世界能源需求的不斷增長(zhǎng)和化石能源引起的環(huán)境污染問題都迫切呼喚著新能源的開發(fā)與利用。氫能具有來源多樣、儲(chǔ)運(yùn)便捷、利用高效、清潔環(huán)保等特點(diǎn)，氫既是清潔能源，又是支撐化石能源清潔高效利用、可再生能源大規(guī)模儲(chǔ)能的重要手段。21世紀(jì)以來，發(fā)達(dá)國家爭(zhēng)相出臺(tái)氫能技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，以便在未來的新能源競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主動(dòng)權(quán)。我國也高度重視氫能燃料電池汽車的發(fā)展，《中國制造2025》(2015—2025年)將節(jié)能與新能源汽車列為十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一，提出“實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本氫氣制取、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、應(yīng)用一體化”的戰(zhàn)略目標(biāo)，要大力發(fā)展氫能、燃料電池等新一代能源科技。2016年發(fā)布的《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃(2016—2020)》中將氫能、燃料電池列為新一代引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性能源技術(shù)。2019年《政府工作報(bào)告》強(qiáng)調(diào)“推動(dòng)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”等內(nèi)容，氫能首次被寫入《政府工作報(bào)告》。截至2018年底，世界范圍內(nèi)已建成加氫站369座，其中我國已建成加氫站23座，占比約6%。根據(jù)《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書(2016)》，2020年我國加氫站將達(dá)100座，2030年達(dá)到1000座。

氫氣易燃易爆、燃燒范圍寬(4%～75%)、點(diǎn)火能量低、擴(kuò)散系數(shù)大且易對(duì)材料力學(xué)性能產(chǎn)生劣化，在制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加注和使用過程中均具有潛在的泄漏和爆炸危險(xiǎn)，因此氫安全是氫能應(yīng)用和大規(guī)模商業(yè)化推廣的重要前提之一，并在世界范圍內(nèi)引起了廣泛的關(guān)注。許多國家成立了專門的研究機(jī)構(gòu)開展氫安全研究，以期在氫能產(chǎn)業(yè)化過程中占據(jù)主動(dòng)權(quán)和制高點(diǎn)，如日本供氫及氫應(yīng)用技術(shù)協(xié)會(huì)(HySUT)、日本氫能檢測(cè)研究中心(HyTＲeC)、美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室(SNL)、歐盟燃料電池和氫氣聯(lián)合協(xié)會(huì)(FCH2JU)、北愛爾蘭氫安全工程研究中心(HySAFEＲ)、加拿大電力科技實(shí)驗(yàn)室(PowerTech)等。國際上也專門成立了國際氫安全協(xié)會(huì)(IA-Hysafe)來推動(dòng)氫安全的發(fā)展。IA-Hysafe每?jī)赡杲M織一次國際氫安全會(huì)議(ICHS)，為展示和探討氫安全領(lǐng)域的最新研究成果，以及分享氫安全相關(guān)信息、政策和數(shù)據(jù)提供了一個(gè)開放的平臺(tái)。同時(shí)，國際氫能協(xié)會(huì)(IAHE)創(chuàng)立了《國際氫能雜志》(International Journal of HydrogenEnergy)，該雜志涵蓋了氫的制取、儲(chǔ)輸、應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)化等各個(gè)領(lǐng)域，現(xiàn)階段已成為氫能領(lǐng)域研究成果交流的主流期刊。

為了保障氫能產(chǎn)業(yè)快速健康發(fā)展，我國相關(guān)機(jī)構(gòu)也在氫安全領(lǐng)域開展了大量研究，如浙江大學(xué)成立了氫安全研究實(shí)驗(yàn)室，在氫氣泄漏爆炸、氫與材料相容性、高壓氫氣快充溫升、車載儲(chǔ)氫氣瓶耐火性能、氫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等方面開展了較為系統(tǒng)的研究，并取得了重要的階段性成果。鄭津洋等在2016年首次對(duì)國內(nèi)外氫安全研究現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)性總結(jié)，本文在其基礎(chǔ)上，依次從氫泄漏與擴(kuò)散、氫燃燒與爆炸、氫與金屬材料相容性、氫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)4個(gè)方面介紹國內(nèi)外近3年來氫安全研究的最新進(jìn)展，明確氫安全發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與難點(diǎn)，并針對(duì)我國氫安全的發(fā)展提出建議。

