特嗨氫安全團(tuán)隊(duì)致力于氫安全方向的研究，發(fā)現(xiàn)一篇關(guān)于氫安全的優(yōu)秀文獻(xiàn)，特此推薦參閱。我們也為大家解讀文獻(xiàn)中氫安全的關(guān)鍵內(nèi)容，包括氫氣事故調(diào)查數(shù)據(jù)分析、泄漏和擴(kuò)散、氫氣點(diǎn)火和爆炸等研究。

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統(tǒng)計(jì)近20年間發(fā)生的120起

氫安全事故分析結(jié)果

① 事故地點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)室占比最大為38.3%、其次為加氫站為10.6%和儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施9.0%。

② 事故設(shè)備

管道/配件/閥門占比最大為32.28%，氫氣儲(chǔ)存設(shè)備占比為15.51%，車輛和燃油系統(tǒng)占比為12.66%，這些部件易發(fā)生事故，在日常巡檢中須重點(diǎn)關(guān)注這三大部件。

③ 事故原因

管道/閥門/過濾器故障占比最大為35.7%，人為失誤占比為14.2%，設(shè)計(jì)缺陷占比為12.07%

④ 傷亡情況

事故致死率為5.32%，是天然氣的2倍。

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氫泄漏和擴(kuò)散

① 泄漏流程

氫的泄漏和擴(kuò)散是造成傷害的第一步。通常，微小的泄漏會(huì)迅速擴(kuò)散而不會(huì)造成很大的危險(xiǎn)，但大量的泄漏可能會(huì)產(chǎn)生噴射火焰和爆炸。此外，如果壓縮氫氣突然釋放到空氣中，在沒有明顯點(diǎn)火源的情況下也會(huì)自發(fā)點(diǎn)燃。下圖展示了從氫氣泄漏到發(fā)生危險(xiǎn)的流程圖。

② 泄漏擴(kuò)散的兩種“模式”

氫氣在受限空間內(nèi)泄漏擴(kuò)散的兩種“模式”分別為：

“填充”模式：在氫氣在泄漏出口的速度小于聲速時(shí)，在到達(dá)受限空間的頂部之前，會(huì)轉(zhuǎn)化為羽流，羽流首先在天花板頂部以高濃度聚集，然后再逐漸向下擴(kuò)散，在天花板頂部和擴(kuò)散表面之間形成較大的濃度梯度。

“逐漸上升”模式：與“填充”模式相比，從噴嘴泄漏的氫氣在接觸到天花板時(shí)不會(huì)變成羽流，在天花板下方積聚的氫氣-空氣混合物的濃度持續(xù)增加，雖然頂部和底部之間存在濃度梯度，但兩者之間的差距很小，所以當(dāng)在空氣中超過4%下限時(shí)，可燃濃度區(qū)顯著增加。

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氫氣的點(diǎn)燃和爆炸

氫氣在空氣中僅需非常低的點(diǎn)火能量就能點(diǎn)燃，當(dāng)氫氣以低點(diǎn)火能量點(diǎn)燃時(shí)，首先發(fā)生層流燃燒，之后，由于火焰不穩(wěn)定性，各種壓力之間的相互作用等原因，火焰會(huì)經(jīng)歷湍流燃燒，最終轉(zhuǎn)變?yōu)楸?。由于具備極低的最小點(diǎn)火能量的特性，當(dāng)高壓氫泄漏時(shí)很容易發(fā)生自爆。

① 最小點(diǎn)火能量(MIE)

氫氣-空氣混合物的最小點(diǎn)火能量(MIE)僅為0.018毫焦耳，而甲烷的MIE約為0.1毫焦耳。當(dāng)氫氣被混合到富氧環(huán)境中(O?/(O?+N?))時(shí)，MIE可以低至0.0056毫焦耳。Ono等人使用電容火花放電方法分析了H2-空氣混合物濕度和火花持續(xù)時(shí)間對(duì)MIE的影響，研究結(jié)果為H2-空氣混合物濕度沒有顯著影響，當(dāng)火花持續(xù)時(shí)間從5納秒變化到1毫秒時(shí)，MIE大約為常數(shù)。

