燃料電池車(FCV)及加氫站使用的氫氣在壓力上最大達到80MPa以上。曝露于這一高壓氫氣環(huán)境下的金屬構(gòu)件(管道、閥門及儲壓器等)需要考慮因微量氫氣侵入材料而導(dǎo)致強度及延展性下降(氫脆化)的問題，實施相關(guān)的強度設(shè)計。下面就來介紹一下與高壓氫氣環(huán)境中使用的金屬部件的強度設(shè)計思路及最新動向。更多信息請點擊，或者撥打我們的熱線電話：400-6277-838

　　可在高壓氫氣環(huán)境中使用的材料

　　2000年前后日本國內(nèi)開發(fā)的35MPa加氫站只允許使用“不受氫影響的材料”。當(dāng)時在材料上有3項要求：(1)在氫氣中的慢應(yīng)變速率拉伸測試(SSRT 測試)中，拉伸強度、屈服應(yīng)力、延伸性及延展性與在大氣中為同等以上水平;(2)氫氣中的疲勞壽命特性與大氣中為同等程度;(3)氫中的疲勞裂紋擴展速度與大氣中為同等程度。在這些要求下，可使用的材料有奧氏體不銹鋼“SUS316L”及鋁合金“A6061-T6”。而鉻鉬鋼“SCM435”雖然也在允許之列，但必須要用超聲波探傷儀確認不存在有害缺陷，滿足這一條件后方可使用。

　　2010年前后日本開始討論70MPa加氫站并在國內(nèi)各地推進相關(guān)建設(shè)，其材料使用范圍擴大到了“受氫影響少的材料”。這一時期允許使用符合一定要求的奧氏體不銹鋼，具體來說就是在SSRT測試中受氫氣影響最大的“延展性”要滿足評判標(biāo)準(zhǔn)，并且氫氣中的疲勞測試結(jié)果(疲勞壽命特性)要與大氣中為同等程度。

　　今后，要想兼顧相關(guān)部件的安全性和經(jīng)濟性，使用“受氫影響但價格便宜的材料”尤為重要。2013年6月日本內(nèi)閣會議通過了相關(guān)規(guī)定改革實施計劃，為了在日本國內(nèi)廣泛使用鉻鉬鋼等受氫影響的鋼材，加入了擴大可用鋼材范圍的內(nèi)容。筆者等根據(jù)在高壓氫氣環(huán)境下獲得的、與“SCM435”相關(guān)的一系列實驗結(jié)果，提出了使用鉻鉬鋼時的材料選擇標(biāo)準(zhǔn)，以及使用“公式型設(shè)計”及“分析型設(shè)計”時的指南。

　　在高壓氫氣環(huán)境中使用的部件的強度設(shè)計

　　高壓氣體部件的強度設(shè)計一般有基于疲勞限度設(shè)計(無限壽命設(shè)計)的“公式型設(shè)計”，以及基于有限壽命設(shè)計的“分析型設(shè)計”。這里以受氫影響的“SCM435”為例，對高壓氫氣環(huán)境中使用的構(gòu)件的強度設(shè)計做一概述。

　　“公式型設(shè)計”以安全系數(shù)Fs為基礎(chǔ)使用無限壽命設(shè)計。已有設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Fs值為3.5～4.0。在無限壽命設(shè)計中，在氫氣環(huán)境中不下降的疲勞限度尤為重要。筆者等在“115MPa”氫氣中對“SCM435”實施了慢應(yīng)變速率測試，所獲得的應(yīng)力-位移曲線及疲勞壽命數(shù)據(jù)顯示，即使是受氫影響較大的 “SCM435”，在高壓氫氣中，作為安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的拉伸強度也未下降，并且作為無限壽命設(shè)計依據(jù)的疲勞限度也未下降。因此，這種材料有望使用基于安全系數(shù)(Fs=3.5～4.0)的疲勞限度設(shè)計。