1、氫泄漏與擴(kuò)散

氫是自然界最輕的元素，具有易泄漏擴(kuò)散的特性。氫氣無色無味，泄漏后很難發(fā)覺，若在受限空間內(nèi)泄漏，易形成氫氣的積聚，存在引發(fā)著火爆炸事故的潛在威脅。液氫能量密度高，沸點(diǎn)低，泄漏后會(huì)造成周邊空氣的冷凝，若大規(guī)模泄漏易在地面形成液池，蒸發(fā)擴(kuò)散后會(huì)與空氣形成可燃?xì)庠疲黾恿税l(fā)生著火爆炸的可能性。研究氫泄漏及擴(kuò)散規(guī)律，明確上述領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)，對(duì)氫能的大規(guī)模應(yīng)用具有重要意義。

1.1 氫氣泄漏與擴(kuò)散

根據(jù)氫氣泄漏源與周圍環(huán)境大氣壓之間壓力比值的不同，氫氣泄漏可分為亞聲速射流和欠膨脹射流。亞聲速射流在泄漏出口處已經(jīng)充分膨脹，壓力與周圍環(huán)境壓力相等，氣流速度低于當(dāng)?shù)芈曀伲孤┖蟮臍錆舛确植紳M足雙曲線衰減規(guī)律;欠膨脹射流在泄漏口處速度等于當(dāng)?shù)芈曀伲隹谕馍淞鳉怏w繼續(xù)膨脹加速，形成復(fù)雜的激波結(jié)構(gòu)，氫濃度分布也更為復(fù)雜。SNL通過試驗(yàn)研究了穩(wěn)態(tài)氫氣欠膨脹射流出口處的激波結(jié)構(gòu)，并測(cè)量了馬赫盤的位置，結(jié)果表明，馬赫盤的位置只與噴嘴直徑和壓力比有關(guān)。Takeno、Okabayashi等通過試驗(yàn)測(cè)量了不同壓力和泄漏孔直徑下氫濃度的分布，給出了射流方向上氫平均濃度、濃度波動(dòng)和可燃概率的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

由于欠膨脹射流真實(shí)濃度場(chǎng)的復(fù)雜性，氫氣射流數(shù)值模擬研究通常采用“虛噴管”的方法進(jìn)行簡(jiǎn)化，即假設(shè)所有氣流均由一個(gè)等效于實(shí)際泄漏出口的虛擬管出口流出，出口壓力與環(huán)境壓力相等。Han等證明了虛噴管法計(jì)算得到的氫濃度分布滿足雙曲線衰減規(guī)律，但計(jì)算結(jié)果較真實(shí)值偏大。Andrei將直接數(shù)值模擬方法(DNS)與虛噴管法的射流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，同樣表明虛噴管法得到的可燃區(qū)域結(jié)果較DNS結(jié)果大30%左右。為了提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，Tang等采用自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化技術(shù)(AMＲ)，在泄漏口處采用DNS方法，使得計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性。