② 氫氣自燃

氫氣泄漏后的自燃現(xiàn)象歸因于其具有極低的最小點(diǎn)火能量（MIE），根據(jù)英國金斯頓大學(xué)火災(zāi)與爆炸研究中心對(duì) 676 起氫氣事故的統(tǒng)計(jì)，419 起火災(zāi)和爆炸事故（占事故總數(shù)的 62%）的點(diǎn)火源不明確，自燃被認(rèn)為是可能的原因。

高壓氫氣泄漏自燃的機(jī)制主要存在以下主要的假設(shè)理論：

1）逆焦耳 - 湯姆遜效應(yīng)；

2）靜電點(diǎn)火；

3）擴(kuò)散點(diǎn)火；

4）突然絕熱壓縮；

5）熱表面點(diǎn)火；

6）機(jī)械摩擦和沖擊；

③ 爆燃轉(zhuǎn)爆轟（DDT）過程的模擬

當(dāng)使用低點(diǎn)火能量點(diǎn)燃?xì)錃?空氣混合物時(shí)，首先會(huì)生成層流火焰，在適當(dāng)條件下，火焰持續(xù)加速并產(chǎn)生若干壓縮波，壓縮波的疊加進(jìn)一步產(chǎn)生沖擊波，最終導(dǎo)致爆轟。爆轟過渡（DDT）發(fā)生迅速，通常在幾微秒到幾十微秒內(nèi)就完成，DDT 的特點(diǎn)是爆燃的持續(xù)加速，隨后突然轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z。

研究在光滑管中C2H2-O2混合物中爆轟過渡（DDT），弱點(diǎn)火后，首先形成層流火焰，燃燒的膨脹效應(yīng)增加了背景流速；在邊界層的作用下，流速表現(xiàn)出橫向速度梯度，這導(dǎo)致火焰前沿拉伸并加速；火焰前沿逐漸增大，層流燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧魅紵?；背景流場流速的增加和湍流燃燒產(chǎn)生正反饋效應(yīng)，導(dǎo)致火焰速度迅速增加。

Gamezo 等人在有障礙物的通道中對(duì)火焰加速和 DDT 的發(fā)生進(jìn)行了模擬，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)火焰與剪切層相互作用并流回障礙物后方時(shí)，火焰表面積顯著增加，且激波經(jīng)過障礙物時(shí)反射會(huì)變得更強(qiáng)烈，導(dǎo)致碰撞后形成一個(gè)高溫區(qū)域。在 0.906毫秒時(shí)，由于激波與障礙物的碰撞，溫度超過820開爾文，一個(gè)熱點(diǎn)出現(xiàn)，該熱點(diǎn)持續(xù)存在并發(fā)展成火焰，最終與主火焰合并。

韓等人對(duì)薄管和厚管中的火焰加速和爆轟傳播進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究結(jié)果是，在薄管中，火焰持續(xù)加速直至爆轟發(fā)生，而在厚管中，火焰加速先增加后減少，最終轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z傳播。

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研究總結(jié)

由于未來氫氣將在人們的日常生活中大規(guī)模應(yīng)用，氫氣也將從危險(xiǎn)化學(xué)品轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉摧d體，研究自燃和爆炸問題變得非常重要。文章通過對(duì)氫安全事件進(jìn)行分析得出，氫系統(tǒng)中管道/閥門/過濾器的故障是氫相關(guān)事故中最常見的原因。而氫氣的低最小點(diǎn)火能量和寬廣的可燃濃度范圍，使其有可能自發(fā)點(diǎn)燃，通過對(duì)五種氫氣自燃機(jī)制研究，發(fā)現(xiàn)任何由自燃引起的事故都是由兩種或兩種以上這些機(jī)制共同作用的結(jié)果。雖然目前我們對(duì)爆轟傳播的機(jī)制已有充分了解，但仍很難詳細(xì)預(yù)測。同時(shí)還要考慮人的安全，人們可能在日常生活中接觸到氫能設(shè)備，如加氫槍等，在此過程中可能會(huì)產(chǎn)生安全事故，因此還應(yīng)加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測。

特嗨氫安全團(tuán)隊(duì)在多年涉氫場所安全管理與氫安全咨詢過程中積累了大量氫安全實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我們期待與行業(yè)同仁開展深度合作，共同推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)安全發(fā)展。