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| 标准编号 | GB/T 29729-2013 (GB/T29729-2013) | | 中文名称 | 氢系统安全的基本要求 | | 英文名称 | Essential requirements for the safety of hydrogen systems | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | G86 | | 国际标准分类 | 71.020; 71.100.20 | | 字数估计 | 28,288 | | 引用标准 | GB 2894; GB 4962-2008; GB 5099; GB 12014; GB 12358; GB 16808; GB/T 18442.1; GB/T 18442.2; GB/T 18442.3; GB/T 18442.4; GB/T 18442.5; GB/T 18442.6; GB/T 19773; GB/T 19774; GB 21146; GB/T 24499; GB 50058; GB 50177-2005; GB 50217; GB 50275; GB 50516-2010; JB/ | | 采用标准 | ISO/TR 15916-2004; NEQ | | 标准依据 | 国家标准公告2013年第19号 | | 发布机构 | 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会 | | 范围 | 本标准规定了氢系统的类别、氢的基本特性、氢系统的危险因素及其风险控制的基本要求。本标准适用于氢的制取、储存和输送系统的设计和使用。 | GB/T 29729-2013
Essential requirements for the safety of hydrogen systems
ICS 71.020;71.100.20
G86
中华人民共和国国家标准
氢系统安全的基本要求
2013-09-18发布
2014-01-01实施
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会发布
目次
前言 Ⅲ
1 范围 1
2 规范性引用文件 1
3 术语和定义 2
4 氢系统的类别 2
5 氢的基本特性 2
6 氢系统的危险因素 3
7 风险控制 4
附录A(资料性附录) 典型制氢系统 15
附录B(资料性附录) 氢的性质 18
附录C(资料性附录) 氢的燃烧特性 22
附录D(资料性附录) 氢环境常用金属材料 24
氢系统安全的基本要求
1 范围
本标准规定了氢系统的类别、氢的基本特性、氢系统的危险因素及其风险控制的基本要求。
本标准适用于氢的制取、储存和输送系统的设计和使用。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文
件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB 2894 安全标志及其使用导则
GB 4962-2008 氢气使用安全技术规程
GB 5099 钢质无缝气瓶
GB 12014 防静电服
GB 12358 作业场所环境气体检测报警仪 通用技术要求
GB 16808 可燃气体报警控制器
GB/T 18442.1 固定式真空绝热深冷压力容器 第1部分:总则
GB/T 18442.2 固定式真空绝热深冷压力容器 第2部分:材料
GB/T 18442.3 固定式真空绝热深冷压力容器 第3部分:设计
GB/T 18442.4 固定式真空绝热深冷压力容器 第4部分:制造
GB/T 18442.5 固定式真空绝热深冷压力容器 第5部分:检验与试验
GB/T 18442.6 固定式真空绝热深冷压力容器 第6部分:安全防护
GB/T 19773 变压吸附提纯氢系统技术要求
GB/T 19774 水电解制氢系统技术要求
GB 21146 个体防护装备 职业鞋
GB/T 24499 氢气、氢能与氢能系统术语
GB 50058 爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范