隨著氫燃料電池汽車和小型儲(chǔ)氫容器的市場(chǎng)化應(yīng)用，很多學(xué)者針對(duì)氫在車庫、隧道、維修站、儲(chǔ)氫間等受限空間內(nèi)的泄漏開展了大量研究。研究表明:當(dāng)泄漏率一定時(shí)，受限空間內(nèi)氫濃度的分布主要取決于空間受限程度和通風(fēng)狀況;氫在可通風(fēng)室內(nèi)空間泄漏后存在壓力峰值現(xiàn)象，即使未被點(diǎn)燃仍會(huì)產(chǎn)生較大超壓。近年來，壓力峰值現(xiàn)象愈發(fā)受到科研人員的關(guān)注。Brennan等研究了儲(chǔ)氫壓力、超壓泄放裝置(PＲD)直徑、通風(fēng)口大小對(duì)峰值壓力的影響，并依據(jù)上述參數(shù)得出了判斷峰值壓力的工程算圖;Makarov等開展了不同通風(fēng)條件下氫在車庫內(nèi)的泄漏試驗(yàn)，驗(yàn)證了壓力峰值CFD模型的有效性。另外，F(xiàn)CH2JU開展了室內(nèi)氫泄漏的基礎(chǔ)性安全研究項(xiàng)目，給出了泄漏事故的預(yù)防和后果減緩措施。

氫氣泄漏與擴(kuò)散研究主要面臨的挑戰(zhàn)如下:1)泄漏口形狀、障礙物、氫濃度梯度及空氣浮力對(duì)氫泄漏擴(kuò)散的影響規(guī)律;2)基于虛噴管法的泄漏模型優(yōu)化及多個(gè)通風(fēng)口情形下峰值壓力的預(yù)測(cè)方法;3)氫氣/空氣分層對(duì)PＲD泄放過程的影響;4)氫發(fā)生多處泄漏時(shí)，不同氫射流之間的相互作用與影響。

1.2 液氫泄漏與擴(kuò)散

液氫的意外泄漏擴(kuò)散規(guī)律研究是保障液氫安全使用的重點(diǎn)。美國國家航空航天局(NASA)、德國聯(lián)邦材料研究與測(cè)試學(xué)會(huì)(BAM)和英國健康安全實(shí)驗(yàn)室(HSL)都成功開展了液氫的大規(guī)模泄漏試驗(yàn)，得到了可燃蒸汽云濃度、地面溫度、蒸汽云耗散時(shí)間等寶貴數(shù)據(jù)，其中HSL液氫試驗(yàn)形成的地面空氣冷凝見圖1。液氫大規(guī)模泄漏試驗(yàn)的模擬研究也在進(jìn)行中，國內(nèi)外很多學(xué)者建立了一系列液氫泄漏模型，并利用上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型有效性驗(yàn)證，同時(shí)研究了泄漏率、風(fēng)速條件、大氣壓力、地面溫度等參數(shù)對(duì)液氫可燃蒸汽云形成和擴(kuò)散的影響。但由于液氫的復(fù)雜特性，其泄漏模型的建立比氣態(tài)氫更為困難，現(xiàn)階段仍不成熟，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一定的偏差。除了大規(guī)模泄漏試驗(yàn)外，邊界條件更明確的小型液氫泄漏試驗(yàn)對(duì)于模型的驗(yàn)證具有重要意義。卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)的小型液氫泄漏試驗(yàn)表明液氫的濃度衰減速度小于氣態(tài)氫。

圖1液氫泄漏試驗(yàn)(HSL)

液氫泄漏與擴(kuò)散研究主要面臨的挑戰(zhàn)如下:1)蒸汽擴(kuò)散對(duì)液氫液池?cái)U(kuò)展、蒸發(fā)過程的影響及液氫閃蒸蒸汽分?jǐn)?shù)的評(píng)估方法;2)考慮氫的非理想特性的液氫泄漏模型;3)從空氣、地面到低溫蒸汽的熱輻射研究及該部分熱輻射對(duì)整體熱量傳遞的作用;4)邊界條件明確的小規(guī)模液氫泄漏試驗(yàn);5)液氫容器耐火性能的提高。

