空白。

3 問題與建議

1）檢驗檢測技術方面。在加氫站儲氫設備檢驗檢測方面，各科研和檢驗機構開展了大量研究工作。筆者單位采用聲發射、超聲導波等無損檢測技術開展了瓶式容器定期檢驗，并制訂了企業標準，但還需要進一步針對高壓儲氫容器的損傷模式，開發專用檢測方法和檢驗標準。容器在高壓氫環境下長期運行，金屬材料主要表現為韌性降低、疲勞裂紋擴展速率加快等，因此定期檢驗還需要考慮容器內壁的微小缺陷，建立內壁微小缺陷的檢驗檢測能力和在線、不拆卸的檢驗方法。鋼帶錯繞容器高效的相控陣檢測技術，儲氫井定期檢驗中的介質置換、儀器脫脂等技術，是目前亟須解決的關鍵技術難題，建議相關機構投入科研力量進行攻關。

2）智能監測方面。通過將儲氫設備檢驗檢測技術與先進傳感器[22]、物聯網、大數據等技術融合，構建加氫站儲氫設備智能化網絡，是加氫站儲氫設備安全保障技術未來發展的重要趨勢。儲氫設備監測技術目前還處于研究和試點階段，應加快儲氫設備智能監測技術的推廣應用，不斷積累數據和經驗，進一步完善智能監測預警技術體系。

3）法規標準方面。我國在儲氫井、瓶式容器、真空絕熱液氫容器等儲氫設備的檢驗、檢測、維修、測試方面的標準還比較缺失，或已有相近標準但適用性不強。我國在加氫站儲氫設備充裝使用、完整性管理等方面的國家／行業標準還很不健全，亟須通過集智攻關完善我國加氫站儲氫設備技術標準體系。