GB 50177-2005 氢气站设计规范
GB 50217 电力工程电缆设计规范
GB 50275 风机、压缩机、泵安装工程施工及验收规范
GB 50516-2010 加氢站技术规范
JB/T 4711 压力容器涂敷与运输包装
JB4732-1995 钢制压力容器分析设计标准
TSGR0004 固定式压力容器安全技术监察规程
TSGR0005 移动式压力容器安全技术监察规程
TSGR0009 车用气瓶安全技术监察规程
《气瓶安全监察规程》
5.1.2 液氢在标准沸点下的密度为70.78kg/m3,标准沸点下常态氢转化为仲氢的转化热为
527.14kJ/kg。液氢与其他液化气体的热物理性质比较参见附录B中的表B.3。
5.2 燃烧特性
5.2.1 氢气在常温常压空气中的可燃极限为4%~75%(体积分数)。氢的燃烧特性参见附录C中的
表C.1,氢气与其他常见燃料的燃烧特性比较参见附录C中的表C.2。
5.2.2 氢气在常温常压空气中的爆轰极限为18.3%~59%(体积分数),爆轰速度为1480m/s~2150m/s。
6 氢系统的危险因素
6.1 泄漏和渗漏
6.1.1 氢气易通过多孔材料、装配面或密封面泄漏。氢气泄漏后将迅速扩散,导致可燃、可爆区域不断
扩大,且扩散过程肉眼不可见。影响氢气泄漏扩散的主要因素包括泄漏位置、环境温度、环境风速、环境
风向和障碍物。
6.1.2 液氢和氢浆系统发生泄漏后,液氢和氢浆将迅速蒸发扩散,形成可见的可爆雾团,并可能导致系
统形成负压而使周围空气进入系统冷凝而结冰,可能堵塞系统的管道、阀门等部件。
6.1.3 氢易渗入某些非金属材料内而引起氢渗漏。若液氢或氢浆系统发生氢渗漏,可导致氢损耗或真
空绝热层破坏。
6.2 与燃烧有关的危险因素
6.2.1 氢气、液氢或氢浆被点燃,将引起氢燃烧或爆炸。氢燃烧可造成氢系统材料性能劣化,并可能导
致氢系统因内部温度和压力急剧升高而超压失效。
6.2.2 氢气爆燃可导致燃烧区域的迅速扩大和密闭空间压力的迅速升高。氢气爆轰产生的高速爆轰
波可对燃烧区域外的环境产生巨大冲击,并伴随有高温气体的迅速传播。
6.3 与压力有关的危险因素
6.3.1 氢气系统失效可导致高压氢气储存能量迅速释放,形成冲击波,破坏周围设施。
6.3.2 液氢和氢浆系统漏热将引起热分层和氢蒸发,导致系统内的氢体积急剧增大,若泄压装置动作
不及时,可导致系统超压失效。
6.3.3 氢浆中的固体氢颗粒易积聚沉淀而堵塞氢浆系统的管道、阀门等部件。
6.4 与温度有关的危险因素
6.4.1 氢液化过程温度急剧下降,可导致材料收缩。氢系统材料收缩程度不同,可能导致系统结构变
形不协调,从而造成结构中应力增大或密封面泄漏。
6.4.2 液氢和氢浆系统的低温环境可导致材料韧性下降,增加材料的裂纹敏感性。液氢和氢浆系统的
温度低于材料的韧脆转变温度时,材料将由韧性状态转变为脆性状态。
6.5 与固态储氢有关的危险因素
6.5.1 金属氢化物的解吸氢压随金属氢化物温度升高呈指数函数增大,可能导致金属氢化物容器超压
失效。
6.5.2 固态储氢容器在使用过程中,由于振动或氢气流推动,易造成粉体局部堆积而导致容器膨胀、破
损。若含氢活性粉体随氢气流通过阀门向外逸出,可污染环境并可能引起燃烧。
6.5.3 固态储氢容器在加热解吸放氢后的冷却过程中,容器内可能形成负压而吸入空气,导致活性粉
体逐渐失活。
6.5.4 固态储氢物质均有很高的表面活性,其与原料氢中含有的CO、SO2、Cl2、O2、CO2 等杂质接触
会被污染或中毒失活。
6.6 氢腐蚀和氢脆
6.6.1 钢在高温高压氢环境中服役一定时间后,氢可与钢中的碳反应生成甲烷,造成钢脱碳和微裂纹
的形成,导致钢性能不可逆地劣化。温度越高、氢分压越大,钢的氢腐蚀越严重。
6.6.2 金属吸收内部氢或外部氢后,局部氢浓度达到饱和时,将引起塑性下降、诱发裂纹或延迟断裂。
温度越高、氢分压越大、应变速率越大,金属的氢脆越严重。
6.7 生理危害
6.7.1 人体皮肤直接接触低温氢气、液氢或氢浆易导致冻伤,直接接触高温且肉眼不可见的氢火焰易
导致高温灼伤。
6.7.2 氢燃烧产生的大量紫外线辐射易损伤人体皮肤,氢火灾引起的次生火灾会产生浓烟或其他有害