2、氫燃燒與爆炸

氫燃燒范圍寬，點(diǎn)火能量低，若泄漏后被立即點(diǎn)燃會(huì)形成射流火焰，稱為氫噴射火。依據(jù)泄漏狀態(tài)的不同，氫噴射火可分為亞聲速噴射火和欠膨脹射流噴射火。SNL、HySAFEＲ等機(jī)構(gòu)開展了一系列氫噴射火試驗(yàn)，得到了火焰長(zhǎng)度和熱輻射值等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并總結(jié)出基于弗雷德數(shù)Fr、雷諾數(shù)Ｒe和馬赫數(shù)Ma計(jì)算不同噴射火類型下火焰長(zhǎng)度的經(jīng)驗(yàn)公式，但試驗(yàn)所用噴嘴形狀均為圓形。Mogi等通過試驗(yàn)對(duì)比研究了不同噴嘴類型下的氫氣噴射火特性，見表1，結(jié)果表明噴嘴形狀對(duì)火焰長(zhǎng)度具有顯著的影響。氫噴射火模擬的研究重點(diǎn)為熱輻射模型的建立。付佳佳等基于OpenFOAM平臺(tái)，嵌入基于大渦模擬思想的fvDOM輻射計(jì)算模型，對(duì)氫亞聲速噴射火中火焰長(zhǎng)度的影響因素進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究。Brennan等同樣基于大渦模擬方法，采用基于概率密度函數(shù)的混合分?jǐn)?shù)燃燒模型，結(jié)合“虛噴管”概念，對(duì)氫欠膨脹噴射火火焰長(zhǎng)度、寬度進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究。Cirrone等采用渦流耗散燃燒模型和DO熱輻射模型，對(duì)氫欠膨脹噴射火熱輻射危害進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究。雖然有不少學(xué)者開展了氫噴射火的模擬研究，但總體而言相關(guān)燃燒模型和熱輻射模型仍不成熟，模擬結(jié)果具有一定的不確定性。

表1不同噴嘴類型下的氫氣噴射火試驗(yàn)

氫在受限空間內(nèi)泄漏后，易發(fā)生氫氣的積聚，形成可燃?xì)錃庠啤Ｈ艨扇荚茍F(tuán)被意外點(diǎn)燃，由于障礙物的影響，火焰與障礙物之間產(chǎn)生的循環(huán)激勵(lì)效應(yīng)加劇了燃燒過程。在燃燒初始階段，燃燒波與沖擊波分離且速度低于沖擊波，稱為爆燃;隨著火焰的加速，當(dāng)燃燒波與沖擊波以同樣的速度向前傳播時(shí)，稱為爆轟，整個(gè)過程稱為爆燃爆轟轉(zhuǎn)變(DDT)。爆轟波的形成會(huì)嚴(yán)重加劇事故后果，因此DDT一直是氫燃燒爆炸研究的熱點(diǎn)。研究重點(diǎn)為DDT的產(chǎn)生機(jī)理及障礙物尺寸、空間受限程度、燃料氣體成分、燃料濃度梯度和反應(yīng)邊界條件對(duì)火焰加速過程和DDT發(fā)生位置的影響。研究表明，火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)歷緩燃、爆燃、爆燃轉(zhuǎn)強(qiáng)爆轟、強(qiáng)爆轟衰減及穩(wěn)定爆轟等階段，火焰、主導(dǎo)激波和反射激波間的相互作用是影響DDT的主要因素。

高壓氫氣泄漏后在沒有點(diǎn)火源的情況下會(huì)發(fā)生自燃，但目前國際上對(duì)氫自燃機(jī)理尚無定論，相關(guān)機(jī)理主要包括逆焦耳-湯普遜效應(yīng)、擴(kuò)散點(diǎn)火機(jī)理、靜電點(diǎn)火機(jī)理、熱表面點(diǎn)火機(jī)理和催化反應(yīng)點(diǎn)火機(jī)理。Mogi、Yamada等分別通過試驗(yàn)和模擬研究了高壓氫氣通過管道泄放的自燃過程，論證了擴(kuò)散點(diǎn)火機(jī)理的合理性。Duan等基于擴(kuò)散點(diǎn)火機(jī)理，利用試驗(yàn)和理論分析方法對(duì)高壓氫氣泄漏激波傳播特性、自燃機(jī)理及自燃火焰發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。

