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构建氢供应链技术标准的研究与开发

2025-10-17 08:25:44

来源:世界金属导报

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1前言

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日本于2021年10月发布的《第六次能源基本计划》将氢气定位为新资源,加快在社会应用,并提出扩大在需求方(发电、运输、工业、民生部门)的氢气利用。 2023年6月修订的《氢基本战略》将氢作为实现碳中和的关键能源,强调了在氢供应和利用方面构建氢供应链的必要性。推进对应这一要求的研发是必不可少的。

一般财团法人碳中和燃料技术中心 (2024年4月由一般财团法人石油能源技术中心更名),从2003年度开始,通过国立研究开发法人新能源·产业技术综合开发机构(NEDO)的委托业务,与共同研究者一起实施了关于氢供应链中,主要用于向FCV(燃料电池汽车)充氢的加氢站可使用钢材的相关研究开发,并将取得的成果与一般高压气体安全规则相关例示标准(以下简称一般规则例示标准)的修订相关联。

本文概述了用于加氢站的钢材中奥氏体不锈钢SUS316和SUS316L的技术标准。



2 奥氏体不锈钢SUS316和SUS316L技术标准

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2.1 2019年之前的SUS316和SUS316L的一般规则例示标准制定、修改内容的变化

图1示出了SUS316和SUS316L的一般规则例示标准化的演变。在35MPa加氢站的时代,SUS316L的使用得到认可(图1的①)。

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之后,2012年美国加氢站设置在蓄压器上的释放阀破损,氢气全部泄漏,发生了火灾事故。日本作为对策,对氢脆化安全性确认的材料补充了一般规则例示标准。此外,在加氢站向FCV填充的最高压力从35MPa上升到70MPa时,为了将高压氢气冷却至最大-40℃,引入了预冷却器。如图2中温度对SUS316系的相对断面收缩率的影响所报告的那样,在低温区域中氢的影响显著。在材料的力学性能即抗拉强度、屈服强度、伸长率和断面收缩率中,断面收缩率最容易受氢的影响。因此,将断面收缩率作为材料选择标准,采用SSRT(低应变速率拉伸试验)的相对断面收缩率,以及表示奥氏体稳定度的Ni当量的思路,Ni当量为28.5%以上且断面收缩率的实测值在75%以上时,表示在-40~85℃的范围内可以使用。根据这些研究的结果,如图1中②所示,附加了按照使用温度区分的Ni当量限制,并于2012年12月修改了一般规则例示标准。

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在2013年度-2017年度实施的NEDO“氢气利用技术研发业务/燃料电池汽车及氢供应基础设施的国内法规合理化,国际标准协调、国际标准化相关研发/扩大加氢站用金属材料钢种的相关研发”中,新获取了为扩大SUS316、SUS316L的可用范围而缺少的低温区和高温区的数据。此外,还调查了工业用氢气出货设备、制造设备的配管、阀门等的使用材料及压力、温度范围等使用条件。氢气压力在25MPa以下且常温使用条件下,使用碳钢、SUS304、SUS316和SUS316L等一般流通的通用钢。过去30多年,没有因材料的氢脆化引起的事故实例,没有问题的使用实例有很多。在重油直接脱硫装置等石油精炼设备中,即使氢的上限压力达到20MPa左右,通用钢也可以长期没有问题的使用。根据上述长期安全使用的实际业绩,在一般规则例示标准的修改中,SUS316、SUS316L(Ni当量材)使用范围可以扩大到-45~250℃的温度区域,并且常用压力超过了20MPa的范围(图1的③)。

此外,在该NEDO业务中,与其他NEDO业务合作,通过提出SUH660和XM-19,作为可使用钢种的扩大,实现了一般规则例示标准化(表1和表2)。

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2.2现行SUS316、SUS316L的一般规则例示标准

在2018年度-2022年度实施的NEDO“氢气利用技术研发业务/燃料电池汽车及氢供应基础设施的国内法规合理化、国际标准协调、国际标准化相关研发/扩大加氢站用金属材料钢种的相关研发”中,进一步研究了SUS316、SUS316L使用范围的扩大。在高压氢气环境下,必须使用确保强度、延展性和疲劳特性的材料。对于上述断面收缩率标准,使用伸长率作为有关延展性的新指标,以在材料中要求超过JIS标准值的一定伸长率的条件,在低温(-45℃)、高压(82MPa)下的SUS316、SUS316L的Ni当量即使从28.5%下降到26.9%,也确认了可以安全使用材料。另外,在-45℃氢气中对SUS316L钢进行疲劳试验,确认了疲劳限度与大气中相比没有降低。通过提出图3所示的技术标准,2020年11月对一般规则示例标准进行了修订。

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3 今后发展

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在2023年度开始实施的NEDO“构建竞争性氢气供应链的技术开发业务/整备共同基础设施的技术开发/构建氢社会的钢材研究开发”中,与共同研究人员一起,重新审视26.9%的Ni当量限制,以可以在35MPa加氢站使用没有Ni当量限制的SUS316L为目的进行研究开发。

图4示出了有关SUS316L的成分分析调查结果。图中同时表示了上述一般规则例示标准的制定、修订变化。如果Ni当量可以降低到26.3%,则可以使用市面上大致的SUS316L。目前,正在对Ni当量26%附近的钢材数据进行采集和分析,探讨降低Ni当量至26.3%的氢相容性判断标准,同时为进一步扩大钢种进行新的数据分析。

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