燃烧产物,危害人体健康。
7 风险控制
7.1 基本原则
氢系统应遵循以下基本原则:
a) 在满足需求的前提下,控制储存和操作中氢的使用量;
b) 制定相应操作程序;
c) 减少处于危险环境中的人员数量,并缩短所处时间;
d) 避免氢/空气(氧气)混合物在密闭空间积聚;
e) 确定氢系统的爆炸危险区域,爆炸危险区域的等级定义应符合GB 50058的规定;
f) 确保氢系统的爆炸危险区域内无其他杂物,通道畅通。
7.2 设计风险控制
7.2.1 基本要求
氢系统设计应满足以下基本要求:
a) 失效-安全设计:
1) 设置安全泄放装置、阻火器等安全附件;
2) 设置单容错或双容错。
b) 自动安全控制:
1) 远程实时监测系统的安全状态;
2) 自动控制压力、流速等运行参数;
3) 检测到氢泄漏时,设备应能自动采取相应的安全措施,包括关闭截止阀、开启通风装置、关
停设备等。
c) 氢系统出现异常、故障或失灵时,报警装置应能及时报警。
7.2.2 合理选材
7.2.2.1 氢系统选材应考虑以下因素:
---与氢的相容性;
---与相邻材料的相容性;
---与使用环境的相容性;
---毒性;
---失效模式;
---可加工性;
---经济性。
7.2.2.2 氢系统用金属材料应满足强度要求,并具有良好的塑性、韧性和可制造性。用于低温工况时
还应有良好的低温韧性,且其韧脆转变温度应低于系统的工作温度。
7.2.2.3 氢系统用非金属材料应有良好的抗氢渗透性能。
7.2.2.4 温度或压力变化引起材料的形状或尺寸变化时,相邻材料间的变形应互相协调,以确保系统
的密封性能和各部件的正常工作。
7.2.2.5 氢系统中与氢直接接触的金属材料,应与氢具有良好的相容性。必要时,应在与使用条件相
当的温度和压力范围内,对材料进行氢相容性试验。
7.2.2.6 氢系统宜选用含碳量低或加入强碳化物形成元素的钢。
7.2.2.7 氢环境常用金属材料参见附录D。为降低金属材料的氢脆敏感性,应采取以下措施:
a) 将材料硬度和强度控制在适当的水平;
b) 降低残余应力;
c) 避免或减少材料冷塑性变形;
d) 避免承受交变载荷的部件发生疲劳破坏;
e) 使用奥氏体不锈钢、铝合金等氢脆敏感性低的材料。
7.2.3 设备
7.2.3.1 氢气储存容器
7.2.3.1.1 设计氢气储存容器时,应充分考虑在正常工作状态下大气环境温度条件对容器壳体金属温
度的影响,其最低设计金属温度不应高于历年来月平均最低气温的最低值。
7.2.3.1.2 氢气储存容器的支承和基础应为非燃烧体并确保牢固,容器的接地要求应符合
GB 50177-2005中9.0.7的规定。
7.2.3.1.3 固定式氢气储罐、氢气长管拖车及其零部件的涂敷与运输包装应符合JB/T 4711的规定和
图样的技术要求。
7.2.3.1.4 固定式氢气储罐的设计应符合TSGR0004、JB4732等相关规范标准的规定。
7.2.3.1.5 固定式氢气储罐应设有压力表、安全泄放装置、氢气泄漏报警装置、吹扫置换接口等安全
附件。
7.2.3.1.6 固定式氢气储罐顶部最高点宜设有氢气放空管,底部最低点宜设有排污口。
7.2.3.1.7 氢气长管拖车的设计应符合TSGR0005、《气瓶安全监察规程》等相关规范标准的规定。
7.2.3.1.8 氢气长管拖车应按GB 2894的规定设置安全标志。
7.2.3.1.9 氢气长管拖车的汇流总管应设有压力表和温度表。每只钢瓶均应装配安全泄放装置。拖
车上应配备灭火器材。
7.2.3.1.10 氢气瓶的设计应符合 TSGR0009、GB 5099、《气瓶安全监察规程》等相关规范标准的
规定。
7.2.3.1.11 氢气储气瓶组的气瓶、管路、阀门和其他附件应可靠固定,且管路、阀门和其他附件应设有
防止碰撞损坏的防护设施。
7.2.3.2 液氢储存容器
7.2.3.2.1 液氢储存容器应设有绝热效果良好的绝热系统,其内容器和真空夹层均应设有安全泄放
装置。
7.2.3.2.2 液氢储存容器的支承和基础应为非燃烧体并确保牢固。
7.2.3.2.3 液氢储存容器的放空管应设在容器顶部,并宜控制排放氢气的速度,以防静电引起爆炸。