氫燃燒與爆炸研究主要面臨的挑戰(zhàn)如下:1)噴嘴形狀、障礙物對(duì)噴射火焰長(zhǎng)度、熱輻射的影響，以及氫濃度梯度對(duì)火焰加速和DDT的影響;2)氫噴射火產(chǎn)生的微火焰對(duì)材料性能的影響;3)典型生產(chǎn)工況下的氫爆燃爆轟試驗(yàn)及液氫泄漏瞬態(tài)脈動(dòng)噴射火試驗(yàn);4)氫自燃機(jī)理及復(fù)雜形狀管道下的氫自燃試驗(yàn);5)可燃?xì)湓诘湫凸r下的點(diǎn)火概率及氫濃度對(duì)點(diǎn)火概率的影響。

3、氫與金屬材料相容性

金屬材料長(zhǎng)期在氫環(huán)境下工作，會(huì)出現(xiàn)性能劣化的現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅氫系統(tǒng)的服役安全。氫環(huán)境下應(yīng)用的金屬材料要求與氫具有良好的相容性，需進(jìn)行氫與材料之間的相容性試驗(yàn)，主要包括慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)、斷裂韌度試驗(yàn)、疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)、疲勞壽命試驗(yàn)、圓片試驗(yàn)等，相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要包括國際標(biāo)準(zhǔn)ISO111144:2017《移動(dòng)氣瓶———氣瓶及瓶閥材料與盛裝氣體的相容性》、美國標(biāo)準(zhǔn)ASMEBPVC-Ⅷ3KD10《臨氫容器的特殊要求》、ANSI/CSACHMC1—2014《金屬材料與高壓氫氣環(huán)境相容性試驗(yàn)方法》、ASTMG142—98(2016年修訂)《高壓或高溫條件下金屬材料與氫環(huán)境相容性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》和我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T34542.2—2018《氫氣儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)———第2部分:金屬材料與氫環(huán)境相容性試驗(yàn)方法》、GB/T34542.3—2018《氫氣儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)———第3部分:金屬材料氫脆敏感度試驗(yàn)方法》。

被廣泛認(rèn)可的氫與材料相容性檢測(cè)方式是高壓氫環(huán)境中的原位檢測(cè)。世界各國正積極搭建氫環(huán)境原位測(cè)試平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)將材料直接置于高壓氫環(huán)境下進(jìn)行相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所最高試驗(yàn)壓力可達(dá)210MPa，最高試驗(yàn)溫度可達(dá)190℃。我國浙江大學(xué)利用自有專利技術(shù)研發(fā)了我國首套140MPa高壓氫環(huán)境耐久性試驗(yàn)裝置，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步成功研制了國際首套140MPa快開式高低溫高壓氫脆試驗(yàn)裝置，為我國金屬材料與氫相容性研究提供了有力的硬件支撐。

金屬材料在高壓氫環(huán)境中服役時(shí)，氫分子能夠分解成氫原子進(jìn)入金屬材料內(nèi)部，在微觀和宏觀層面上造成材料的性能劣化，稱為氫脆。目前國內(nèi)外學(xué)者普遍接受的氫脆機(jī)理為弱鍵理論(HEDE)和氫促進(jìn)局部化塑性變形理論(HELP)。系統(tǒng)地開展氫與金屬材料的相容性研究，在高壓氫環(huán)境中獲得材料的抗氫脆性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)氫脆的預(yù)防和控制具有十分重要的意義。世界范圍內(nèi)有很多學(xué)者針對(duì)4130鉻鉬低合金鋼、300系列奧氏體不銹鋼、6061鋁合金、API5LX42-X80管線鋼等材料，開展了其在高壓氫環(huán)境下的相容性試驗(yàn)，為高壓臨氫設(shè)備材料的選擇提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在973計(jì)劃項(xiàng)目等的持續(xù)支持下，浙江大學(xué)利用金屬材料在高壓氫環(huán)境中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了我國首個(gè)國產(chǎn)金屬材料與高壓氫環(huán)境相容性數(shù)據(jù)庫。

