氫氣是一種很有前景的解決方案。從氫氣的產(chǎn)生到最終使用，安全可靠地處理氫氣是在各種應(yīng)用中充分發(fā)揮氫氣作為零排放燃料源潛力的關(guān)鍵。
然而，氫氣的存儲(chǔ)和傳輸卻面臨著一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)。氫是元素周期表中的第一個(gè)元素，由一個(gè)帶正電的質(zhì)子和一個(gè)帶負(fù)電的電子組成。它是最小、最輕的原子。在不斷發(fā)展的氫能經(jīng)濟(jì)中，氫需要以液態(tài)和氣態(tài)形式處理。氫的液化溫度為-252.9°C(-423°F)，液態(tài)氫的密度是氣態(tài)氫的140倍。以液態(tài)形式運(yùn)輸和儲(chǔ)存H2的效率更高，但在使用時(shí)，H2卻是氣態(tài)。因此，氫氣系統(tǒng)中使用的金屬會(huì)受到兩種現(xiàn)象的影響。
1、低溫脆化：隨著溫度的降低，金屬會(huì)失去一些延展性。
2、氫脆：原子氫會(huì)擴(kuò)散到金屬中并導(dǎo)致脆化。
在這里，脆化是指金屬在氫氣環(huán)境中的延展性和抗斷裂及抗疲勞能力與在空氣中和室溫下的抗斷裂及抗疲勞能力相比發(fā)生下降。這些問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障，造成安全風(fēng)險(xiǎn)、增加停機(jī)時(shí)間和帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。隨著氫能行業(yè)的不斷擴(kuò)大，解決這些系統(tǒng)建設(shè)難題對(duì)于氫燃料作為一種長(zhǎng)期、可持續(xù)的燃料解決方案被廣泛采用至關(guān)重要。
那么，氫能領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)人員如何才能建造經(jīng)久耐用的氫氣處理系統(tǒng)？關(guān)鍵要牢記，材料對(duì)于氫氣存儲(chǔ)至關(guān)重要。流體系統(tǒng)采用特殊配方的優(yōu)質(zhì)不銹鋼，能夠更好地抵御氫氣存儲(chǔ)的固有挑戰(zhàn)。以下常見(jiàn)問(wèn)題將解釋規(guī)范制定者在選擇氫氣存儲(chǔ)元件材料時(shí)應(yīng)如何考慮以及應(yīng)考慮哪些因素。
【問(wèn)】：什么是低溫脆化？
【答】：低溫脆化是指隨著溫度的降低，延展性、韌性、抗疲勞性和抗斷裂性降低。奧氏體不銹鋼只發(fā)生輕微的低溫脆化，而鐵素體鋼(低合金鋼和鐵素體不銹鋼)則更容易發(fā)生低溫脆化。因此，奧氏體不銹鋼是液氫系統(tǒng)的黃金標(biāo)準(zhǔn)。
【問(wèn)】：氫如何滲透到金屬中？
【答】：氫分子(H2，藍(lán)色)可以離解成原子氫(H，紅色)并滲透到金屬中。氫原子聚積在應(yīng)力集中處，如裂紋尖端或微觀結(jié)構(gòu)特征處，如晶界、夾雜物或沉淀物。在某些情況下，原子氫可轉(zhuǎn)化為雙原子氫。
【問(wèn)】：什么是氫脆？
【答】：氫脆會(huì)降低金屬的抗疲勞和抗斷裂性能。超高強(qiáng)度材料的氫脆現(xiàn)象更為嚴(yán)重。
雖然不銹鋼與氫的相容性通常比許多其他金屬要好，但并非所有不銹鋼都具有同樣的抗氫脆性能。
奧氏體不銹鋼的特點(diǎn)是具有面心立方(FCC)晶體結(jié)構(gòu)、中等強(qiáng)度和天然高延展性。雖然它們與氫的相容性通常比許多其他金屬要好，但并非所有不銹鋼都具有同樣的抗氫脆性能。
【問(wèn)】：使用對(duì)氫脆更敏感的不銹鋼會(huì)有什么潛在后果？
【答】：選擇對(duì)氫脆更敏感的材料會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)完整性更容易失效。
與延展性損失相比，抗疲勞能力的降低更令人擔(dān)憂。延展性是指材料在失效前在拉伸應(yīng)力作用下能夠承受塑性變形的程度。設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)脑粫?huì)承受導(dǎo)致塑性變形的應(yīng)力。相反，由于壓力循環(huán)、振動(dòng)或其他使用負(fù)荷造成的周期性負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致疲勞引發(fā)的緩慢累積的損壞和失效—疲勞是指由于重復(fù)應(yīng)力或負(fù)荷造成的鋼材強(qiáng)度減弱。如果材料受到水等腐蝕性環(huán)境因素的影響，系統(tǒng)或元件失效的可能性會(huì)進(jìn)一步加劇。
當(dāng)然，元件失效會(huì)導(dǎo)致一系列不良后果，包括：
①潛在的安全問(wèn)題
②維護(hù)或維修導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)
③元件更換更頻繁
④氫氣逸散到環(huán)境中導(dǎo)致可持續(xù)性問(wèn)題
⑤資產(chǎn)的總運(yùn)營(yíng)成本和總所有權(quán)成本會(huì)更高
⑥具有很低鎳含量的鐵素體合金會(huì)顯著變脆，而鎳含量介于10％與30％之間的奧氏體合金則表現(xiàn)出相對(duì)較小的脆化。
【問(wèn)】：如何區(qū)分高質(zhì)量不銹鋼和低質(zhì)量不銹鋼？
【答】：事實(shí)證明，含鎳量較高的高質(zhì)量不銹鋼更適合處理H2，尤其是在較長(zhǎng)的使用壽命內(nèi)。
美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)要求316不銹鋼配方中的鎳含量至少為10%，但鎳含量至少為12%的316不銹鋼更適合應(yīng)對(duì)氫能行業(yè)的獨(dú)特挑戰(zhàn)。鎳含量有助于穩(wěn)定不銹鋼的微觀結(jié)構(gòu)，使其更能抵抗氫脆。在測(cè)試中，我們發(fā)現(xiàn)氫脆對(duì)含12%鎳含量的316不銹鋼的拉伸延展性影響很小。
鎳含量至少為12%的316不銹鋼更適合應(yīng)對(duì)氫能行業(yè)的獨(dú)特挑戰(zhàn)。鎳含量較高的不銹鋼有助于防止氫脆。
雖然鎳含量較高的316不銹鋼通常是氫能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的理想選擇，但在某些情況下，特定應(yīng)用的性能標(biāo)準(zhǔn)(如需要優(yōu)先考慮材料強(qiáng)度或耐腐蝕性)可能會(huì)使另一種材料成為理想選擇。在這些情況下，正確的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和維護(hù)可有助于防止脆化。像世偉洛克這樣的組織會(huì)繼續(xù)研究和了解氫對(duì)其他合金的影響，可以幫助您做出明智的決定。