7.2.3.2.4 固定式液氢储存容器、移动式液氢储存容器及其零部件的涂敷与运输包装应符合JB/T 4711
的规定和图样的技术要求。
7.2.3.2.5 固定式液氢储存容器的选材、设计、制造、检验与试验、安全防护应符合 TSGR0004、
GB/T 18442.1~6等相关规范标准的规定。
7.2.3.2.6 移动式液氢储存容器的选材、设计、制造、检验与试验应符合TSGR0005、《气瓶安全监察
规程》等相关规范标准的规定。
7.2.3.2.7 低温绝热气瓶的设计应符合《气瓶安全监察规程》等相关规范标准的规定。
7.2.3.3 氢浆储存容器
氢浆储存容器除应符合7.2.3.2的规定外,还应符合以下要求:
a) 防止污染物进入容器,并及时处理容器内的固体氢颗粒积聚物;
b) 及时补给或浓缩氢浆,确保容器中固态氢的质量分数满足要求。
7.2.3.4 固态储氢容器
固态储氢容器除应符合7.2.3.1.4、7.2.3.1.5和7.2.3.1.7的规定外,还应符合以下要求:
a) 防止固态填充物在使用过程中局部堆积;
b) 单管或列管的管端均应设置过滤精度与固态储氢物质粒度相匹配的过滤器;
c) 依储氢容量大小和固态物质储氢热效应高低,固态储氢容器宜设计为热交换器结构。
7.2.3.5 压缩机
7.2.3.5.1 氢气压缩机的选型、数量,应根据进气压力、排气压力、氢气纯度和用氢量或使用特性确定。
7.2.3.5.2 氢气灌装用压缩机的型号、排气量,应根据灌装台或充装容器的规格和数量、充装时间、进
气压力和排气压力确定。
7.2.3.5.3 输送氢气用压缩机后应设有氢气罐,并应在氢气压缩机的进气管与排气管之间设置旁
通道。
7.2.3.5.4 氢气压缩机前应设有氢气缓冲罐。数台氢气压缩机并联从同一氢气管道吸气时,应采取措
施确保吸气侧氢气为正压。
7.2.3.5.5 氢气压缩机的安装和验收应符合GB 50275、设计制造标准和技术说明书的规定。
7.2.3.5.6 氢气压缩机安全保护装置的设置,应符合GB 50516-2010中6.2.5的规定。
7.2.4 管道
7.2.4.1 基本要求
氢气、液氢和氢浆管道应符合以下基本要求:
a) 选用符合国家标准或行业标准规定,且满足工作压力、工作温度要求的无缝管;
b) 管的材料应与氢有良好的相容性;
c) 采用焊接连接或其他能有效防止泄漏的连接方式;
d) 设置合适的安全泄放装置,与用氢设备连接的管道应设切断阀,连接至有明火的用氢设备的管
道还应设阻火器;
e) 管道上应标明介质及其流动方向;
f) 管道宜采用架空敷设,其支架应为非燃烧体,且不应与电缆、导电线路、高温管线敷设在同一支
架上;
g) 氢管道与其他管道共架敷设或分层布置时,氢管道宜布置在外侧并置于上层,且应保持一定的
安全距离;
h) 管道与建筑物、构筑物或其他管线应保持一定的安全距离,室内管道不应敷设在地沟中或直接
埋地,室外地沟敷设的管道,应采取防止氢泄漏、积聚的措施。
7.2.4.2 氢气管道
7.2.4.2.1 氢气站、供氢站和车间内氢气管道的敷设,应符合GB 50177-2005中12.0.10的规定;厂
区内氢气管道架空敷设、直接埋地敷设和明沟敷设时,应分别符合GB 50177-2005中12.0.11、12.0.12
和12.0.13的规定;氢气管道与其他管道共架敷设或分层布置时,应符合GB 4962-2008中4.4.6的
规定。
7.2.4.2.2 氢气管道上应设放空管、分析取样口和吹扫置换口,其位置应能满足管道内气体排放、取
样、吹扫和置换要求。
7.2.4.3 液氢和氢浆管道
7.2.4.3.1 管道绝热应采用高真空多层绝热、真空粉末绝热或其他绝热效果优良的绝热方式。
7.2.4.3.2 使用波纹膨胀节时,应将其放置于真空夹套内,且管道系统应有足够的弹性以避免热膨冷
缩引起管道失效或泄漏。
7.2.4.3.3 不应采用螺纹连接。
7.2.4.3.4 液氢和氢浆管道可能有液体滞留的部位应设有安全泄放装置,液体排放管道应设有坡度。
7.2.4.3.5 液氢和氢浆管道应远离沥青等易燃材料,且应保护管道周围易产生低温脆化的材料。
7.2.4.3.6 液氢和氢浆管道不宜用于长距离输送,氢浆管道应避免固态氢颗粒沉淀和流动分层。
7.2.5 附件