將可再生能源產(chǎn)生的無法并網(wǎng)利用的電能通過電解水轉(zhuǎn)化為氫能儲(chǔ)存起來并應(yīng)用，是重要的發(fā)展方向，稱之為可再生能源電力制氫(Powerto-Hydrogen)。將可再生能源制得的氫氣摻入現(xiàn)有的天然氣管線進(jìn)行輸送，能夠大幅度地節(jié)約管道建設(shè)成本，但材料與摻氫天然氣之間的相容性需要系統(tǒng)深入地評(píng)估。趙永志等總結(jié)了摻氫天然氣與配送管道、長(zhǎng)距離輸送管道及管網(wǎng)其他設(shè)備(儲(chǔ)存設(shè)備、動(dòng)設(shè)備)的相容性，認(rèn)為摻入的氫氣對(duì)低壓配送管道產(chǎn)生的影響較小，而對(duì)長(zhǎng)距離高壓輸送管道的影響程度主要取決于管道操作壓力和摻氫比例。蒙波等針對(duì)摻氫天然氣高壓輸送管道的安全性問題進(jìn)行研究，得到了X70、X80管線鋼在不同摻氫比例下的力學(xué)性能劣化規(guī)律。

氫與金屬材料相容性研究主要面臨的挑戰(zhàn)如下:1)臨氫環(huán)境下裂紋萌生和擴(kuò)展機(jī)理，主要包括低應(yīng)力強(qiáng)度因子變化范圍△K下疲勞裂紋萌生的測(cè)試和評(píng)估方法，以及氫氣壓力對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值△Kth的影響;2)氫環(huán)境與材料相容性數(shù)據(jù)庫的完善，氫環(huán)境包括氫氣環(huán)境和摻氫天然氣環(huán)境，材料包括金屬材料和非金屬材料;3)零部件材料和制造工藝對(duì)其抗氫脆性能的影響，包括材料中雜質(zhì)含量、焊接殘余應(yīng)力和表面粗糙度等;4)國際統(tǒng)一的氫與材料相容性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、摻氫天然氣儲(chǔ)輸標(biāo)準(zhǔn)等。

4、氫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

4.1風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

氫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法主要分為快速風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)(ＲapidＲiskＲanking，ＲＲＲ)和量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(QuantitativeＲiskAssessment，QＲA)。ＲＲＲ為經(jīng)驗(yàn)式的定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，將專家分析討論后得到的結(jié)果與風(fēng)險(xiǎn)矩陣進(jìn)行對(duì)比，以獲得相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，可快速確定主要危險(xiǎn)源;QＲA是對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)價(jià)，可以科學(xué)地評(píng)價(jià)氫能系統(tǒng)或某一具體事故的風(fēng)險(xiǎn)值(個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn))，為風(fēng)險(xiǎn)減緩措施提供指導(dǎo)和建議，還可以直接應(yīng)用到氫安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，如安全距離的確定，現(xiàn)階段已成為氫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的主流方法，評(píng)價(jià)流程見圖2。

圖2 量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程

氫燃料電池汽車和加氫站的安全應(yīng)用受到人們的普遍關(guān)注。Kikukawa等綜合分析了液氫加氫站可能發(fā)生的事故類型，采用ＲＲＲ方法對(duì)加氫站進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。Dadashzadeh等針對(duì)火災(zāi)事故中的氫燃料電池汽車，給出了火災(zāi)情景下車載儲(chǔ)氫氣瓶的QＲA方法。Middha等針對(duì)氫燃料電池汽車在隧道內(nèi)的泄漏，開展了事故后果量化研究，為受限空間內(nèi)氫泄漏QＲA方法建立提供了支撐。Li等針對(duì)上海世博加氫站開展了QＲA研究，明確了對(duì)站內(nèi)員工、加氫顧客和第三方人員的風(fēng)險(xiǎn)值。李靜媛等同樣以上海世博加氫站為例，定量研究了加氫站內(nèi)高壓儲(chǔ)氫氣瓶發(fā)生泄漏爆炸的事故后果，并提出了事故減緩措施。