　　而“分析型設(shè)計”使用的安全系數(shù)為Fs=2.4～3.0。從美國工程師學(xué)會(ASME)在Section VIII Div.3標(biāo)準(zhǔn)中注明的設(shè)計流程圖來看，在設(shè)想有限壽命時，除了實施公式型設(shè)計所需要的材料選擇及壁厚計算之外，還必須要實施破前漏(Leak Before Break、LBB)判定及疲勞裂紋擴展等破壞力學(xué)分析。破前漏是指疲勞裂紋貫穿壁厚使內(nèi)壓釋放時裂紋停留、不產(chǎn)生非穩(wěn)定性破壞的破壞模式。要想防止伴隨疲勞破壞的重大事故，實現(xiàn)相關(guān)分析尤其重要。

　　筆者等在“115MPa”氫氣環(huán)境下獲得的“SCM435”的疲勞裂縫擴展特性顯示，在高壓氫氣環(huán)境中，疲勞裂縫擴展速度大幅加快。但有時疲勞裂縫擴展速度的加速在各氫氣壓力下也存在上限值。這在使用有氫影響的材料實施“分析型設(shè)計”時，成為在安全上合理決定疲勞裂縫擴展壽命的關(guān)鍵。

　　綜上所述，即使是有氫影響的“SCM435”，只要限定強度水平，便有望使用氫氣中的疲勞裂縫擴展特性和大氣中的破壞韌性值，實施基于安全系數(shù)(Fs=2.4～3.0)的“分析型設(shè)計”。而有些低合金鋼及高強度鋼在氫影響下，疲勞裂縫擴展有時會出現(xiàn)顯著加快，不存在加速上限值。這些材料由于沒有設(shè)計依據(jù)，因此不能實施“分析型設(shè)計”，不過，只要將來開發(fā)出在疲勞裂縫擴展上擁有加速上限值的材料，就有望在儲壓器上使用更高強度的材料。

　　海外及國際統(tǒng)一的動向

　　與高壓氫氣設(shè)備相關(guān)的海外標(biāo)準(zhǔn)有ASME BPVC Section VIII、Div.3、Article KD-10以及最近由加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(Canadian Standards Association，CSA)發(fā)布的ANSI/CSA CHMC 1-2014。Article KD-10根據(jù)大氣中的平面應(yīng)變斷裂韌性測試數(shù)據(jù)，以及氫氣中的對氫致疲勞破裂的極限應(yīng)力擴大系數(shù)，從中選擇較小的一個來要求極限裂紋深度。并且還根據(jù)氫氣中的疲勞裂紋擴展特性來預(yù)測構(gòu)件的疲勞壽命，其極限應(yīng)力擴大系數(shù)通過定負荷或定位移測試來決定。

　　CHMC 1-2014提出了安全系數(shù)倍數(shù)法，將用于大氣環(huán)境的安全系數(shù)Fs乘以“安全系數(shù)倍數(shù)SFM(Safety Factor Multiplier)”得出的數(shù)值作為氫氣中的安全系數(shù)來使用。SFM值通過在氫氣中和大氣中對切口試樣實施SSRT測試和疲勞壽命測試來求得。也就是說，對大氣中和氫氣中的拉伸強度比(SF0)，以及103、104、105次循環(huán)中的大氣中和氫氣中的時間強度比做比較，從中選擇最大的一個定義為 SFM。

　　在汽車用壓縮氫容器方面，日本2014年度在國內(nèi)法規(guī)中啟用全球統(tǒng)一的GTR(Global Technical Regulation，全球性技術(shù)法規(guī))Phase I標(biāo)準(zhǔn)。不過，GTR-Phase I在材料的氫適合性測試方法上尚未實現(xiàn)全球統(tǒng)一。今后，相關(guān)方法有必要在GTR-Phase II中實施統(tǒng)一，目前國際上正以CHMC 1-2014及SAE-J2579為基礎(chǔ)展開討論。

　　在高壓氫設(shè)備方面，要想兼顧安全性和經(jīng)濟性，就必須進一步擴大可使用的材料，研究相關(guān)設(shè)計方法并在國際上達成統(tǒng)一。為了使日本成為該領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，在全球的氫社會構(gòu)建中搶得先機，日本各相關(guān)人士將協(xié)起手來，舉日本全國之力繼續(xù)展開相關(guān)活動。