7.2.5.1 安全泄放装置
7.2.5.1.1 安全泄放装置(包括安全阀、爆破片和辅助泄压装置)应满足以下基本要求:
a) 制造安全泄放装置的单位应当持有相应的特种设备制造许可证;
b) 安全泄放装置应能保证系统的压力始终不高于系统的最大允许工作压力,其尺寸应适应压力
源的最大流量,且在极端条件下仍应有足够的泄放能力;
c) 若低压氢系统通过压力调节器与高压氢源相连,且低压氢系统的承压上限低于高压氢源的压
力,则低压氢系统应设置安全泄放装置以防超压;
d) 安全泄放装置的材料应能适应氢系统的工作温度,且与氢有良好的相容性;
e) 液氢或氢浆管道上安装多个安全泄放装置时,应确保各个安全泄放装置不影响管道流速,且运
行时不影响其他安全泄放装置的开启压力;
f) 真空夹层的安全泄放装置应符合GB/T 18442.6的规定;
g) 安全泄放装置和被保护的容器或管道之间不应安装截止阀。
7.2.5.1.2 安全阀还应满足以下要求:
a) 安全阀的最大泄放量及开启压力应符合JB4732-1995附录E中E6的规定;
b) 安全阀的可动部分在不均匀加热或冷却时应灵活可动,且不应使用可能妨碍安全阀正常工作
的填料;
c) 应选用全封闭式安全阀,并应有产品合格证或质量合格证明书,经校准合格铅封后,方可安装;
d) 安全阀应铅直安装在便于观察和检修的排放管路上且靠近被保护容器的位置;
e) 液氢和氢浆系统安全阀的安装应符合GB/T 18442.6的规定。
7.2.5.1.3 爆破片还应满足以下要求:
a) 爆破片的标定爆破压力应大于系统的工作压力,爆破片与安全阀的并联装置应符合JB4732-
1995附录E中E8的规定;
b) 液氢和氢浆储存容器的内容器所装配的爆破片装置应符合GB/T 18442.6的规定;
c) 爆破片爆破时不应产生火花和金属碎片;
d) 应根据爆破片的使用寿命,进行定期更换;
e) 爆破片应设有安全保护盖。
7.2.5.1.4 在设计、安装辅助泄压装置时,应考虑液击、空化等引起的瞬变压力。
7.2.5.2 阀门
7.2.5.2.1 氢气节流阀应采用自启动装置,当流速达到预先设定的最大值时,节流阀应自动关闭。
7.2.5.2.2 氢气管道的切断阀宜采用球阀或截止阀。
7.2.5.2.3 应根据工作压力、工作温度及与氢的相容性等选用阀门材料和密封填料。
7.2.5.2.4 液氢系统宜使用低温球阀,并应防止球阀关闭时阀芯内仍残留有液氢。
7.2.5.2.5 截止阀应安装于液氢回流管线并尽可能靠近容器的位置,在截止阀与容器之间的管道中不
应有其他附件。
7.2.5.3 密封件
7.2.5.3.1 应根据氢系统的工作压力、工作温度、与氢的相容性等因素选择密封件。
7.2.5.3.2 使用非金属材料密封件时,应避免氢在非金属材料中的高渗透性导致密封件失效或氢
渗漏。
7.2.5.4 过滤器
7.2.5.4.1 应定期或当过滤器的压力降超过规定值时,对过滤器进行清洗或更换。
7.2.5.4.2 过滤器应易于拆卸和清洗,不应通过系统反冲进行清洗。
7.2.5.4.3 应防止氢浆系统中的过滤器被固体氢颗粒堵塞。
7.2.5.4.4 应确定过滤器的数量和安装位置,以降低系统内的杂质含量。过滤器宜安装于加注管路或
补给管路。
7.2.5.5 仪表和控制器
7.2.5.5.1 氢系统应装配有必要的仪表和控制器,以监控系统的运行状况;若使用的仪表或控制器为
电气设备,还应符合7.3.5的规定。
7.2.5.5.2 仪表的精度等级和量程应满足使用要求,并应有产品合格证和检定日期,经校核合格铅封
后方可安装,其安装位置应便于作业人员观察和检修。
7.2.5.5.3 应定期校核仪表和控制器,以确保其工作正常。
7.2.5.5.4 用于液氢和氢浆系统的液面计的液位指示应直观,当采用刻度转换式液面计时,应在明显
位置标示充装量和刻度换算表。
7.3 氢设施要求
7.3.1 平面布置
7.3.1.1 氢气站、供氢站、氢气罐,与建筑物、构筑物的防火间距应符合GB 50177-2005中3.0.2的
规定,与铁路、道路的防火间距应符合GB 50177-200......
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