QＲA結(jié)果依托于氫泄漏、擴(kuò)散、燃燒、爆炸等數(shù)值模型的精度，以及網(wǎng)格尺寸、邊界條件等模擬條件的設(shè)置，即使對(duì)于相同的事故類型，由于模型精度和條件設(shè)置的不同，往往會(huì)得出不同的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，因此提高模型的準(zhǔn)確性及模擬條件設(shè)置的合理性對(duì)氫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)具有重要意義。為解決上述問題，F(xiàn)CH2JU推出了SUSANA項(xiàng)目，對(duì)氫行為(泄漏、擴(kuò)散、燃燒、爆炸)相關(guān)數(shù)值模型進(jìn)行了大量的驗(yàn)證工作，同時(shí)給出了氫數(shù)值模擬研究的推薦方法。

氫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法研究面臨的主要挑戰(zhàn)如下:1)加氫站設(shè)施真實(shí)幾何形狀建模及包含事故緩解措施的加氫站QＲA方法;2)受限空間內(nèi)氫燃料電池汽車泄漏事故的QＲA方法;3)更多典型氫應(yīng)用場(chǎng)景(高壓氫氣儲(chǔ)輸、液氫儲(chǔ)輸、摻氫天然氣儲(chǔ)輸?shù)?下氫事故的QＲA方法。

4.2風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工具

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工具是指基于驗(yàn)證過的工程概率模型和事故后果模型建立的、具有良好用戶交互界面的平臺(tái)，用戶能夠輸入特定的信息和邊界條件并在短時(shí)間內(nèi)獲得風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)。2014年，SNL和IAHysafe共同推出了名為“HyＲAM”的首個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工具，該工具基于QＲA方法，在對(duì)氫加注、儲(chǔ)存等氫能設(shè)施進(jìn)行安全性評(píng)估的同時(shí)，有效縮短了計(jì)算時(shí)間。HyＲAM將目前國際上較為先進(jìn)的理論研究、工程模型和氫安全相關(guān)數(shù)據(jù)集成為一個(gè)工業(yè)化的綜合性分析體系，有助于國際氫安全標(biāo)準(zhǔn)的制定和各國相關(guān)政策的實(shí)施。

后果量化評(píng)價(jià)作為QＲA的重要一環(huán)，其功能的實(shí)現(xiàn)亦離不開軟件的支撐，現(xiàn)階段常用于氫安全研究的量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件主要包括FLACS和PHAST。FLACS為Gexcon公司開發(fā)的、基于CFD技術(shù)的專業(yè)模擬氣體擴(kuò)散、燃燒和爆炸的軟件，能夠耦合火焰與裝置、管道等設(shè)備的相互作用和影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏爆炸后果的量化分析與計(jì)算。Middha、Vyazmina等開展了一系列氫泄漏、擴(kuò)散、燃燒、爆炸等試驗(yàn)，對(duì)氫相關(guān)行為模型進(jìn)行了驗(yàn)證，證明FLACS可用于氫安全研究。PHAST為DNV公司開發(fā)的基于CFD技術(shù)的軟件，包含多種常見的壓力管道、容器等泄漏、擴(kuò)散、池火、爆炸等數(shù)值模型，且已在多個(gè)領(lǐng)域(化工、建筑)內(nèi)得到大范圍應(yīng)用。現(xiàn)階段已有學(xué)者利用PHAST軟件開展氫氣泄漏及爆炸的研究，但相關(guān)數(shù)值模型對(duì)氫氣的適用性仍需進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工具主要面臨的挑戰(zhàn)如下:1)若干氫行為數(shù)值模型的建立與驗(yàn)證，包括液氫泄漏、開放環(huán)境下氫氣爆燃爆轟、爆燃爆轟轉(zhuǎn)變(DDT)、氫點(diǎn)火、流體與火焰界面相互作用等模型;2)數(shù)值模型的準(zhǔn)確性及氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)失效、泄漏頻率等方面的有效數(shù)據(jù)。

5、結(jié)論與建議

本文主要從氫泄漏與擴(kuò)散、氫燃燒與爆炸、氫與金屬材料相容性和氫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)4個(gè)方面介紹了國內(nèi)外氫安全的研究現(xiàn)狀，明確了氫安全研究仍面臨的挑戰(zhàn)。在氫泄漏與擴(kuò)散研究方面，泄漏口形狀、氫濃度梯度及空氣浮力對(duì)氫氣泄漏擴(kuò)散的影響規(guī)律仍需進(jìn)一步研究，考慮液氫非理想特性的兩相泄漏模型的建立仍存在較大困難;在氫燃燒與爆炸研究方面，火焰加速(FA)和爆燃爆轟轉(zhuǎn)變(DDT)的機(jī)理仍不明確，氫自燃機(jī)理及試驗(yàn)研究仍需加強(qiáng);在氫與金屬材料相容性方面，材料在高壓氫環(huán)境下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為缺乏，國際統(tǒng)一的氫與材料相容性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、摻氫天然氣儲(chǔ)輸標(biāo)準(zhǔn)尚未建立;在氫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面，更多典型氫應(yīng)用工況下泄漏事故的QＲA方法仍需建立，氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)失效、泄漏頻率等方面的有效數(shù)據(jù)相對(duì)較少。

政府的高度重視和資本的不斷涌入為我國氫能的發(fā)展提供了前所未有的契機(jī)，我國氫安全研究近年來也取得了快速的發(fā)展。但相較于日本、美國、德國等發(fā)達(dá)國家，我國氫安全研究起步較晚，研究機(jī)構(gòu)目前主要集中在少數(shù)高等院校和科研院所，研究能力仍存在較大的差距。針對(duì)我國氫安全研究的發(fā)展提出以下建議。

1）系統(tǒng)開展氫泄漏、擴(kuò)散、燃燒、爆炸等相關(guān)試驗(yàn)研究，為氫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)所需模型的建立與驗(yàn)證提供充足的基礎(chǔ)數(shù)據(jù);完善金屬和非金屬材料的抗氫脆性能數(shù)據(jù)庫，為我國高壓臨氫承載件材料選擇、設(shè)計(jì)制造、安全評(píng)估、標(biāo)準(zhǔn)制訂提供依據(jù)。

2）加強(qiáng)氫能基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行安全技術(shù)研究，形成氫系統(tǒng)綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，針對(duì)氫的制備、儲(chǔ)輸和加氫站建設(shè)，形成氫能基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)網(wǎng)絡(luò)重大危險(xiǎn)源辨識(shí)方法，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)量化計(jì)算與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，同時(shí)建立有效的事故緩解方法和應(yīng)急安全響應(yīng)機(jī)制，為我國氫燃料電池汽車的商業(yè)化發(fā)展提供支撐。

3)進(jìn)一步完善我國氫安全質(zhì)量體系(包括標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量、合格評(píng)定等方面)，為氫能產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的安全運(yùn)行提供支撐，同時(shí)組建具有第三方公正地位的氫安全檢測(cè)研究中心，提升氫能裝備安全檢測(cè)能力，為氫能產(chǎn)品安全檢驗(yàn)和認(rèn)證、臨氫容器設(shè)計(jì)制造、氫安全規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)制訂、氫能設(shè)施定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、進(jìn)口氫能產(chǎn)品安全檢測(cè)提供技術(shù)支持。